某大型站场强制电流阴极保护失效的原因

朱加祥,贾光猛,尚增辉,杜明俊,李 晔,赵常英

(中国石油工程建设有限公司 华北分公司，任丘 062552)

阴极保护利用通电技术使金属表面阴极电位降低到阳极电位，各点电位达到一致，消除阳极区,从而减缓腐蚀[1]。通常对埋地管道采用外涂层和阴极保护来防止管道的外部腐蚀，外涂层提供第一道防护屏障，阴极保护作为腐蚀防护的第二道屏障，能有效防止涂层存在缺陷(如针孔和漏点)或涂层脱落时管道发生腐蚀[2]。国内外工程实践证明，对输油站场/库区实施强制电流的区域性阴极保护比单独采用涂层防腐蚀技术或牺牲阳极保护技术更加有效，可有效避免由腐蚀失效造成的危险事故[3-4]。国内越来越多的新建站场和已建站场，已经实施或正在逐步实施区域阴极保护技术。然而，阳极埋设处土壤电阻率变大[5]，焦碳降阻材料性能下降、失效[6]，阳极地床发生气阻现象[7]等众多因素都能影响阴极保护的效果,因此阴极保护失效也时有发生。

某大型站场分为三个库区(成品油库区、原油库区和首站)，为了防止110 km埋地管道和设备底座发生腐蚀，整个站场采用强制电流的阴极保护系统，对埋地管道、设备底座采用1 642支浅埋分布式高硅铸铁阳极进行阴极保护。阳极规格为φ159 mm×2 000 mm，阳极埋深1.8 m，阳极间距2.5～60 m，采用接线箱对阴极保护电流进行分配，整个站场共有35套系统，其中恒电位仪规格为75 V/50 A。该阴极保护系统投入运行半年后，测试桩保护电位的合格率从最初的97%逐渐降低至80%左右，影响了阴极保护的效果。本工作针对该站场部分阴极保护失效问题，分析了阴极保护电位降低以及恒电位仪输出电压偏高的原因，以期为同类型项目的设计和改造提供借鉴。

1 阴极保护的输出参数

整个库区阴极保护系统于2016年投产运行，半年之后，阴极保护的合格率出现了降低，所有的恒电位仪输出电压都出现了偏高。表1为成品油库区5套阴极保护系统目前的运行参数，系统采用恒电流运行模式。

表1 成品油库区5套阴保系统恒电位仪运行参数Tab. 1 Operating parameters of 5 sets of potentiostats for cathodic protection system in refined oil depot

CP-02阴极保护系统恒电位仪的输出参数随时间的变化关系如图2所示，阴极保护电位如图3所示。恒电位仪的输出参数在建成投产的4个月之内运行良好，通电点的阴极保护电位(相对于铜/硫酸铜参比电极)也能满足GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》负于-850 mV的要求， 投产4个月之后，恒电位仪的输出参数开始升高，一些系统恒电位仪的输出电压甚至达到了额定输出电压。对于改造的油气站场，部分管道的防腐蚀层已经劣化，在阴极保护系统运行过程中，应适当提高保护电位或通过测量断电电位调整阴极保护状态，避免管线由于绝缘防腐蚀层劣化导致腐蚀穿孔[8]。由于阴极保护系统回路电阻升高，为了保证恒电位仪在额定电压下运行，如果提高保护电压,就得调低恒电位仪的输出电流。因此阴极保护范围和效果都会受到影响。

(a) 输出电压

(b) 输出电流图2 CP-02阴极保护系统恒电位仪输出电压、电流 与时间的关系Fig. 2 Relationship between output voltage (a), current (b) and time for potentiostat of cathodic protection system CP-02

图3 CP-02阴极保护系统通电点处的阴极保护电位Fig. 3 Cathodic protection potentials at switch-on points of cathodic protection system CP-02

根据欧姆定律，恒电位仪输出电压可以用式(1)表示。

V恒=I(Ra+RL+RC)+VR

(1)

