基于ICCP埋地管道腐蚀防护工程的应用研究

张思捷，杨植民，高鹏飞，潘 露，李笑怡

(中国葛洲坝集团电力有限责任公司 湖北武汉430000)

0 引 言

土壤环境复杂，微生物种类繁多[1]，还有雨水、空气等腐蚀介质，加上管道附近的杂散电流等腐蚀途径引起的微生物腐蚀、杂散腐蚀、电偶腐蚀、电化学腐蚀等，管道的腐蚀防护显得相当重要。外加电流阴极保护(Impressed Current Cathodic Protection，ICCP)对长距离管道的保护具有较大优势，不仅保护参数可控可调，且服役周期长、防护效果好，尤其大规模的管道腐蚀防护工程，其保护效果和工程概算均优于其他防护方法。但随着服役年限的延长、埋设环境的变化，保护电流的有效范围发生偏移，导致管道处于欠保护状态，管道腐蚀的程度加深，若定期进行腐蚀检测，在检测结果的基础上对已腐蚀管道实施再保护，可以减缓甚至抑制腐蚀的发生，降低工程再造的成本，提高管道的经济效益。相比防腐涂层、合金结构、牺牲阳极(Sacrificial Anode Cathodic Protection，SACP)等腐蚀防护方法，ICCP在管道工程应用中优势明显，但也存在一定的局限。阴极干扰和电流屏蔽[2]是ICCP应用中的两大问题，工程上尝试利用脉冲电流解决电流屏蔽，对于阴极干扰则通常用排流器对杂散电流进行回流。另外，为保证防护工程的质量，对保护范围内的跨步电压(Step Voltage，SV)等涉及人身安全问题，以及管道缺陷处、管道首末端的腐蚀联结问题，应给予重视。

1 ICCP在埋地管道工程中的应用

1.1 金属腐蚀原理及管道防腐蚀基本方法

金属腐蚀是金属从高能量较活泼的原子态转化为低能量较稳定的分子态的过程[3]。一般来说，抑制金属腐蚀的方法有 ICCP、SACP、防腐蚀涂料(Anti-Corrosive Coating，AC)、绝缘保护层、耐腐蚀钢材等。为提高埋地管道耐腐蚀性能，工程上常采用ICCP或SACP方法给天然气管道提供保护。

外加电流阴极保护由直流电源阴极与被保护设备相连，通过辅助阳极、电解质形成回路，电源在回路中给被保护设备提供阴极保护电流，使电子富集在设备表面，调节电流密度使被保护金属电位低于周边物质电位，从而产生阴极极化，抑制被保护结构的腐蚀。阳极材料通常以Pb-Ag合金、Pb-Ag微铂、Pt-Nb复合阳极以及Pt-Ti复合阳极等高原子序数金属合金为材料，因而辅助阳极的服役时间往往较长。

外加电源的强制阴极极化特性伴随着对电解质导电性能限制的减弱，而 SACP要求介质电阻率较低，一旦介质电阻率超过一定阈值，阴极电位将无法得到有效极化。为了维持阴极电位，必须增大极化电流，但会加快阳极腐蚀速率，缩短其更换周期，增加保护成本。相比 ICCP，SACP无需长时间的维护管理，在阳极安装完成后和阳极更换前的阶段，不用进行断电电位检测、恒电位仪调试、阴保站的维护等操作，且由于更换频率较高，SACP不易产生杂散腐蚀。SACP的局限在于无法调节保护参数，而外加电流法通过控制保护电流密度跟踪适应系统新的腐蚀状态，减少管道腐蚀造成的损失。

1.2 管道腐蚀检测过程分析

管道的腐蚀监测核心思想在于掌握全线管道的“阴极保护状态”，评价“阴极保护状态”的指标一般包括“阴极极化电位”和“杂散电流对阴极保护电位的干扰程度”。“评价指标”旨在完善对管道全线的保护覆盖以及减小或消除区段杂散电流对阴保系统的干扰，保证外加电流阴极保护的防腐蚀效果。在外加电流阴极保护系统施工完成后，由工程人员对全线金属管道防腐蚀层进行“阴极保护状态测试”，主要包括阴极保护电位测试、杂散电流检测、防腐蚀层缺陷点检测和防腐蚀层绝缘电阻测试[4]，测试主要针对管道缺陷处。在确保缺陷处“阴极保护状态”良好后，对全线管道进行整体测试，根据测试结果调整阴保站控制系统参数，反复调试，直至达到保护要求，具体过程如图1所示。对服役中的埋地管道进行腐蚀检测，能够有效预防管道保护层的腐蚀以及欠保护或过保护状态，降低管道因腐蚀产生裂缝的机率，提高工程质量。

