油气管道腐蚀：一文读懂阴极保护原理

1 管道的腐蚀机理

油气管道埋地后，防腐层不可避免的存在破损点。由于管道的不同位置，土壤的含水量、含盐量、含氧量浓度不同，导致管道表面各缺陷点位置管地电位存在差异。电位的差异给电流的流动提供了动力。电位偏负的位置，电流从管道流出进入土壤，为阳极；电位偏正的位置，电流从土壤流入管道，为阴极。阳极位置发生腐蚀，阴极位置腐蚀便会减缓。

电子沿金属管道向阴极跑动，正电荷（电流）在电解液中也向阴极游动，但电子跑动速度大于离子游动速度，滞留的正离子便导致阳极电位正向偏移。电位较正的金属得到阳极跑动过来的电子，无法立即被溶液中的正离子消耗，导致电子积压，所以阴极电位负向偏移。电子和正离子都朝阴极方向移动，但所经路径不同，在金属管道中电子导电，在电解液中离子导电，在阴、阳极和电解液接触面氧化还原反应导电。

2 阴极保护原理

阴极保护的方法是额外增加一个电源，电流从电源流出入土壤后，再从土壤流回到管道表面。使原来的阳极转变成阴极，整条管道都在吸收电流，成为阴极，得到保护。

阴极保护就是通过平衡金属表面各点的电位，使金属表面都成为阴极而进行腐蚀控制的技术，如图 1所示，管道上原来的阴、阳极都变成了阴极。

图1 管道表面各点对地单位

3 阴极保护方式

当电流流出金属进入电解液的时候，金属是阳极，会发生腐蚀。如果我们采取措施，让电流始终是流入金属，这时，金属是阴极，将不再腐蚀或腐蚀减缓。

如图 2所示，在没有外部电源时，管道表面存在电位的差异，在电位较负的位置（阳极），电流流出管道，在电解液中流向电位较正的部位（阴极），电位较负的位置为阳极，发生腐蚀。施加外部电流后，外部电流最开始时流向管道表面电位较正的部位（阴极），随着电流的流入，该部位电位负向偏移，从管道阳极部位流过来的电流逐步减小，随着阴极电位的负向偏移，从阳极流过来的电流最后为零。当外部施加的电流足够大时，电流将通过原来金属表面的阴极部位和阳极部位都流入金属管道，金属表面各点都成为吸流点，都成为阴极，得到了阴极保护。

图2 阴极保护等效电路

为迫使阴极保护电流从电解液（土壤）流向管道，使管道成为阴极，主要采用牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种方式。

随着技术的进步以及公众对环境的重视，阴极保护的应用越来越广。从过去的船舶阴极保护，发展到今天管道、储罐、桥梁、码头等都施加了阴极保护。该技术的推广，延长了埋地管道等金属设施的使用寿命，为安全运营提供了保障。

文/冯洪臣，中国腐蚀与防护学会常务理事，阴极保护专家、高级工程师。

来源：《管道保护》

天然气长输管道阴极保护的运行管理

一、阴极保护原理

阴极保护的原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即，牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

1、牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆.米）的金属结构。如，城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年，最多5年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。本人认为，产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

2、外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤中流向被保护金属，使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等。

二、阴极保护投入前的准备和验收

(一) 阴极保护投入前对被保护管道的检查

1、管道对地绝缘的检查

从阴极保护的原理介绍，已得知没有绝缘就没有保护。为了确保阴极保护的正常运行，在施加阴极保护电流前，必须确保管道的各项绝缘措施正确无误。应检查管道的绝缘法兰的绝缘性能是否正常；管道沿线布置的设施如阀门、抽水缸、闸井均应与土壤有良好的绝缘；管道与固定墩、跨越塔架、穿越套管处也应有正确有效的绝缘处理措施。管道在地下不应与其它金属构筑物有“短接”等故障。

