陰極保護(hù)技術(shù)作為金屬腐蝕防護(hù)的一種有效方法已在全世界得到了較為廣泛的運(yùn)用。在已經(jīng)利用涂層防護(hù)的油氣設(shè)施中，要想得到完美無瑕的涂層幾乎是不可能的；一般總會(huì)有一些缺陷或保護(hù)不到的點(diǎn)，這些點(diǎn)上腐蝕還會(huì)發(fā)生。采用陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合保護(hù)方法是目前埋地或水下油氣設(shè)施外腐蝕控制的通行做法，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、有效的腐蝕控制。陰極保護(hù)費(fèi)用約為被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物造價(jià)的1%～5%，是涂層費(fèi)用的10%左右，但卻可以使結(jié)構(gòu)物的使用壽命成倍甚至幾十倍的延長(zhǎng)。目前埋地或海底管道、儲(chǔ)罐等油氣設(shè)施已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)系統(tǒng)和主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)，取得了良好的效果。

近年來，隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，油氣設(shè)施的陰極保護(hù)無論從理論上，還是技術(shù)上都還處在不斷發(fā)展中，其中兩個(gè)方面的發(fā)展值得關(guān)注：一是隨著數(shù)值計(jì)算、自動(dòng)控制、信息學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科向陰極保護(hù)領(lǐng)域的滲透，產(chǎn)生了很多具有特色功能的現(xiàn)代陰極保護(hù)技術(shù)；二是隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（油氣管道、高壓電網(wǎng)、高速鐵路、城市軌道交通）的迅速發(fā)展，會(huì)對(duì)陰極保護(hù)產(chǎn)生很強(qiáng)的交互作用，導(dǎo)致陰極保護(hù)失效，對(duì)傳統(tǒng)陰極保護(hù)提出了許多新的科學(xué)問題和技術(shù)需求。

陰極保護(hù)的原理及方法

金屬在電解質(zhì)溶液中，由于本身存在的電化學(xué)不均勻性或外界環(huán)境的不均勻性，會(huì)形成腐蝕原電池。在原電池的陽極區(qū)發(fā)生腐蝕，不斷輸出電子，同時(shí)金屬離子溶入液體；陰極區(qū)發(fā)生陰極反應(yīng)，視電解液和環(huán)境條件不同，在陰極表面上一般會(huì)發(fā)生吸氧反應(yīng)或析氫反應(yīng)。如果給金屬通以陰極電流，整個(gè)腐蝕原電池的電位將向負(fù)的方向偏移，使金屬陰極極化，這就可以抑制陽極區(qū)金屬的電子釋放，從而減輕金屬腐蝕。如圖1所示，當(dāng)外部電流施加到被腐蝕的金屬表面，部分流到陽極區(qū)，部分流到陰極區(qū)，當(dāng)施加的電流足夠大，以致流進(jìn)陽極區(qū)的電流可以抵消自然腐蝕電流，即ipa≥ia，沒有靜電流離開金屬表面，腐蝕則完全停止。

圖1　陰極保護(hù)原理示意圖

ia—陽極和腐蝕區(qū)域流入的腐蝕電流；ic—流入陰極區(qū)的腐蝕電流，ia=ic；ip—施加到結(jié)構(gòu)上的外部陰極保護(hù)電流總量；ipc—進(jìn)入陰極區(qū)的保護(hù)電流部分；ipa—進(jìn)入陰極區(qū)的保護(hù)電流部分

陰極保護(hù)通常有兩種方法，即外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽極陰極保護(hù)。

01 外加電流陰極保護(hù)

外加電流陰極保護(hù)是根據(jù)陰極保護(hù)的原理，用外部直流電源作陰極保護(hù)的極化電源，將電源的負(fù)極接到被保護(hù)的油氣設(shè)施上，將電源正極接至輔助陽極。在電流的作用下，使管道的對(duì)地電位向負(fù)的方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)。

02 犧牲陽極陰極保護(hù)

把某種電極電位比較負(fù)的金屬材料與電極電位比較正的被保護(hù)油氣設(shè)施相連接，使被保護(hù)的油氣設(shè)施成為腐蝕電池中的陰極，而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的方法稱為犧牲陽極陰極保護(hù)。在土壤環(huán)境中常用的犧牲陽極材料有鎂和鎂合金、鋅及鋅合金等。

陰極保護(hù)效果的判斷準(zhǔn)則

01 最小保護(hù)電位

金屬經(jīng)陰極極化后達(dá)到完全保護(hù)所需要的絕對(duì)值最小的負(fù)電位值，該電位指管/地界面極化電位。最小保護(hù)電位與金屬的種類和腐蝕介質(zhì)的組成等有關(guān)；對(duì)于埋設(shè)在天然水和土壤中的金屬管道，其最小保護(hù)電位確定為-0.85V（相對(duì)于Cu/CuSO4電極）；當(dāng)土壤或水中含有硫酸鹽還原菌（SRB）且硫酸根含量大于0.5%時(shí)，其最小保護(hù)電位確定為-0.95V（Cu/CuSO4電極）。

