基于ICCP埋地管道腐蝕防護工程的應(yīng)用研究

1、基于ICCP埋地管道腐蝕防護工程的應(yīng)用研究摘要：埋地管道的腐蝕防護I:程對處長期不間斷運行狀態(tài)的多段線長距離管道至關(guān)巫要.土壤、空氣屮的腐蝕介質(zhì)、微生物 歯類以及水導(dǎo)都會對金屈管道造成腐蝕破壞.以外加電流陰極保護(ICCP.Impressed current cathodic protection)為主的腐蝕防 護方案在埋地管道I：程屮的應(yīng)用廣泛.能有效抑制金屬構(gòu)件在土壤中的腐蝕削臥本文針對ICCP在埋地管道I：程應(yīng)用屮的要 點進行械理及理論分析.主要包括金屬腐蝕原理及管道防腐蝕根本方法、腐蝕檢測過程分析、管道銹蝕后的再保護、外加電流 法在管道匸程屮的應(yīng)用以及局限性分析、保證管道防護匸程平安性

2、和完整性的針對舉措.并對1CCP的管道匸程應(yīng)用要點進行 了簡要總結(jié).本文對ICCP在管道防護工程中的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)總義.關(guān)鍵詞：埋地管道：腐蝕防護：ICCP1引言上壤環(huán)境復(fù)雜,微生物種類繁多1,還有雨水、空氣等腐蝕介質(zhì),加上管道附近的雜散電流等腐蝕途 徑引起的微生物腐蝕、雜散腐蝕、電偶腐蝕、電化學(xué)腐蝕等,管道的腐蝕防護顯得相當(dāng)重要.ICCP對長 距離管道的保護具有較大的優(yōu)勢,不僅保護參數(shù)可控可調(diào),且服役周期長、防護效果好,尤其大規(guī)模的管 道腐蝕防護工程,其保護效果和工程概算均優(yōu)于其它防護方法.但隨著服役年限的延長、埋設(shè)環(huán)境的變化, 保護電流的有效范國發(fā)生偏移,導(dǎo)致管道處于欠保護狀態(tài),管道腐蝕

3、的程度加深,假設(shè)定期進行腐蝕檢測, 在檢測結(jié)果的根底上對已腐蝕管道實施再保護,可以減緩甚至抑制腐蝕的發(fā)生,降低工程再造的本錢,提 高管道的經(jīng)濟效益.相比防腐涂層、合金結(jié)構(gòu)、犧牲陽極(SACP.Sacrificial anode cathodic protection)等腐蝕 防護方法,ICCP的在管道工程應(yīng)用中優(yōu)勢明顯,但也存在一左的局限.陰極干擾和電流屏蔽2是ICCP 應(yīng)用中主要的兩大問題.陰極干擾是指管道保護電流受到附件雜散電流的干擾,嚴(yán)重時會導(dǎo)致保護失效. 電流屏蔽是指ICCP電流通路在保護破損處斷開,與管逍外其它導(dǎo)電介質(zhì)形成通路,造成區(qū)段管道失去極 化電流,形成屏蔽.工程上嘗試?yán)妹}沖

4、電流解決電流屏蔽：對于陰極干擾,通常用排流器對雜散電流進 行回流.期外,為保證防護工程的質(zhì)量,對保護范用內(nèi)的跨步電壓(SV.Stepvoltage)等涉及人身平安問題, 以及管道缺陷處、管道首末端的腐蝕聯(lián)結(jié)問題,應(yīng)給予重視.2 ICCP在埋地管道工程中的應(yīng)用2.1金屬腐蝕原理及管道防腐蝕根本方法金屬腐蝕是金屬從髙能量較活潑的原子態(tài)轉(zhuǎn)化為低能戢較穩(wěn)左的分子態(tài)的過程.一般來說,抑制金 屬腐蝕的方法有ICCP、SACP、防腐蝕涂料(anti-corrosive coating.AC).絕緣保護層、耐腐蝕鋼材等.為提 高埋地管道耐腐蝕性能,工程上常采用ICCP或者SACP的方法給天然氣管道提供保護.外