图1 防腐蚀系统的检测更新Fig.1 Detection update process of anti-corrosion system

由于管道中牺牲阳极保护的存在，在阳极不断消耗的过程中，电阻率和管段压降会随之变化，可能导致缺陷处极化电位超出允许范围，造成部分区段欠保护或过保护。为了避免因阳极消耗造成阴极保护失效，在阳极更换周期内，工程人员应定期检测各缺陷点处的保护状态，根据检测结果重新调整阴极保护参数，将各区段极化电位维持在最优区间，从而达到新的保护平衡态。

1.3 管道锈蚀后的再保护

1.3.1 输气管道

服役中处于欠保护状态的长线输气管道[5]，由于管线跨距大宜采用分区段检测，根据检测数据对各区段破损腐蚀情况进行评估，利用评估结果制定阶段性防腐蚀方案。综合考虑方案实施的可靠性、有效性和经济性，从中筛选出最优的长距离输气管线防腐蚀方案。鉴于输气管道往往较长、跨度大、埋设环境复杂，SACP难以保障全线阴极极化电位且保护周期短，另外在电阻率较高的土壤环境中防腐蚀效果较差，因此采用防腐涂层和沿线建立阴保站的双重保护以确保管道极化电位在有效范围内。

1.3.2 输水管道

对于服役多年、腐蚀情况严重的输水管道，为延长管线的服役寿命，不仅需对管道缺陷处进行修复，还需根据全线管道的腐蚀状况及埋设环境制定经济有效的再保护方案。考虑管道埋设区域的降雨，越接近地表的管道越易受到土壤腐蚀介质的侵蚀。对管道表面进行防腐涂层处理将大幅降低土壤腐蚀介质侵蚀的概率，但随着管道服役时间的增加，涂层会逐渐老化，失去结合力，甚至与管体分离，因此最经济合理的方案是防腐蚀涂层与外加电流阴极保护法的联合防腐，既达到对管道腐蚀的防护效果，又减少腐蚀再保护的投入。

2 ICCP管道工程应用局限性分析

对埋设在地下的管道进行外加电流阴极保护，需具备 3个条件：阳极地床(Anode Ground-bed，AG)、外加电源、参比电极(Reference Electrode，RE)。

①阳极地床：AG的作用在于“将极化电流导入土壤”，电流经土壤流入被保护体，使被保护体发生阴极极化，最后流回电源负极，形成闭合回路。工程上广泛采用的AG有3种，即柔性阳极、深井阳极和石墨阳极，三者的适用条件各不相同，一般结合实际工程情况进行选择。

②外加电源又称恒电位仪，电流大小以及极化电位等阴极保护参数可调，属于可控元件，是阴极极化的关键。恒电位仪控制方式有 4种：电位控制、槽压控制、电流控制、间歇控制。由于电位控制方式的适用范围广、稳定性强且无延时，在工程上应用广泛。

③参比电极的意义：其一在于测量，测量被保护结构物的电位，不同的参比电极对应的被保护结构物安全电位是不同的；其二在于控制，给恒电位仪提供被保护结构物的电位信息。断电电位测量中，管道正上方的参比电极与管道之间的电位差，称为极化电位。

以上3个条件缺一不可，而ICCP在工程应用中伴随而来的问题也是由保护机制的差异造成的。目前外加电流阴极保护法在管道工程应用中的两大问题分别是电流屏蔽和阴极干扰[2]。“电流屏蔽”是指保护电流通路由于加装套管或保护层剥离等原因在原保护处断开，与外部导体或介质形成新的通路，造成保护失效。阴极干扰是指当保护电流经过电位较高或电位较低的区域时，会受到外部电流的干扰，使保护电流或增强或减弱，产生矢量偏移，造成保护电位偏离，影响阴极极化，从而弱化保护效果。