式中：V恒为直流电源输出电压，V；Ra为阳极接地电阻，Ω；RL为线电阻(可取0.3～1 Ω)，Ω；RC为阴极过渡电阻，Ω；VR为反电动势，V。

回路电阻主要包括三部分:阳极接地电阻、导线电阻和阴极过渡电阻[9]。阴极保护回路可以等效为一个简单的直流串联回路[10]，其负荷即为全回路中的总电阻。在恒电位仪输出电压的几个影响因素中，导线电阻和反电动势一般较小，可以视为定值，它们对恒电位仪输出电压的影响有限；而阳极接地电阻和管道阴极过渡电阻对恒电位仪输出电压的影响较大，在整个系统回路中，阳极地床的接地电阻占回路电阻的70%～80%[11]。受干燥土壤介质的影响，阳极与土壤之间的接触电阻增加比较明显，导致阳极接地电阻和阴极过渡电阻增加，从而使恒电位仪的输出电压升高。

2 现场试验

2.1 土壤电阻率

土壤电阻率测量参照了GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》中土壤电阻率(等距法)，采用标准四级法对地表、地表下1 m和1.5 m深度的土壤电阻率进行测试，测试结果如表2所示。结果表明：地表土壤电阻率在150 Ω·m左右；地表下1 m、电极间距1 m处土壤电阻率为207～244 Ω·m；地表下1.5 m、电极间距0.5 m处土壤电阻率大于279 Ω·m，有些测量值还超出了仪器的量程。随着土壤深度的增加，土壤电阻率也随之增大，库区内深层土壤含水量少，较为干燥，土壤电阻率大。地表土壤电阻率为地表所测范围内的平均值，如站场位于干旱的戈壁滩,设计时应当考虑土壤电阻率的不均匀性，尤其是在深层土壤电阻率较大的情况下，设计时还应考虑因土壤电阻率升高导致系统回路电阻升高的情况。

表2 不同深度土壤的电阻率Tab. 2 Resistivity of soil at different depths

2.2 阳极所处环境及其表面形貌

高硅铸铁阳极采用水平方式安装，阳极周围的土壤含有较多尺寸为1～5 cm的碎石，有的石块尺寸甚至超过20 cm，碎石增大了阳极与土壤之间的空隙，缩小了阳极与土壤之间的接触面积，导致阳极与土壤的接触电阻增大。

该阴极保护系统采用φ159 mm×2 000 mm的预包装的高硅铸铁阳极。开挖出的钢套管表面已经发生腐蚀，在表层可见厚度为1～2 mm的铁锈层，如图4所示。一般情况下，阳极的氧化反应首先发生在钢套管处，即钢套管首先被腐蚀消耗，形成铁锈层，在偏碱性土壤环境中阳极钢套管处发生的反应如式(2)所示。

图4 高硅铸铁阳极表面腐蚀形貌Fig. 4 Corrosion morphology of surface of high silicon cast iron anode

(2)

2Fe(OH)2继续氧化转变成Fe(OH)3，最终脱水转变成铁锈Fe2O3·xH2O。钢套管上的最终产物Fe2O3·xH2O是一种疏松多孔的物质[13]，在干燥和含有较高硫酸盐的环境中，高硅铸铁阳极表面的保护膜不易形成或易受到损坏，因此其保护性能不佳[14]。在干燥环境中，铁锈增大了钢套管与土壤的接触间隙，导致阳极与土壤的接触电阻增大，尤其当阳极和焦炭层被镀锌铁皮包覆后，水很难进入焦炭层，大大影响焦炭层的导电性能，使阳极接地电阻居高不下，对阴极保护不利[14]。

同时在偏碱性的土壤环境中，阳极发生的反应大多需要氧参与，该反应不产生气体，但土壤中的氯离子得到电子会产生氯气，土壤中产生的氯气与阳极的孔洞并无关系，不存在氯气无法排除的气阻现象。阳极钢套管首先腐蚀消耗，说明阳极内焦炭导电性能良好。