管道表面防腐层应无漏敷点，所有施工时期引起的缺陷与损伤，均应在施工验收时使用DCVG检漏仪检测，修补后回填。

2、管道导电性检查

对被保护管道应具有连续的导电性能。

3、旧管道对地绝缘状态的检查，应按设计要求处理。对是否修补防腐涂层，排除接地故障(如防静电接地极等)，应根据技术经济条件比较确定。对管道导电性的检查，仍需按前述要求进行。

(二) 对阴极保护施工质量的验收

1、对阴极保护间内所有电气设备的安装是否符合《电气设备安装规程》的要求，各种接地设施是否完成，并符合图纸设计要求。

2、对阴极保护的站外设置的选材、施工是否与设计一致。对通电点、测试桩、阳极地床、阳极引线的施工与连接应严格符合规范要求。尤其是阳极引线接正极，管道汇流点接负极，严禁电极接反。

3、图纸、设计资料齐全完备。

三、阴极保护投入运行

1、组织人员测定全线管道自然电位、土壤电阻率、各站阳极地床接地电阻。同时对管道环境有一个比较详尽的了解，这些资料均需分别记录整理，存档备用。

2、阴极保护站投入运行

按照直流电源(整流器、恒电位仪、蓄电池等)操作程序给管道送电，使电位保持在-1.30伏左右，待管道阴极极化一段时间(四小时以上)开始测试直流电源输出电流、电压、通电点电位、管道沿线保护电位、保护距离等。然后根据所测保护电位，调整通电点电位至规定值，继续给管道送电使其完全极化(通常在24小时以上)。再重复第一次测试工作，并做好记录。若个别管段保护电位过低，则需再适当调节通电点电位至满足全线阴极保护电位指标为止。

3、保护电位的控制

各站通电点电位的控制数值，应能保证相邻两站间的管段保护电位达到-0.85伏，同时，各站通电点最负电位不允许超过规定数值。调节通电点电位时，管道上相邻阴极保护站间加强联系，保证各站通电点电位均衡。

4、当管道全线达到最小阴极保护电位指标后，投运操作完毕。各阴极保护站进入正常连续工作阶段。

四、阴极保护站的日常维护管理

1、阴极保护设施的日常维护

电气设备定期技术检查。电气设备的检查每周不得少于一次，有下列内容：

1)检查各电气设备电路接触的牢固性，安装的正确性，个别元件是否有机械障碍。检查接接阴极保护站的电源导线，以及接至阳极地床、通电点的导线是否完好，接头是否牢固。

2)检查配电盘上熔断器的保险丝是否按规定接好，当交流回路中的熔断器保险丝被烧毁时，应查明原因及时恢复供电。

3)观察电气仪表，在专用的表格上记录输出电压、电流、通电点电位数值，与前次记录(或值班记录)对照是否有变化，若不相同，应查找原因，采取相应措施，使管道全线达到阴极保护。

4)应定期检查工作接地和避雷器接地，并保证其接地电阻不大于10欧姆，在雷雨季节要注意防雷。

5)搞好站内设备的清洁卫生，注意保持室内干燥，通电良好，防止仪器过热。

2、恒电位仪的维护。

1)阴极保护恒电位仪一般都配置两台，互为备用，因此应按管理要求定时切换使用。改用备用的仪器时，应即时进行一次观测和维修。仪器维修过程中不得带电插、拔各插接件、印刷电路板等。