工程应用中针对因电流屏蔽和阴极干扰形成的缺陷点通常采用“先检测后处理”的方法。首先对被保护体进行电流测绘，即RD-PCM检测，确定整体腐蚀状况；第二步采用交流电位梯度 ACVG、直流电位梯度 DCVG以及密间距电位 CIPS等检测技术判断缺陷管道完整性；最后通过现场开挖对缺陷处进行修复。该方法可以有效解决缺陷处的腐蚀防护问题，但经济性差且操作复杂。

针对由防护层破坏引起的电流屏蔽问题，勒巍等[6]提出了一种改进方法——脉冲电流法，以脉冲电流源代替直流电流源给被保护体提供极化电流。脉冲波具备强穿透性使之能够克服缺陷处高电阻率的电压降干扰，从而扩大极化区间，缩小屏蔽面积，但与此同时也会扩大保护层断裂后的缝隙。ICCP在工程实践中的第2个问题是阴极干扰，其主要原因在于被保护体周围存在杂散电流源，引起邻近区域的电位变化，影响保护点的阴极极化[7]。因此，排除杂散电流是解决阴极干扰问题的关键[8]。杂散电流可以由排流设备导回电流源，条件是形成一条流经被保护结构、排流设备、绝缘导体以及电流源的电流通路。

3 防护工程安全性和完整性的针对措施

3.1 防护工程安全性——阳极地床

阳极地床的安全问题影响 ICCP在管道工程中的应用，是工程施工前必须考虑的主要问题。防护工程安全性与地床的类型以及工程参数有关，因此选取合适的类型、设计满足安全规范要求的阳极地床至关重要。

柔性AG具有合理分配保护电流的作用，沿管道线铺设，对极化电流有良好的导流效果，可使管道充分极化，但施工难度大，需沿管道开挖进行 AG铺设，途经河流、湖泊、山川等施工成本会很高[9-10]。深井阳极对附近金属构架物的影响较小，跨步电压 SV小，施工场地小，但成本高、难度大，且对地质状况要求高，设计施工前需要进行地质勘查[11]。水平连续焦炭屑阳极，具有施工方便、投资小的优点[12]，适合长距离埋地管道的保护，但由于保护电流较大，地床附近的跨步电压SV很大可能会导致人员伤亡，因此采用双阳极地床(Double-AG)进行分流降压，大幅降低安全风险。

3.2 防护工程完整性——管道首末端/缺陷区段

因管道首末端的绝缘效果受结构材质的影响，绝缘效果并不理想，加上管道阀门浸于水中，导致阴极保护电流损失，削弱管道阴极保护效果[13]。另外，浸水条件下由法兰连接的非阴极保护管道与异侧管道的电位差会形成严重的电偶腐蚀，破坏非阴极保护侧管道。为了消除以上不利因素，在非阴极保护侧管道上采用 SACP，以降低管道电位，减少保护电流的损失。

考虑铺设路径会经过铁路、河流等易产生电偶腐蚀和浓差腐蚀的区段，这些区段的腐蚀会率先发生，腐蚀程度也最恶劣，更重要的是腐蚀往往从这里开始，逐渐扩大，严重会导致管道开裂破损，破裂会影响阴极保护电流的通过。而当阴极保护电流从保护层破损处流出，不管电流是否回到管道，都会在电流流出位置造成严重的电化学腐蚀，从而加重腐蚀程度。为了降低腐蚀对管道线路的影响，对易腐蚀区段的管道采取 SACP，并安装测试桩，通过测试桩监测易腐蚀区段的保护状态，一旦保护电位偏离正常范围及时检修，可避免因外加电流阴极保护失效而形成更严重的电化学腐蚀。

4 结 论

①为了提高管道耐腐蚀性能，工程上通常采用ICCP或者 SACP的方式给管道提供防腐蚀保护。对服役中的长距离管道进行检测，能够有效预防管道保护层的腐蚀。腐蚀再检修工程中常常采用防腐涂层和 ICCP的双重防腐保护，确保管道极化电位在有效范围内。

②电流屏蔽和阴极干扰是现阶段外加电流阴极保护法在管道工程应用中的两大问题，脉冲电流法和排流法适用于解决电流屏蔽和阴极干扰问题。

③对于管道的腐蚀防护，铺设 Double-AG可以保证工程的安全性，在管道首末端连接处以及缺陷区段进行防腐蚀处理可以保证工程的完整性，从而提高防护质量。