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[摘 要]输油管线多数以钢管为主，土壤是特殊的电解质，长距离大口径的金属管道埋入地下必然要遭受严重的腐蚀。由于部分原油外输管道的外防腐层老化破损以及阴极系统长期欠保护等因素，造成管道腐蚀不断加剧。
本文针对目前大庆油田输油管线的腐蚀状况，以油田外输管线庆-哈输油管道为代表，埋地原油外输管线的腐蚀机理及规律进行了研究、对管线现有阴极保护系统进行了测试分析及评估优化。研究结果表明：输油管线在土壤中的腐蚀是氧还原的腐蚀过程。管线钢的自腐蚀电位及腐蚀速度受土壤的湿度及含氧量影响较大。为控制和减少管线的腐蚀穿孔，提出更换长效参比电极、个别地段加牺牲阳极、加强对阴极保护系统的管理与监测的优化方案。
[关键词]埋地金属管道 外加电流阴极保护 土壤腐蚀机理 防护措施
中图分类号：TE985 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0388-02
0前言
我国石油、天然气資源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现，埋地输油管道的运输方向不受限制，与其它运输方式相比，安全、有效、运输费用最低，是目前最主要的油气运输方式。
埋地输油管线多数以钢管为主。目前，国内外埋地钢质管道大都采用“以涂层防护为主，阴极保护为辅”的联合保护方法，对防护层缺陷处的暴露金属进行集中的阴极保护。但是，在长输管道的施工中，现场条件有限，地形多变、地质条件复杂及土壤应力的作用，管道表面防腐层质量和无法保障，同时，管道经长期运行，防腐层老化、涂料结合力丧失，使得防腐层的保护效果下降，阴极保护抑制每个缺陷处的腐蚀反应所需的保护电流密度都是不同的，而阴极保护系统各项参数往往不能及时作出调整，致使管道长期处于欠保护状态，没有发挥出阴极保护应有的效果，从而为腐蚀的发生、发展提供了条件，使得部分埋地管道得不到有效可靠的保护，导致部分管道腐蚀依然非常严重。
1 国内外发展现状
早在 1823 年，英国学者 Davy 用锌作为牺牲阳极来防止固定木船铜包皮的铁螺钉的腐蚀，便开始了现代腐蚀科学中阴极保护技术的起点。Dayy 的学生法拉第随后研究了铁在海水中的腐蚀，发现了铁在水面附近比深水处腐蚀更严重，提出了腐蚀电流和腐蚀量的关系，为现代电化学与阴极保护的奠定了理论基础。
阴极保护技术在我国石油管道的应用研究始于 1958 年。到了 60 年代初期，在新疆、大庆、四川等油气管道上陆续推广了阴极保护技术。20 世纪 70 年代，我国的长输管道己广泛采用了阴极保护。我国阴极保护技术从材料到设备发展得比较完备，但阴极保护检测评价技术还较落后，主要表现在测试方法落后和电位测量的准确性和完整性不高，在遥测方面，国内各家也在大胆探索，但因路线和水平所限，进展缓慢。
2 阴极保护防腐技术
实现阴极保护的方法有两种：外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法。
（1）外加电流阴极保护法
将被保护的金属连接于直流电源的负极，利用外加阴极电流对金属进行阴极极化。这种方法称外加电流阴极保护。对输油管道进行阴极保护时，由辅助阳极将保护电流通过土壤传递给被保护金属，被保护的金属在大地电池中成为阴极，表面只发生还原反应，不再发生氧化反应，这样，被保护金属的腐蚀便受到抑制。外加电流阴极保护法的输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率的限制、保护装置寿命长、工程越大越经济。
（2）牺牲阳极保护法
牺牲阳极保护法是在被保护金属上连接一个电位更负的金属作为阳极，如：镁阳极、锌阳极和铝阳极，使之与被保护的金属在电解质溶液中形成大电池，被保护的金属为阴极，进行阴极极化，以降低腐蚀速率，作为牺牲阳极的金属则被腐蚀消耗掉牺牲阳极保护法不需要外加电源、电流的分散能力好、不干扰附近的金属设施、施工方便。特别是在没有外加电源的情况下，阴极保护只能采用牺牲阳极法。
