减小来自阴极保护装置杂散电流干扰的实验探究

　　调整块主要用于定位临界裂纹尺寸临界保护电位不可靠度气动滑板车许用压力角三轮车及配件低副范成法杂散电流具有多源性特点，按照其来源不同，可将杂散电流腐蚀分为直流、交流和地杂散电流腐蚀。 直流杂散电流对金属腐蚀情况类似于电解原理，阳极(正极)为腐蚀区，进行氧化反应，金属发生氧化反应 转变为离子进入介质(土壤)，阴极(负极)为非腐蚀区，进行还原反应。直流杂散电流通过土壤(离子导体相) 进入埋地金属构件的区域为阴极去，从金属构件(电子导体相)另一处流出的区域为阳极区，杂散电流会引 起该区域金属的阳极溶解，造成严重的“腐蚀”破坏。强制电流阴极保护技术因其具有防腐效果好、便 于监测和调整等优点而广泛应用于埋地长输钢质管道[1]，沿管线外加电位和电流的分布规律受强制电流 阴极保护系统的影响，当外部管线或其他金属结构与被保护管线交叉分布时，在交叉区域电流由外部结 构流向被保护管线，会导致外部管线因受杂散电流腐蚀而损坏的情况[2]。

　　图 7 简要说明了导致该类杂散电流干扰的机理[4]。从阴极系统排入土壤的杂散电流流入周围的外部 管线，并在外部管线与被保护管线交叉处流出。埋地金属管线在没有杂散电流时，腐蚀类型为原电池型， 驱动电位差大约几百毫伏，腐蚀电流几十毫安；从阴极系统排入土壤的杂散电流引起管线金属的电解型 腐蚀，电位和电流远远超过原电池型所产生的电位和电流。杂散电流流入金属管线]， 属于腐蚀电池的阴极，阴极区一般不会受到影响，但是阴极区电位过大时，管道表面会发生析氢反应[6]， 杂散电流流出管线区域的电位一般较低，成为腐蚀电池的阳极，阳极发生剧烈的氧化反应，使管线发生 局部腐蚀，如点蚀、孔蚀等。这种腐蚀一般情况下很难被发现，危害性极大，管线在使用较短的时间内 就可以造成腐蚀穿孔，致使原油泄露，影响油田正常生产。

　　1) 未加牺牲阳极和涂层保护 表 1 为未采用牺牲阳极和涂层保护的情况下，管线交叉点处的实验数据。通常，在解释管线管地电 位的测量数据时，受阴极保护装置保护的管线，当管地电位小于临界保护电位−0.85 V 时，管线受到充分 保护；不受阴极保护的管线上腐蚀最严重的部位，电位读数最负，而腐蚀较轻或不腐蚀的部位电位较正 [3]。从表 1 中测量数据可以看出，在有电流通过时管线 D (被保护管线)被完全保护，但是由于电源由“断” 切换到“通”时，外部未被保护管线 A、B、C 的管地电位明显降低，这表明在管线 A、B、C 与管线 D 的交叉处，外部管线存在更为严重的放电现象，使得交叉点处外部管线周围的土壤变得更负，从而导致 外部管线

　　汪 洋1，张亚萍1*，韩秀虹1，韩 雪1，句东旭1，于濂清1，李 焰2 1中国石油大学(华东)理学院，山东 青岛 2中国石油大学(华东)机电工程学院，山东 青岛br>