5、加電流陰極保護由直流電源陰極與被保護設(shè)備相連,通過輔助陽極、電解質(zhì)形成回路,電源在回路 中給被保護設(shè)備提供陰極保護電流,使電子富集在設(shè)備表而,調(diào)廿電流密度使被保護金屬電位低于周邊物 質(zhì)電位,從而產(chǎn)生陰極極化,抑制被保護結(jié)構(gòu)的腐蝕.陽極材料通常以Pb-Ag合金、Pb-Ag微鉗、Pt-Nb 復(fù)合陽極以及Pt-Ti復(fù)合陽極等髙原子序數(shù)金屬合金為材料,因此,輔助陽極的服役時間往往較長.外加電源的強制陰極極化特性伴隨著對電解質(zhì)導(dǎo)電性能限制的減弱.而SACP要求介質(zhì)電阻率較低, 一旦介質(zhì)電阻率超過一左閾值,陰極電位將無法得到有效極化.為了維持陰極電位,必須增大極化電流, 但會加快陽極腐蝕速率,縮短其更換周

6、期,增加保護本錢.相比ICCP, SACP無需長時間的維護治理,在 陽極安裝完成后和陽極更換前的階段,不用進行斷電電位檢測、恒電位儀調(diào)試、陰保站的維護等操作,且 由于更換頻率較高,SACP不易產(chǎn)生雜散腐蝕.SACP的局限在于無法調(diào)肖保護參數(shù),而外加電流法通過 限制保護電流密度跟蹤適應(yīng)系統(tǒng)新的腐蝕狀態(tài),減少管道腐蝕造成的損失.2.2管道腐蝕檢測過程分析圖I防腐蝕系統(tǒng)的檢測更新管道的腐蝕監(jiān)測核心思想在于掌握全線管道的“陰極保護狀態(tài),評價“陰極保護狀態(tài)的指標(biāo)一般 包括“陰極極化電位和“雜散電流對陰極保護電位的節(jié)擾程度.“評價指標(biāo)旨在完善對管道全線的保 護覆蓋以及減小或消除區(qū)段雜散電流對陰保系統(tǒng)的千擾

7、,保證外加電流陰極保護的防腐蝕效果.在外加電 流陰極保護系統(tǒng)施工完成后,由工程人員對全線金屬管逍防腐蝕層進行“陰極保護狀態(tài)測試,主要包括 陰極保護電位測試、雜散電流檢測、防腐蝕層缺陷點檢測和防腐蝕層絕緣電阻測試4,測試主要針對管道 缺陷處.在保證缺陷處“陰極保護狀態(tài)良好后,對全線管逍進行整體測試,根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整陰保站控 制系統(tǒng)參數(shù),反復(fù)調(diào)試,直到到達保護要求,具體過程如圖1所示.對服役中的埋地管道進行腐蝕檢測, 能夠有效預(yù)防管道保護層的腐蝕以及欠保護或過保護狀態(tài),降低管道因腐蝕產(chǎn)生裂縫的機率,提升工程質(zhì) 量.由于管道中犧牲陽極保護的存在,在陽極不斷消耗的過程中,電阻率和管段壓降會隨之變化,可

8、能導(dǎo) 致缺陷處極化電位超出允許范弗1,造成局部區(qū)段欠保護或過保護.為了防止因陽極消耗造成陰極保護失效, 在陽極更換周期內(nèi),工程人員應(yīng)左期檢測各缺陷點處的保護狀態(tài),根據(jù)檢測結(jié)果重新調(diào)整陰極保護參數(shù), 將各區(qū)段極化電位維持在最優(yōu)區(qū)間從而到達新的保護平衡態(tài).2.3管道銹蝕后的再保護2.3.1輸氣管道服役中處于欠保護狀態(tài)的長線輸氣管道5,由于管線跨距大宜采用分區(qū)段檢測,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對各區(qū) 段破損腐蝕情況進行評估,利用評估結(jié)果制泄階段性防腐蝕方案.綜合考慮方案實施的可靠性、有效性和 經(jīng)濟性,從中篩選出最優(yōu)的長距離輸氣管線防腐蝕方案.由于輸氣管道往往較長、跨度大、埋設(shè)環(huán)境復(fù)雜, SACP難以保證全線陰極極

9、化電位且保護周期短,另外在電阻率較髙的上壤環(huán)境中防腐蝕效果較差,因此 采用防腐涂層和沿線建立陰保站的雙重保護以保證管道極化電位在有效范圍內(nèi).231輸水管道對于服役多年、腐蝕情況嚴(yán)重的輸水管道,為延長管線的服役壽命,不僅需對管道缺陷處進行修復(fù), 還需根據(jù)全線管道的腐蝕狀況及埋設(shè)環(huán)境制左經(jīng)濟有效的再保護方案.考慮管道埋設(shè)區(qū)域的降雨,越接近 地表的管道越易受到上壤腐蝕介質(zhì)的侵蝕.對管道外表進行防腐涂層處理將大大降低上壤腐蝕介質(zhì)侵蝕的 機率,但隨著管道服役時間的增加,涂層會逐漸老化,失去結(jié)合力,甚至與管體別離,因此最經(jīng)濟合理的 方案是防腐蝕涂層與外加電流陰極保護法的聯(lián)合防腐,既到達對管道腐蝕的防護效果