02 電位偏移指標(biāo)

在陰極極化的建立過程中或衰減過程中，管道表面與同土壤接觸的參比電極之間測(cè)得陰極極化電位差不得小于100mV；在高溫、含SRB的土壤中，存在雜散電流干擾以及異金屬耦合管道中不能采用該指標(biāo)。

03 最大保護(hù)電位

在陰極保護(hù)條件下，所允許施加的絕對(duì)值最大的負(fù)電位值。最大保護(hù)電位的限值一般根據(jù)防腐層及金屬材質(zhì)來確定，以不損壞防腐層的黏結(jié)力，同時(shí)不會(huì)引起高強(qiáng)度鋼的氫脆等問題來考慮確定。目前國(guó)際上對(duì)于最大保護(hù)電位指標(biāo)尚未統(tǒng)一，尚待深入系統(tǒng)、深入研究；GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中給出的最大保護(hù)電位準(zhǔn)則為：陰極保護(hù)狀態(tài)下管道的極限保護(hù)電位（即管/地界面極化電位）不能比-1200mV（CSE）更負(fù)。

陰極保護(hù)測(cè)試探頭和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

01 陰極保護(hù)測(cè)試探頭

陰極保護(hù)極化電位作為陰極保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，反映了陰極極化的程度，是監(jiān)視和控制陰極保護(hù)效果的重要指標(biāo)，因此，準(zhǔn)確測(cè)量極化電位對(duì)于保證陰極保護(hù)技術(shù)的有效實(shí)施具有非常重要的意義。通常將參比電極放置在管道上方的土壤表面上進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)處于通電狀態(tài)時(shí)，所測(cè)得的陰極保護(hù)電位包含電流在管道和參比電極之間的土壤中流動(dòng)所產(chǎn)生的電壓降即IR降，通過瞬間斷電測(cè)量法可以消除陰極保護(hù)系統(tǒng)電流造成的電壓降，但無法消除雜散電流所產(chǎn)生的電壓降。為了消除這一誤差，近年來一種新興的陰極保護(hù)電位測(cè)量技術(shù)——測(cè)試探頭測(cè)量技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)越來越受到人們的關(guān)注。GB/T 21246—2016《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》中也明確提出：“受雜散電流干擾或無法同步中斷保護(hù)電流的管道，用極化探頭測(cè)量埋設(shè)位置處管道保護(hù)電位”。

測(cè)試探頭的基本結(jié)構(gòu)包含測(cè)試鋼片、參比電極和電解質(zhì)幾部分，鋼片用和管道相同的材質(zhì)制成，并用導(dǎo)線與管道相連，外部用絕緣體隔離，只留一個(gè)多孔塞子（滲透膜）作為測(cè)量通路，這樣的結(jié)構(gòu)可使參比電極和鋼片之間的電阻壓降最小。

02

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位檢測(cè)方法是由陰保工或巡線員手持萬用表或電壓表在管道沿線測(cè)試樁處逐一進(jìn)行測(cè)量，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的位置，并且不便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，若將先進(jìn)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)與傳輸，將大大提高維護(hù)管理水平，節(jié)省勞動(dòng)力。對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，自20世紀(jì)80年代起國(guó)內(nèi)外開發(fā)了不同傳輸技術(shù)的陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控和測(cè)量的產(chǎn)品，隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）及信息傳遞技術(shù)的發(fā)展，陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)也得到發(fā)展。目前采用基于GIS的實(shí)時(shí)監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為管理的運(yùn)行管理平臺(tái)，已在如美國(guó)、英國(guó)、挪威、丹麥等國(guó)家的管道普遍使用。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、設(shè)備查詢、日常管理確定敏感區(qū)域的管道位置，以便發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)提供相關(guān)的詳細(xì)資料。

陰極保護(hù)信息的傳輸方式可以簡(jiǎn)單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括電力載波通信、架設(shè)光纜、電纜或者租用電信電話線、DDN、ADSL等，而無線包括短波通信、微波通信、擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信GPS、GSM短信/GPRS通信等。在管道行業(yè)，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個(gè)別點(diǎn)還地處偏僻，因此架設(shè)光纜和鋪設(shè)電纜的難度較大，不太符合情況。而向電信部門租用專用電話線又要申請(qǐng)很多電話線，而且有些監(jiān)控點(diǎn)線路難以到達(dá)，另外采用電話線路時(shí)需要等待漫長(zhǎng)的電話撥號(hào)過程，速度慢，運(yùn)營(yíng)成本較高，總之采用有線通信方式建設(shè)周期長(zhǎng)、工作難度大、運(yùn)行費(fèi)用高，不便于大規(guī)模使用。與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，具有投資較少、建設(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

陰極保護(hù)數(shù)據(jù)無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是集成了陰保檢測(cè)技術(shù)、智能儀表技術(shù)、無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成陰極保護(hù)電位的自動(dòng)檢測(cè)及預(yù)處理、無線數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)器數(shù)據(jù)管理等功能，該技術(shù)的推廣應(yīng)用對(duì)于提高國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)管理水平具有重要意義。