油气储运
OIL&GAS
STORAGE AND TRANSPORTATION
1999年 第18卷 第4期 Vol.18 No.4 1999

柔性阳极在库鄯输油管道上的应用

闫久红　丁乙　胡士信　俞彦英

　　摘　要　导电聚合物阳极是近几年开发出来的新产品，它对防腐层老化的旧管道，储罐罐底、管网及高电阻率环境有着得天独厚的技术优势。通过对库鄯输油管道近40　km高电阻率管段上柔性阳极的首次应用，实践证明，效果良好。
　　主题词　　输油管道　　柔性阳极　　阴极保护

一、概　述

　　阴极保护是埋地或水中金属构筑物腐蚀控制行之有效的措施之一。通常可以分为强制电流法和牺牲阳极法两种。为了降低阴极保护投资、减小阴极保护的电流密度、扩大保护范围，阴极保护技术要配合防腐绝缘覆盖层技术一起使用。
　　随着时间的推移，覆盖层老化，保护电流密度日趋增大，使得保护范围逐渐缩小，对于这种情况，按传统的方法，只能是重新修补覆盖层或新增阴极保护站。重新涂敷虽然效果好，但价格昂贵；而增加阴极保护站，由于覆盖层质量差，使得电位衰减太快，而造成局部过保护(析氢)和大部分欠保护，还会造成干扰和屏蔽问题。
　　在这个背景条件下，美国Raychem公司于1984年开发了一种形状类似电缆的新型阳极^{①〔1，2〕}，称为柔性阳极(Anodeflex)，亦称缆形阳极。该阳极为导电聚合物，包裹在铜芯线上，经过特殊的工艺处理，使之具有耐热、抗老化的性能，在允许在工作电流范围内，其工作寿命预期可达40年以上^〔1〕。这种结构，铜芯确保了纵向低电阻，可以把电流传到很远；而且导电聚合物确保了横向有一较高电阻接地，使铜芯中的电流只能慢慢地“滴入”地中。在柔性阳极周围填充焦碳可以改善阳极的工作环境，延长了阳极的寿命。柔性阳极的结构如图1所示。

图1　柔性阳极的结构图

　　柔性阳极开发的初衷是应用于覆盖层老化的旧管道阴极保护领域。然而，后来发现，柔性阳极具有很多优点，使过去一些常规阴极保护难以解决的问题得到了解决，是生命力很强的高新技术产品。和常规辅助阳极相比，柔性阳极在下列领域具有优越性：
　　(1)覆盖层老化的旧管道；
　　(2)错综复杂的管网；
　　(3)储罐罐底外壁；
　　(4)长距离、小间距平行的管道；
　　(5)高电阻率环境。

二、柔性阳极特点

　　柔性阳极是一种长线型、柔性、电缆式的辅助阳极，它可以靠近管道敷设，使保护电流不受被保护体的表面状态及地理条件的影响而均匀分布，起到了常规辅助阳极起不到的作用。归纳起来，柔性阳极有以下几个特点：
　　(1)长距离上电流分布均匀；
　　(2)安装容易，用户可以根据现场条件截成任意长度；
　　(3)可与管道同沟敷设，解决了岩石、高电阻率区段无法敷设阳极的问题；
　　(4)即使管道覆盖层破损严重，甚至裸管，也能确保保护电流比较均匀；
　　(5)铺在罐底可使罐底保护电流比较均匀；
　　(6)在旧罐区，采用柔性阳极保护与罐相连的管网，可以省去电绝缘；
　　(7)在复杂管网区域内解决屏蔽和干扰问题。
　　柔性阳极有两种类型，一种为裸露型，一种为焦碳填包型。对于裸露型在现场要回填导电良好的焦碳渣，后者可以直接埋入地下。这种地床结构可以把阳极反应从阳极／土壤界面上转移到阳极／焦碳／土壤界面上，这种结构的功能有：①降低阳极接地电阻；②避免气阻；③延长阳极工作寿命。

三、柔性阳极性能参数

　　柔性阳极可工作在土壤中或水下，其性能参数如下：土壤中最大工作电流：52　mA／m(无焦碳渣)、82　mA／m(有焦碳渣)；水中最大工作电流：10　mA／m；最大压力(恒水压)：7　MPa；最高温度：65　℃；最低施工温度：－18　℃；最小曲线半径：500　mm。按ASTM-D546测试，浸泡7天、重量增加小于1　％时，在3　％氯化钠(NaCl)、3　%硫酸钠(Na₂SO₄)、10　％氢氧化钠（NaOH）中均测试合格。由于阳极材料为导电聚合物，故不推荐在ASTM 1号油和原油环境中工作。