2.3 阳极浇水降阻

引起阳极接地电阻升高最可能的原因是干燥的地质条件和封闭的预包装铸铁阳极。为了改变土壤的干燥程度，控制阳极地床的接地电阻，从8月份开始对阳极进行浇水降阻，处理后恒电位仪输出电压随时间关系如图5所示。水分与多孔的土壤结构相结合，多余的水分可以填补土壤孔隙，增强了土壤的导电性，使阴极保护系统能更好地保护埋地管道裸露的表面[15]。结果表明：刚浇水时，接地电阻明显降低，这是因为给阳极床浇水时，土壤中的水分得以增加，水分与套管接触的同时也降低了阳极接触电阻，保证阳极的电流流通；但阳极接触电阻的降低只能保持较短时间，随着水分的蒸发扩散，阳极与土壤介质之间变得干燥，阳极接地电阻又会迅速升高，因此对浅层地表浇水达不到持续降低接地电阻的效果。

图5 浇水处理后CP-02阴极保护系统恒电位仪 输出电压与时间的关系Fig. 5 Relationship between output voltage and time for potentiostat after watering of cathodic protection system CP-02

在不同的库区，恒电位仪输出电压超载的现象并不一样。当阳极间隔较小(5～10 m)时，恒电位仪输出电压一般不超限，阴极保护电流输出较小，单支阳极的保护范围也较小，阳极消耗反应对土壤中水分的需要量较少。当阳极间隔较大(10～20 m)时，单支阳极的保护范围较大，恒电位仪的输出电流也相对较高，这增加了恒电位仪输出电压超限的可能性。

阳极和管道的埋设位置一般位于冻土层以下[16]，库区内深层土壤非常干燥，自然降雨仅能湿润浅层地表，表层土壤电阻率变小，导电性能增强，使部分回路的接地电阻降低，但大多数回路的接地电阻仍然较高，这也说明浅层土壤含水率增加对冻土线以下阳极的接地电阻影响有限。

对于阴极保护系统而言，涂层质量的劣化、土壤参数的改变和辅助阳极的埋深和数量都是影响接地电阻变化的重要因素。土壤参数随季节性降雨而改变，直接影响阳极接地电阻。按现行技术标准GB/T 21448-2017 中“在最大的预期保护电流需要量时，地床的接地电阻上的电压降应小于额定输出电压的70%”的要求，及该油库所选恒电位仪(50 A/75 V)运行参数不能超过52 V的限制，降低阳极接地电阻时应考虑恒电位仪电压输出随季节性变化和地质环境变化对阳极接地电阻带来的影响。

每套阴极保护系统安装了4个阳极接线箱，每个阳极箱输出4路，每路包括3个高硅铸铁阳极。表3为CP-02阴极保护系统的阳极接地电阻。表中浇水情况下阳极接地电阻是指浇水后3 d内测得的阳极接地电阻平均值。从表3中可以看出，浇水之后回路的阳极接地电阻明显低于未浇水回路的阳极接地电阻；未浇水情况下，单支阳极的接地电阻最大为882 Ω，根据单支水平阳极接地电阻公式反推，埋深2 m处土壤电阻率已经接近2 800 Ω·m。

表3 CP-02阴极保护系统的阳极接地电阻Tab. 3 Grounding resistance of anode in cathodic protection system CP-02 Ω

3 结论

(1) 库区深层土壤较为干燥，土壤电阻率随土壤深度的变化较为明显，而库区多碎石的土壤环境加大了阳极与土壤接触的空隙，减小了阳极与土壤的接触面积，导致阳极与土壤介质接触电阻升高。

(2) 在设计输油站场区域阴极保护系统时，选择合适的阳极类型是阴极保护成功与否的关键因素，对于土壤电阻率较高的环境，可以选用受条件影响较小的辅助阳极，在采用高硅铸铁阳极时，最好选用非预包装阳极。

(3) 在地表浅层对阳极进行浇水，阳极接地电阻降低,但降阻仅持续较短时间。

(4) 由于现场年降雨量低，日照时间长，蒸发量大，设计阳极地床时应该考虑深层土壤电阻率过高导致接地电阻过大的问题，可以采用浇水保湿和非预包装阳极的方式进行降阻处理。