油气管道阴极保护技术分析

2022-11-20李凌风李洪涛

云南化工 2022年9期

李凌风，李洪涛

(重庆科技学院，重庆 401331)

随着社会经济的不断发展和社会生产力的不断上升，油气集输管道和油气长输管道的规模也越来越大。但是油气集输管道在实际的生产运行中，有时会因为各种原因引发安全事故。与此同时，长输油气管道因为穿跨越距离长、管道沿线的自然地质环境复杂多变，以及偶然发生的自然灾害等因素，可能会导致管道泄漏，进而引发安全事故。安全事故的发生在一定程度上是因为管道的防腐保护层被破坏，而传统的管道监测和保护方式又费时费力。因此，有必要对阴极保护这一管道防腐技术进行分析。

1 研究历史和现状

阴极保护最开始是在英国开始应用。阴极保护技术在英国科学家戴维发明后，直到20世纪的30年代才开始在管道上推广使用，之后便不断发展。国外媒体曾报道，德国有 17000 km、法国有 20000 km、苏联有 60000 km、美国则有640000 km管道施加了阴极保护[1]。国内在阴极保护这方面的研究相较于国外是比较落后的。在国内，阴极保护技术最先应用在建筑物上，而石油天然气管道的阴极保护的实验最早是在新中国成立后的1958年进行的，然后于20世纪的60年代在大庆等油气管道上推广。1970年长输管道开始建设时，阴极保护技术已经被纳入设计范围，因为它可以成功减缓管道的腐蚀，延长管道的使用寿命，为管道的安全生产提供技术保证[2]。在天然气管道的阴极保护方面，截止到2018年，我国在这个方面共有31项专利，但是有权限的专利仅有13项[3]。

2 原理和常用方法

2.1 原理

在石油天然气行业内，阴极保护是一种应用广泛而且效果较好的管道防腐方式。它的原理就是在管道上安装电位更低的金属或其它材料，这样一来，安装的材料就成为了阳极。而管道本身就成为了阴极，阴极会出现阴极极化现象，从而在腐蚀发生时大大减缓腐蚀发生的速度，进而延长管道的使用寿命。

2.2 常用方法

2.2.1 牺牲阳极保护法

牺牲阳极保护法是指在具体某种环境中(比如土壤所导致的电化学腐蚀)，牺牲阳极与被保护金属会形成原电池。就管道本身而言，在原电池中作为电位较高的阴极的管道会更难失去电子，而作为电位较低的阳极的金属材料则更容易失去电子，失去的电子会在管道的表面发生还原反应，从而保护管道不受腐蚀。常见的材料是镁、锌、铝，具体的优缺点：

1)优点：操作非常简单、安装费用少、投入使用后不需要维护、不需要额外的电源;2)缺点：保护电流不可调节、不适用于高电阻率的环境、运行寿命相对较短、输出电流有限。

2.2.2 外加电流保护法

外加电流保护法是一种主动防腐的方式，需要安装额外的电源，以此提供所需的保护电流。在这种方法中，管道作为阴极，然后选用其它适合的材料作为阳极，与管道共同构成电解池。生产运行时，油气管道表面会发生阴极反应，同时外加的电源会增加管道表面上反应所需的电子含量，进而达到减缓管道腐蚀的目的。常见的材料是石墨、高硅铸铁，具体组成和优缺点:

1)组成：恒电位仪、载流电缆、测试电缆、参比电极、辅助阳极、相关附属设备;2)优点：电流可控性好、使用寿命长、适用于高电阻环境、保护范围全面;3)缺点：需要外部电源、引发杂散电流，导致过保护，可能引起防腐层的破坏、一次性投资及使用费用较高。

3 存在的问题

1)管道外部保护层的质量不合格

部分管道外部保护层的质量差，使得管道外部防腐保护层存在着非常多的问题。与此同时，进行施工时，没有进行必要的保护措施，造成防腐层的破坏比较严重，对管道造成严重的腐蚀[4]。

2)恒电位仪故障

这种故障是阴极保护最常见的故障之一，可分为内部原因和外部原因。恒电位仪的内部包含电路板、可控硅、继流二极管、变压器和显示仪表等部分，如果这些电子元件出现了问题，恒电位仪就会出现故障，阴极保护系统的保护能力就会下降。外部的原因就是恒电位仪之外的设备出现了故障，使恒电位仪读数出现异常。