2)观察全部零件是否正常，元件有无腐蚀，脱焊、虚焊、损坏、各连接点是否可靠，电路有无故障，各紧固件是否松动，熔断器是否完好，如有熔断，需查清原因再更换。

3)清洁内部，除去外来物。

4)发现仪器故障应及时检修，并投入备用仪器，保证供电。每年要计算开机率。

3、硫酸铜电极的维护。

1)使用定型产品或自制硫酸铜电极，其底部均要求做到渗而不漏，忌污染。使用后应保持清洁，防止溶液大量漏失。

2)作为恒定电位仪信号源的埋地硫酸铜参比电极，在使用过程中需每周查看一次，及时添加饱和硫酸铜溶液。严防冻结和干涸，影响仪器正常工作。

3)电极中的紫铜棒使用一段时间后，表面会粘附一层兰色污物，应定期擦洗干净，露出铜的本色。配制饱和硫酸铜溶液必须使用纯净的硫酸铜和蒸馏水。

4、阳极地床的维护。

1)阳极架空线：每月检查一次线路是否完好，如电杆有无倾斜，瓷瓶、导线是否松动，阳极导线与地床的连接是否牢固，地床埋设标志是否完好等。发现问题及时整改。

2)阳极地床接地电阻每半年测试一次，接地电阻增大至影响恒电位仪不能提供管道所需保护电流时，应该更换阳极地床或进行维修，以减小接地电阻。

5、测试桩的维护。

1)检查接线柱与大地绝缘情况，电阻值应大于100千欧，用万用表测量，若小于此值应检查接线柱与外套钢管有无接地，若有，则需更换或维修。

2)测试桩应每年定期刷漆和编号。

3)防止测试桩的破坏丢失，对沿线城乡居民及儿童作好爱护国家财产的宣传教育工作。

6、绝缘法兰的维护。

1)定期检测绝缘法兰两侧管地电位，若与原始记录有差异时，应对其性能好坏作鉴别。如有漏电情况应采取相应措施。

2)对有附属设备的绝缘法兰(如限流电阻、过压保护二极管、防雨护罩等)均应加强维护管理工作，保证完好。

3)保持绝缘法兰清洁、干燥，定期刷漆。

7、阴极保护管理

1)每条阴极保护管道，都应制符合本管道实际情况的《阴极保护运行管理规定》，使阴极保护的日常测试、控制、调整、维修等方面的工作均按此进行。

2)加强阴极保护的组织、领导。保持室内设备整洁，达到无故障、无缺陷、无锈蚀、无外来物。实现三图上墙，即线路走向图、保护电位曲线图、岗位责任制。

3)阴极保护站投产后，电气设备接线不得擅自改动，需要改变的应由主管部门作出方案，经批准后方能执行。

4)每日检查测量通电点电位，填写好运行日志，向生产调度部门汇报阴极保护站运行情况。

5)阴极保护站向管道输送电不得中断。停运一天以上须报主管部门备案。利用管道停电方法调整仪器，一次不得超过2小时，全年不超过30小时。保证全年98％以上时间给管道送电。

6)保持通电点电位在规定值，沿管道测定阴极保护电位，此种测量在阴极保护站运行初期每周一次，以后每两周或一月测量一次。并将保护电位测量记录造表、绘图上报主管部门。

7)每年在规定时间内测量管道沿线自然电位和土壤电阻率各一次。

8)检查和消除管道接地故障，使全线达到完全的阴极保护。

五、阴极保护系统常见故障的分析

1、保护管道绝缘不良，漏电故障的危害

在阴极保护站投入运行，或牺牲阳极保护投产一段时间后，出现了在规定的通电点电位下，输出电流增大，管道保护距离却缩短的现象，或者在牺牲阳极系统中，牺牲阳极组的输出电流量增大，其值已超过管道的保护电流需要，但保护电位仍达不到规定指标的现象。发生上述情况的原因，主要是被保护金属管道与未被保护的金属结构物“短路”，这种现象称之为阴极保护管道漏电，或者叫做“接地故障”。接地故障，使得被保护管道的阴极保护电流流入非保护金属体，在两管道的“短接”处形成“漏电点”，这就会造成阴极保护电流的增大；阴极保护电源的过负荷和阴极保护引起的干扰。

另外，阳极地床断路、阴极开路、零位接阴断路都会导致阴极保护不能投保。例如：格尔木站、甘森站，93年由于阳极电缆断路，造成阴极保护体系不能正常工作，判断阳极地床连接电缆断路时，可采用：

(1)测输出电流，将恒电位仪开启，在恒电位仪阳极输出端串上一电流表，如果电流为零，则说明有断路现象。

(2)将恒电位仪机后阳极输出线断开，接入临时地床或其它接地装置，若有输出电压、电流，则可断定阳极地床连接线断路。在阳极电缆与地床阳极接线处应设置接线用水泥井或标志。