10、,又減少腐蝕再保護 的投入.3 ICCP管道工程應(yīng)用局限性分析對埋設(shè)在地下的管道進行外加電流陰極保護,需具備三個條件：陽極地床(anodeground-bed.AG).外 加電源、參比電極(reference electrode,RE).3(1) 陽極地床：AG的作用在于“將極化電流導(dǎo)入上壤,電流經(jīng)土壤流入被保護體,使被保護體發(fā)生陰 極極化,最后流回電源負極,形成閉合回路.工程上廣泛采用的AG有三種：柔性陽極、深井陽極和石墨 陽極,三者的適用條件各不相同,一般結(jié)合實際工程情況進行選擇.(2) 外加電源又稱恒電位儀,電流大小以及極化電位等陰極保護參數(shù)可調(diào),屬于可控元件,是陰極極化 的關(guān)鍵.恒電位

11、儀限制方式有四種：電位限制、槽壓限制、電流限制、間歇限制,由于電位限制方式的適 用范圍廣、穩(wěn)泄性強且無延時,因此在工程上應(yīng)用廣泛.(3) 參比電極的意義在于：1、測量,測量被保護結(jié)構(gòu)物的電位,不同的參比電極對應(yīng)的被保護結(jié)構(gòu)物 平安電位是不同的；2、限制,給恒電位儀提供被保護結(jié)構(gòu)物的電位信息.斷電電位測雖:中,管道正上方 的參比電極與管道之間的電位差,稱為極化電位.以上三個條件缺一不可,而ICCP的在工程應(yīng)用中伴隨而來的問題也是由保護機制的差異造成的.目 前外加電流陰極保護法在管道工程應(yīng)用中的兩大問題分別是"電流屏蔽和“陰極干擾 2.“電流屏蔽 是指保護電流通路由于加裝套管或保護層剝離

12、等原因在原保護處斷開,與外部導(dǎo)體或介質(zhì)形成新的通路, 造成保護失效.“陰極干擾是指當(dāng)保護電流經(jīng)過電位較髙或電位較低的區(qū)域時,會受到外部電流的干擾, 使保護電流或增強或減弱,產(chǎn)生矢量偏移,造成保護電位偏離,影響陰極極化,從而弱化保護效果.工程應(yīng)用中針對因“電流屏蔽和“陰極干擾形成的缺陷點通常采用'先檢測后處理的方式.首 先對被保護體進行電流測繪,即RD-PCM檢測,確定整體腐蝕狀況；第二步采用交流電位梯度ACVG、 直流電位梯度DCVG以及密間距電位CIPS等檢測技術(shù)判斷缺陷管道完整性：最后通過現(xiàn)場開挖對缺陷處 進行修復(fù).該方法可以有效解決缺陷處的腐蝕防護問題,但經(jīng)濟性差且操作復(fù)雜.而針

13、對由防護層破壞引起的"電流屏蔽,文獻6提岀了一種改良方法一一脈沖電流法,以脈沖電流 源代替宜流電流源給被保護體提供極化電流.脈沖波具備強穿透性使之能夠克服缺陷處髙電阻率的電壓降 干擾,從而擴大極化區(qū)間,縮小屏蔽而積,但同時也會擴大保護層斷裂后的縫隙.ICCP在工程實踐中的 第二個問題：陰極干擾,''陰極干擾的主要原因在于被保護體周圉存在雜散電流源,引起鄰近區(qū)域的電 位變化,影響保護點的陰極極化7.因此,排除雜散電流是解決陰極干擾問題的關(guān)鍵8.雜散電流可以由 排流設(shè)備導(dǎo)回電流源,條件是形成一條流經(jīng)被保護結(jié)構(gòu)、排流設(shè)備、絕緣導(dǎo)體以及電流源的電流通路.4防護工程平安性和完整

14、性的針對舉措3.1防護工程平安性-陽極地床陽極地床的平安問題影響ICCP在管道工程中的應(yīng)用,是工程施工前必須考慮的主要問題.防護工程 平安性與地床的類型以及工程參數(shù)有關(guān),選取適宜的類型、設(shè)訃滿足平安標(biāo)準(zhǔn)要求的陽極地床至關(guān)重要.Fig.2Impressed current cathodic protection structure 圖2外加電涼陰極保護結(jié)構(gòu)柔性AG具有合理分配保護電流的作用,沿管道線鋪設(shè),對極化電流有良好的導(dǎo)流效果,可使管道充 分極化,但施工難度大,需沿管道開挖進行AG鋪設(shè),途徑河流、湖泊、山川等施工本錢會很髙910.深井陽極,對附近金屬構(gòu)架物的影響較小,跨步電壓SV小,施工場地