3)阳极故障

阴极保护系统的阳极故障也是一种比较常见的故障，主要有3种情况：

①提供的电流减小，并且不能达到预设的电位；②提供的电流增大，但是管道的电位没有发生新的变化；③本身腐蚀不严重，但不能正常工作。

4)杂散电流干扰

杂散电流强度大，集中产生在电阻小、易放电的局部位置，具有很强的破坏性，可以在很快的时间内发生腐蚀并且严重干扰阴极保护系统的正常运行，阳极的极性会发生逆转，对管道、环境都可造成严重的伤害[5-6]。

4 改进措施

针对上述存在的问题，提出对应的改进措施。

1)管道质量方面

①选择防腐性能更优秀的管材，提高油气管道本身的质量。②提高腐蚀裕量，增加管道的壁厚。这样虽然管道的造价会更高，但是极大提高了管道的安全性，在一定程度上减少甚至杜绝了管道泄漏的风险。③使用加强级3PE保护层。目前国内油气管道普遍使用的是普通3PE保护层，使用加强级3PE可以大幅提高防腐层的质量。④管道施工时严格按照施工规范施工作业，注意保护管道外部保护层。此外在穿跨越地段，应在管道外部加上一层套管，根据具体的条件采用钢管套管或混凝土套管，以提高整体的安全性。

2)恒电位仪方面

①内部原因：对于恒电位仪设备，设备老化后，不仅保护效率会下降，内部的电子元件的故障率也会大幅提高的问题。解决的方法就是更换新的恒电位仪。②外部原因：应仔细检查阴极保护系统的其它部分。例如，电缆、参比电极、辅助阳极，及时的修复。

3)阳极方面

①补充新的阳极、检查阳极和管道之间连接是否正常以及周围的地质环境对阳极的影响，如果连接松动，就要修复。②检查绝缘层是否老化或者受到破坏以及故障周围的地质环境是否发生了改变，如果有破损，就要重新铺设绝缘层。③对于有可能是阳极本身的质量不高，含有非常多的杂质，不仅导致电流效率不高，自身也受到局部的腐蚀的问题，解决方法就是选择和更换质量更高，材质更纯的阳极。

4)杂散电流方面

①直流杂散电流干扰：改进原有的阴极保护系统，使其能抵消干扰电流的影响;移除干扰电源或者增大管道与干扰电源之间的距离;安装排流装置。

②交流杂散电流干扰；安装绝缘接头；安装排流装置。

5 未来方向展望

1)更完善的阴极保护设计规范

阴极保护规范能够指导阴极保护系统的设计及运行，对于阴极保护技术十分重要[7]。目前国内的主要参考标准是《埋地钢质管道阴极保护技术规范》(GBT 21448-2017)，距今已经过去了数年时间，不能完全满足油气管道生产运行高效、稳定的需求，因此应该进一步开展相关科学研究，建立更完善的阴极保护设计规范：

①根据我国油气管道生产运行的现状，通过理论推导以及实验验证可行性，完善现有的阴极保护设计规范；

②针对干扰电流对阴极保护系统的影响，如直流杂散电流干扰，可以开展理论研究以及引进国外相关的先进标准，完善我国直流电干扰下管道的阴极保护标准；

③针对干扰电流对阴极保护系统的影响，如交流杂散电流干扰，可以研究相对应的腐蚀机理，必要时可以引进国外有关的专业标准，完善我国交流电干扰下管道的阴极保护标准。

2)更仿真的阴极保护数值模拟技术

数值模拟技术对于阴极保护理论推导和计算十分重要，通过计算机软件验证理论的可行性，同时也是未来的发展趋势，有2个主要的发展方向：

①继续提高阴极保护数值模拟的精度，不断深入研究管道拟真极化曲线测量，进一步完善各种环境下的管道极化曲线数据库，以此提高理论计算水平，使模拟的数据更加靠近实际生产时的数据，便于解决实际工程问题。

②充分利用电脑软件相较于人工在计算分析层面的长处，开发出更智能、准确的软件。使其能够更好地帮助设计人员对油气管道阴极保护系统尤其是复杂油气管网阴极保护系统进行设计以及维护。

3)更智能的阴极保护数字化系统

目前，部分管道的阴极保护系统设备尚不能进行断电后的电位测量，不能满足石油天然气生产运行日益扩大的要求[8]。因此，随着未来科学技术的进步，尤其是当卫星同步技术、计算机电子技术、阴极保护技术三者结合在一起后，阴极保护技术就会更有效率。在未来，数字化的阴极保护系统不仅能通电电位检测，还能断电电位检测，同时将数据上传至服务器终端，使各项数据更加准确和完善，从而满足石油天然气生产运行日益扩大的实际需求。