阴极保护原理可用腐蚀电极的极化图进行解释。
当金属表面有覆盖层（如耐蚀的非金属材料），金属与腐蚀介质被覆盖层隔离，由于覆盖层电阻很大，减小了回路电流，使腐蚀速度降低。由欧姆定律可知，腐蚀电流：I=（E阴-E阳）/R
式中：E阴-E阳为腐蚀推动力；R 为覆盖层电阻。
当（E阴-E阳）→0 或 R→∞时，腐蚀电流为 0。由此可见，覆盖层加阴极保护是目前标本兼治、既经济又合理的防腐办法。
在阴极保护中，判断金属能否得到完全保护，通常采用参数最小保护电位和最小保护电流密度；使被保护结构达到最小保护电位时，所对应的保护电流电流密度称最小保护电流密度。我国国家标准规定了不同类型金属构筑物在水中和埋地的保护电位范围（见表1）和常见金属构件的最小保护电流密度（见表2）。
3 输油管线阴极保护失效原因分析
根据庆哈输油管道现状的现场调查与评估，虽然沿线阴极保护系统运行正常，而且电位测试桩所反应到电位也大都在保护范围内，但是管线某些部位还是发生了严重的腐蚀，下面对失效原因进行系统的分析：
（1）电位测量方法存在缺陷
在三种测量电位的方法中，广泛采用的是电位准则，通电条件下，埋地钢质管道的电位负移（阴极极化）至少到-850mV（相对于饱和硫酸铜电极）。产生 IR 降误差是由于电流流过土壤，且管线和参比电极之间的土壤具有一定的电阻。进行地面电位读数时，IR 降误差往往给出错误的保护效果判断。
（2）有阴极保护死区
在阴极保护中，阴极电流要从介质中流向被保护管道。当管道周围无电解质存在时，保护电流的流动无法流动管道表面，管道便得不到有效的保护，形成阴极保护死区。
（3）外防腐层的质量的变化对阴极保护系统的影响
防腐保温层的质量对输油管道的腐蚀起着重要的作用，一方面它将管道与土壤介质隔离，另一方面防腐层的质量影响电化学保护的效果。防腐层质量变差，会使管道阴极保的电流增大，缩短保护距离。 4 输油管道阴极保护系统的优化
根据现场调研、查阅相关资料以及对管线阴极保护系统的分析，为了尽量控制和减少管线的腐蚀穿孔，提出以下优化方案：
（1）各保护站的长效参比电极已使用多年，有的可能已失效。应更换所有长效参比电极，使恒电位仪有准确的信号反馈、自动调控系统才能正常工作。
（2）全面检查穿越公路、铁路、水渠处的带状镁阳极是否还有保护作用，如已失效应进行更换或另外安装块状镁阳极。
（3）沿线测试桩多处丢失、破损，影响正常检测工作，应结合管线大修一起进行修复。修复时电缆线用铝热焊与管体相连，焊口处用热收缩胶带补伤，一定要保证补伤处的电绝缘性。
（4）考虑到电位测量时有 IR 降存在，实际测量的管地电位应在-1050mV ～-1450 mV 之间。正于-1050 mV 属于欠保护，而负于-1450 mV 则属于过保护。
（5）加强对阴极保护系统的管理与监测，尽量保持输送压力的平稳性和连续性。
5 结论
本文对输油管道腐蚀情况与其阴极保护理论的具体联系进行论述，综合工程实际并分析，因为影响阴极保护的因素很多，所以选择阴极保护时，应综合考虑。通过理论与实践结合得出以下结论：
（1）阴极保护电位测量方法缺陷、管道阴极保护死区及金属结构对管道的屏蔽、外防腐层质量的变化及土壤环境变化是阴极保护系统失效的主要原因。
（2）不同土壤环境对管线自然电位影响较大，土壤环境的变化对输油管线阴极保护系统造成的影响不可忽视，不同的地段，阴极保护参数应有所差别。
（3）根据阴极保护系统效果评估及管线阴极保護系统的分析，为控制和减少管线的腐蚀穿孔，提出优化保护参数、更换长效参比电极、个别地段增加牺牲阳极、加强对阴极保护系统的管理与监测的优化方案。
参考文献
[1] 郭明.阴极保护技术的研究与应用[D].大庆石油学院硕士论文，2006.8-13.
[2] 孙勇.埋地金属管道的腐蚀与防护[J].化工装备技术，2005，26（3）：73.
[3] 郑君，黄红兵.湿气条件下的管道腐蚀[J]. 国外油气田工程， 2002， 42（8）： 24-26
[4] 王远志，许海波，王廷勇.土壤环境中阴极保护电位对涂层的影响[J].材料开发与应用，2005， 20（1）：43-46..