15、小,但本錢高、難度大,且對地質(zhì) 狀況要求髙,設(shè)計施工前需要進行地質(zhì)勘査11.水平連續(xù)焦炭屑陽極,具有施工方便、投資小的優(yōu)點12, 適合長距離埋地管道的保護,但由于保護電流較大,地床附近的跨步電壓SV很大可能會導(dǎo)致人員傷亡, 因此采用雙陽極地床(Double-AG)進行分流降壓,大大降低平安風(fēng)險.3.2防護工程完整性-管道首末端缺陷區(qū)段管逍首末端連接處的防腐蝕舉措.由于管道首末端的絕緣效果受結(jié)構(gòu)材質(zhì)的影響,絕緣效果并不理想, 加上管道閥門浸于水中,導(dǎo)致陰極保護電流損失,削弱管道陰極保護效果13.另外,浸水條件下由法蘭 連接的非陰極保護管逍與異側(cè)管道的電位差會形成嚴(yán)重的電偶腐蝕,破壞非陰極保護側(cè)管

16、道.為了消除以 上不利因素,在非陰極保護側(cè)管道上采用SACP,降低管道電位,減少保護電流的損失.缺陷區(qū)段的防腐蝕舉措.考慮鋪設(shè)路徑會經(jīng)過鐵路、河流等易產(chǎn)生電偶腐蝕和濃差腐蝕的區(qū)段,這些 區(qū)段的腐蝕會率先發(fā)生,腐蝕程度也最惡劣,更重要的是腐蝕往往從這里開始,逐漸擴大,嚴(yán)重會導(dǎo)致管 適開裂破損,破裂會影響陰極保護電流的通過.而當(dāng)陰極保護電流從保護層破損處流出,不管電流是否回 到管道,都會在電流流出位巻造成嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕,從而加重腐蝕程度.為了降低腐蝕對管道線路的影 響,對易腐蝕區(qū)段的管道采取SACP,并安裝測試樁,通過測試樁監(jiān)測易腐蝕區(qū)段的保護狀態(tài),一旦保護 電位偏離正常范用,及時檢修,防止造成

17、外加電流陰極保護失效,形成更嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕.4結(jié)論(1) 為了提髙管道耐腐蝕性能,工程上通常采用ICCP或者SACP的方式給管道提供防腐蝕保護.對服 役中的長距離管道進行檢測,能夠有效預(yù)防管道保護層的腐蝕.腐蝕再檢修工程中常常采用防腐涂層和 ICCP的雙重防腐保護,保證管道極化電位在有效范圍內(nèi).(2) 電流屏蔽和陰極下擾是現(xiàn)階段外加電流陰極保護法在管道工程應(yīng)用中的兩大問題,脈沖電流法和排 流法用于解決電流屏蔽和陰極干擾問題.(3) 對于管道的腐蝕防護,鋪設(shè)Double-AG可以保證工程的平安性,在管道首末端連接處以及缺陷區(qū)段 進行防腐蝕處理可以保證工程的完整性,從而提升防護質(zhì)量.參考文獻1馬

18、亞鑫門正興,岳太文,等.天然氣管道失效分析卩腐蝕與防護.2021. 38< 12):974-977.2尚興彬.胡乃科.張守<etal.外加電流陰極保護電流屛蔽與陰極干擾研究J|石油化匸腐蝕與防護2021. 32(6):I4I7.3不同生態(tài)條件下土壤微生物生物化學(xué)和分子生態(tài)變化及其土壤質(zhì)址指示總義D.南京農(nóng)業(yè)大學(xué).2006.4李程,袁林國,張淑琴您塔河油田管道陰極保護電位測試與分析J腐蝕與防護.2021. 33(2):173.176.5萬瓊.某輸氣管道陰極保護電位欠保護原因探究卩材料保護,2021,51(4):137-140.6勒如於濤某成品油管道的外加電涼陰極保護技術(shù)應(yīng)用J全而網(wǎng)蝕限制.202131(02):43-45.莎俊華.高立群.馮仲文篙 埋地鋼丿貞管道交流干擾及排潦硏丸卩腐蝕與防護.2021.32(7):551-554.8|王新華.陳振華何仁洋.埋地鋼質(zhì)管道交潦干擾測試與評價J腐蝕與防護2021. 32(1