　　2) 使用牺牲阳极 表 2 为采用牺牲阳极保护情况下，管线交叉点处的实验数据。从表 2 中实验数据可以看出，在通电 流时管线 D (被保护管线)仍然被完全保护，电源在断开时，由于管线 A、B、C 与管线 D 的交叉点处加了 一个镁阳极，测试点处的外部管线管地电位均达到了被保护的范围−0.85 V 以下。当通电时，外部管线要 受到来自阴极装置的杂散电流影响，管地电位向正移动，除了 A 管线仍然被保护之外，较靠近阴极装置 的 B 和 C 管线都没有被完全的保护。 图 3 和图 4 是用 ANSYS 软件模拟的加镁阳极和裸管两种情况下外部管线管地电位的数值模拟结果。 从图 3 的模拟结果可以看出，未采取任何保护措施，外部管线在与受到阴极保护的管线交叉点处， 管地电位大约在−0.5531 V 至−1.3369 V 之间。根据在解释管线管地电位的测量读数时，受阴极保护装置 保护的管线管地电位小于临界保护电位−0.85 V 时管线受到充分保护；不受阴极保护的管线上腐蚀最严重 的部位，电位读数最负，而腐蚀较轻或不腐蚀的部位电位较正，可以得知交叉点处的外部管线有较为严 重的杂散电流腐蚀倾向。从图 4 的模拟结果可以看出，在对外部管线使用了牺牲阳极的保护措施之后， 外部管线在交叉点处的管地电位大致在−0.3623 V 到−0.9679 V 之间，这说明管线得到了较好的保护，但 仍然会有管地电位大于−0.85 V 的情况出现。计算机模拟的结果与实验结果吻合较好，在一定程度上说明 了实验结果的准确性。 3) 涂层保护和牺牲阳极的综合方法 表 3 为采用涂层保护(如图 5)和牺牲阳极的情况下，管线交叉点处的实验数据。从表 3 中数据可以看 出，在有电流通过时管线 D (被保护管线)仍然被完全保护，电源在断开和通电时 A、B、C 管线均被完全 地保护。图 6 是 ANSYS 的数值模拟结果，与图 3 和图 4 比较可以明显看出，在采用综合防护措施的情 况下，外部管线在交叉点处的管地电位在−1.1525 左右，计算机模拟的结果与实验结果吻合，由此表明， 使用涂层保护和牺牲阳极的综合保护措施，对外部管线

　　在一个绝缘性能良好，长 80.0 cm、宽 60.0 cm、高 70.0 cm 的长方体塑料绝缘箱里填充满粒度和电阻 率分布均匀的土壤，如图 1 所示。

　　其中 A、B、C、D 为直径 4.0 cm，长 40.0 cm 的管线，强制电流阴极保护系统用于保护管线 D，该 管线与外部管线 A、B、C 交叉。在每条外部管线的交叉处安装了测试桩(结构如图 2 所示)，从每条管线 上引出两种颜色的导线至测试桩的接线盒内。对直流电压源设定周期性操作(本实验采用通电 1 分钟，断 电 1 分钟的操作)，这样阴极保护电流对外部管线的作用可以很清楚地加以辨别。利用直流电压源的通断 以及铜/硫酸铜参比电极可以在每个外部管线交叉点测量出电流通、断条件下各管线的管地电位。

　　使用牺牲阳极这种方法利用了牺牲阳极周围的阳极电位场来抵消管线周围的阴极电位场。由于镁阳 极具有比锌阳极更高的阳极电位梯度场，因此本模拟实验采用的是在管线交叉点处对外部管线使用牺牲 镁阳极的保护方案。在腐蚀保护过程中，镁的电位低于管线的电位作为阳极腐蚀掉而管线作为阴极被保 护。即使使用牺牲阳极的方法可以在一定程度上减轻交叉区域的腐蚀，但放电仍有可能发生，这往往是 由于被保护管线在与外部管线交叉区域包含了不良涂层的情况而导致的结果。涂层保护防腐蚀性能好,并 且具有较好的机械性能和绝缘性能，水渗透率低的特点[7]，耐阴极剥离性好牺牲阳极与使用涂层联合， 此时只需要钝化覆盖不严实的管线，临界钝化电流大大减少[8]，因此对外部管线的保护效果也达到了最 佳。

　　收稿日期：2015年5月8日；录用日期：2015年5月22日；发布日期：2015年5月29日

　　采用实验室模拟的方法，研究在管线交叉处使用牺牲阳极和涂层保护两种措施的实验效果，将两种措施 减小或消除来自阴极保护设施杂散电流干扰的实验效果与用计算机软件ANSYS模拟的结果进行比较，进 而为消除来自阴极保护设施杂散电流对交叉管线的腐蚀影响提供一定的科学地依据。