[5] 黄腾飞.埋地管道阴极保护电位参数及电位测试技术研究[D].成都：西南石油学院，2004.
[6] 赵麦群，雷阿丽.金属的腐蚀与防护[M].北京：国防工业出版社，2002.
[7] 蒋文勇.阴极保护在防重庆钢质埋地天然气管道腐蚀上的运用[D].重庆：重庆大学，2008.
[8] 何悟中.庆铁输油管道腐蚀状况分析[J].油气储运，2004，32（3）：23-25.
[9] 胡士信 管道阴极保护技术现状与发展[J].腐蚀与防护，2004，25（3）：92-98.
[10] 黄永昌.电化学保护技术及其应用[J]. 腐蚀与防护，2000，21（4），191-193.
本文针对目前大庆油田输油管线的腐蚀状况，以油田外输管线庆-哈输油管道为代表，埋地原油外输管线的腐蚀机理及规律进行了研究、对管线现有阴极保护系统进行了测试分析及评估优化。研究结果表明：输油管线在土壤中的腐蚀是氧还原的腐蚀过程。管线钢的自腐蚀电位及腐蚀速度受土壤的湿度及含氧量影响较大。为控制和减少管线的腐蚀穿孔，提出更换长效参比电极、个别地段加牺牲阳极、加强对阴极保护系统的管理与监测的优化方案。
[关键词]埋地金属管道 外加电流阴极保护 土壤腐蚀机理 防护措施
中图分类号：TE985 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0388-02
0前言
我国石油、天然气資源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现，埋地输油管道的运输方向不受限制，与其它运输方式相比，安全、有效、运输费用最低，是目前最主要的油气运输方式。
埋地输油管线多数以钢管为主。目前，国内外埋地钢质管道大都采用“以涂层防护为主，阴极保护为辅”的联合保护方法，对防护层缺陷处的暴露金属进行集中的阴极保护。但是，在长输管道的施工中，现场条件有限，地形多变、地质条件复杂及土壤应力的作用，管道表面防腐层质量和无法保障，同时，管道经长期运行，防腐层老化、涂料结合力丧失，使得防腐层的保护效果下降，阴极保护抑制每个缺陷处的腐蚀反应所需的保护电流密度都是不同的，而阴极保护系统各项参数往往不能及时作出调整，致使管道长期处于欠保护状态，没有发挥出阴极保护应有的效果，从而为腐蚀的发生、发展提供了条件，使得部分埋地管道得不到有效可靠的保护，导致部分管道腐蚀依然非常严重。
1 国内外发展现状
早在 1823 年，英国学者 Davy 用锌作为牺牲阳极来防止固定木船铜包皮的铁螺钉的腐蚀，便开始了现代腐蚀科学中阴极保护技术的起点。Dayy 的学生法拉第随后研究了铁在海水中的腐蚀，发现了铁在水面附近比深水处腐蚀更严重，提出了腐蚀电流和腐蚀量的关系，为现代电化学与阴极保护的奠定了理论基础。
阴极保护技术在我国石油管道的应用研究始于 1958 年。到了 60 年代初期，在新疆、大庆、四川等油气管道上陆续推广了阴极保护技术。20 世纪 70 年代，我国的长输管道己广泛采用了阴极保护。我国阴极保护技术从材料到设备发展得比较完备，但阴极保护检测评价技术还较落后，主要表现在测试方法落后和电位测量的准确性和完整性不高，在遥测方面，国内各家也在大胆探索，但因路线和水平所限，进展缓慢。
2 阴极保护防腐技术
实现阴极保护的方法有两种：外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法。
（1）外加电流阴极保护法
将被保护的金属连接于直流电源的负极，利用外加阴极电流对金属进行阴极极化。这种方法称外加电流阴极保护。对输油管道进行阴极保护时，由辅助阳极将保护电流通过土壤传递给被保护金属，被保护的金属在大地电池中成为阴极，表面只发生还原反应，不再发生氧化反应，这样，被保护金属的腐蚀便受到抑制。外加电流阴极保护法的输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率的限制、保护装置寿命长、工程越大越经济。
（2）牺牲阳极保护法