2、造成管道漏电的原因

(1)施工不当，交叉管道间距不合规范，即当两条管道，一条为阴极保护的管道，另一条为未保护的管道交叉时，施工要求应保持管道间的垂直净距不小于0.3m，并在交叉点前后一定长度内将管道作特别绝缘，如果施工时不严格按照上述规定去做，那么在管道埋设一段时间后，在土壤应力的作用下，管道相互可能搭接在一起，会造成绝缘层破损，金属与金属的相连，形成漏电点。

(2)绝缘法兰失效或漏电，绝缘法兰质量欠佳，在使用一段时间后绝缘零件受损或变质，使法兰不再绝缘，从而使得两法兰盘侧不再具有绝缘性能，阴极保护电流也就不再有限制；或者是输送介质中有一些电解质杂质使绝缘法兰导通，不再具有绝缘性能。从上述原因看，漏电点只可能发生在保护管道与非保护管道的交叉点，或保护管道的绝缘法兰处，因此查找漏电点就带有上述局限性。但如果地下管网复杂，被保护管道与多条和线有交叉穿越，则使得漏电点的查找出现复杂现象。常常要根据现场实际情况，反复测量、多方位检查并综合判断才能找到真正的漏电故障点。

3、漏电点的查找

(1)利用查找管道绝缘层破损点，从而确定管道的漏电点或短接点的方法。此方法首先将脉冲信号送到被测管道上，如果管道防腐绝缘层良好，流入管道的电流很弱，仪表没有显示。如果管道防腐层有破损，电流将从土壤中通过破损处漏入管道，电流的流动会在周围土壤中将产生明显的电位梯度。当探测人员手持两个参比电极在管道正上方探测行走时，伏特计将明显的抖动，当伏特计指针停止抖动时，两个参比电极的中间既为防腐层漏点位置，该方法简便宜行，定位准确，是目前国际上公认的检漏方法(DCVG)。

(2)可利用测定管内电流大小的方法寻找漏电点。因为无分支的阴极保护管道，管内电流是从远端流向通电点。当非保护管道接入后就会形成分支电路，使保护电流经过漏电点会变小。因此，可利此法来寻找漏电点的位置。利用此法测定时，在有怀疑的管段上可依次选点，用IR压降法或者补偿法(详见有关说明)测定管内电流。再通过比较各点电流的大小来确定漏电点的电位。

(3)绝缘法兰漏电的测定。当绝缘法兰漏电而导致阴极保护系统故障时，则可通过在绝缘法兰两侧管段上，分别测量管地电位，若保护侧为保护电位，非保护侧为自然电位，则绝缘法兰正常。否则，有问题存在。也可在非保护侧测法兰端部的对地电位，如此电位比非保护管道或其它金属构筑物的电位要负，则此绝缘法兰漏电。

测定流过绝缘法兰的电流，也可用来判定绝缘法兰的性能。若绝缘法兰非保护端一侧，能测出电流，则法兰漏电；若测不出电流，绝缘法兰不漏电。

(4)近间距电位测量法CIPS.

在测试桩上测量保护电位只能反映管道的整体保护水平，不能说明管道各点都得到了保护。采用近间距测量方式，是沿管道每隔1—2米测量一次管地电位，可以准确的检测出没有得到保护的管段。

4、阳极接地故障

阴极保护另一常见故障是由阳极接地引起的。阳极接地电阻与阳极地床的设计与施工质量密切相关。“冻土”会使阳极地床电阻增加几倍至十几倍，“气阻”也会使阳极地床电阻增加。当阳极使用一段时间后，也会由于腐蚀严重，表面溶解不均匀造成电流障碍。因此，在阴极保护的仪器上会出现电位升高，而保护电流下降的现象。此时，应通过测量，更换或检修阳极地床，来使阴极保护正常运行。另一薄弱环节，是阳极电缆线与阳极接头处的密封与绝缘，若施工不妥则会造成接头处的腐蚀与断路。使阴极保护电流断路而无法输入给管道。