牺牲阳极保护法是在被保护金属上连接一个电位更负的金属作为阳极，如：镁阳极、锌阳极和铝阳极，使之与被保护的金属在电解质溶液中形成大电池，被保护的金属为阴极，进行阴极极化，以降低腐蚀速率，作为牺牲阳极的金属则被腐蚀消耗掉牺牲阳极保护法不需要外加电源、电流的分散能力好、不干扰附近的金属设施、施工方便。特别是在没有外加电源的情况下，阴极保护只能采用牺牲阳极法。
阴极保护原理可用腐蚀电极的极化图进行解释。
当金属表面有覆盖层（如耐蚀的非金属材料），金属与腐蚀介质被覆盖层隔离，由于覆盖层电阻很大，减小了回路电流，使腐蚀速度降低。由欧姆定律可知，腐蚀电流：I=（E阴-E阳）/R
式中：E阴-E阳为腐蚀推动力；R 为覆盖层电阻。
当（E阴-E阳）→0 或 R→∞时，腐蚀电流为 0。由此可见，覆盖层加阴极保护是目前标本兼治、既经济又合理的防腐办法。
在阴极保护中，判断金属能否得到完全保护，通常采用参数最小保护电位和最小保护电流密度；使被保护结构达到最小保护电位时，所对应的保护电流电流密度称最小保护电流密度。我国国家标准规定了不同类型金属构筑物在水中和埋地的保护电位范围（见表1）和常见金属构件的最小保护电流密度（见表2）。
3 输油管线阴极保护失效原因分析
根据庆哈输油管道现状的现场调查与评估，虽然沿线阴极保护系统运行正常，而且电位测试桩所反应到电位也大都在保护范围内，但是管线某些部位还是发生了严重的腐蚀，下面对失效原因进行系统的分析：
（1）电位测量方法存在缺陷
在三种测量电位的方法中，广泛采用的是电位准则，通电条件下，埋地钢质管道的电位负移（阴极极化）至少到-850mV（相对于饱和硫酸铜电极）。产生 IR 降误差是由于电流流过土壤，且管线和参比电极之间的土壤具有一定的电阻。进行地面电位读数时，IR 降误差往往给出错误的保护效果判断。
（2）有阴极保护死区
在阴极保护中，阴极电流要从介质中流向被保护管道。当管道周围无电解质存在时，保护电流的流动无法流动管道表面，管道便得不到有效的保护，形成阴极保护死区。
（3）外防腐层的质量的变化对阴极保护系统的影响
防腐保温层的质量对输油管道的腐蚀起着重要的作用，一方面它将管道与土壤介质隔离，另一方面防腐层的质量影响电化学保护的效果。防腐层质量变差，会使管道阴极保的电流增大，缩短保护距离。 4 输油管道阴极保护系统的优化
根据现场调研、查阅相关资料以及对管线阴极保护系统的分析，为了尽量控制和减少管线的腐蚀穿孔，提出以下优化方案：
（1）各保护站的长效参比电极已使用多年，有的可能已失效。应更换所有长效参比电极，使恒电位仪有准确的信号反馈、自动调控系统才能正常工作。
（2）全面检查穿越公路、铁路、水渠处的带状镁阳极是否还有保护作用，如已失效应进行更换或另外安装块状镁阳极。
（3）沿线测试桩多处丢失、破损，影响正常检测工作，应结合管线大修一起进行修复。修复时电缆线用铝热焊与管体相连，焊口处用热收缩胶带补伤，一定要保证补伤处的电绝缘性。
（4）考虑到电位测量时有 IR 降存在，实际测量的管地电位应在-1050mV ～-1450 mV 之间。正于-1050 mV 属于欠保护，而负于-1450 mV 则属于过保护。
（5）加强对阴极保护系统的管理与监测，尽量保持输送压力的平稳性和连续性。
5 结论
本文对输油管道腐蚀情况与其阴极保护理论的具体联系进行论述，综合工程实际并分析，因为影响阴极保护的因素很多，所以选择阴极保护时，应综合考虑。通过理论与实践结合得出以下结论：
（1）阴极保护电位测量方法缺陷、管道阴极保护死区及金属结构对管道的屏蔽、外防腐层质量的变化及土壤环境变化是阴极保护系统失效的主要原因。
（2）不同土壤环境对管线自然电位影响较大，土壤环境的变化对输油管线阴极保护系统造成的影响不可忽视，不同的地段，阴极保护参数应有所差别。
（3）根据阴极保护系统效果评估及管线阴极保護系统的分析，为控制和减少管线的腐蚀穿孔，提出优化保护参数、更换长效参比电极、个别地段增加牺牲阳极、加强对阴极保护系统的管理与监测的优化方案。
参考文献
[1] 郭明.阴极保护技术的研究与应用[D].大庆石油学院硕士论文，2006.8-13.
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