四、应用技术

　　柔性阳极通常平行管道敷设，埋深在0.5～2.0　m，距管道为5倍管径，特殊情况下，如岩石段可以和管道同沟敷设。用于罐底保护的柔性阳极，可以蛇形埋在沥青沙基础1.0　m以下。
　　根据需要，柔性阳极可以连续或分段敷设，其接头有三种形式，即“一”字型，“T”字型和终端型。确保铜芯与土壤不得有直接接触，严防水的浸入。
　　阴极保护电源可以放在柔性阳极的中部，也可以放在两端，阳极电缆可以连到柔性阳极的一端，也可以引到远处的一端，两处相连。图2和图3是电源放在中间部位的两种连接方式示意图^〔3〕。

图2　电缆与阳极直接相连

图3　电缆与阳极两端相连

　　1、　电流沿管周的分布
　　柔性阳极放在管道的一侧，另一侧能否得到保护电流。1983年美国某公司在得克萨斯州南部的一条DN720旧管道上进行了试验^〔1〕。管道的覆盖层为煤焦油瓷漆，原有保护装置为20支棒形阳极，浅埋设置，距管道120～150　m，23　A电流只保护了480　m。试验选在一台整流器附近，分别向两侧敷设了400　m的柔性阳极，阳极埋深1.0　m。分别在两侧柔性阳极的中间位置的管道上(2号和5号)，沿管周埋设了上、下、左、右四支Cu／CuSO₄参比电极(见图4)，然后测量不同极化程度的相对四支参比电极的管道电位(见表1)。
　　从表1中可以看出，随着极化时间的增加，所需保护电流逐渐减小，极化电位升高，IR将变小，对于DN720管道而言，上、下、左、右四处的电位差一般只有几个mV，可以说，柔性阳极放在一侧，不影响极化的均匀度。

表1　管周参比电极测量数据

图4　柔性阳极、管道、参比电极关系图

　　2、　可否间断使用柔性阳极
　　按柔性阳极的应用原理，柔性阳极应和被保护管道等长布置才好，这对旧管道是必要的，而对于新建管道未必需要。并且，这样的布置对于价格较贵的产品来说，费用太高。能否采用间断布置柔性阳极呢?带着这一凝问，于1996年12月，在库鄯管道上进行了试验，试验段管道直径610mm，长4km和13km两段，在4km一侧平行埋设了1km柔性阳极，送电极化后，保护电位全线17km均达到了保护，而且两端电位和对应的1　km的管道电位相差不大。根据这一结果，修正了原来的设计，将40　km管道保护用的40km柔性阳极改为了10km，大大节约了工程造价。这里要说明一点，因库鄯管道为新建管道，防腐层为环氧粉末，所需保护电流极小，所以极化时间短，极化比较完全，才有这样的结果，如果防腐层太差，耗电量大，这一结果是不存在的，因为管道本身的电位衰减将是很快的。
　　3、　罐底柔性阳极的分布
　　与其它辅助阳极一样，对于已建罐和新建罐都可采用柔性阳极，阳极布置有两种形式。
　　(1)对于已建罐，只能在罐周的外围环形分布，距罐周距离为1.1倍罐径。按阳极允许工作电流密度，当一个阳极环满足不了全罐底的保护电流时，可增加一个直径更大的阳极环，为了使罐底中心部位能达到保护，可适当加深埋设，一般为沥青沙垫层下0.5～1.0　m。阳极环的接地电阻可按下式计算^〔4〕：

　　（1）

式中　R——环状接地极对地电阻，Ω；
　　　D——环状直径，m；
　　　d——导体直径，m；
　　S／2——埋深，m。
　　(2)对于新建罐，柔性阳极可在罐基下面均匀地蛇形分布，图5是罐底柔性阳极的实际设计。它将柔性阳极直接布设在罐底，把引线接头设置在罐基础外，可以方便阳极的维修，因为阳极最多的故障就是接头断裂。和常规的周边浅埋阳极相比，蛇形布置的柔性阳极使罐底中心点的电位与罐边缘电位拉平(见图6)。

图5　柔性阳极的罐底布置

　　按照电学的原理，适当加深柔性阳极的埋深，可使阳极对罐底的电流分布均匀，相应地减少了阳极用量，如40.5　m罐径，当柔性阳极埋深2.2　m和2.7　m时，对应保护罐底所需阳极的用量分别为393.3　m和357.8　m。

图6　三种阳极地床形成的罐底电位曲线

五、柔性阳极在库鄯管道上的试用

　　库鄯输油管道是解决西部石油外运的一项重大工程，直接关系到塔里木石油的开发，然而在库鄯管道的设计中遇到的一个难题是局部土壤环境高电阻率，其中一段长约100　km，地面电阻率在500～600　Ω^.m以上，深层为岩石，电阻率更高，在1　000　Ω^.m以上，常规阳极无法应用。
　　由于长线宏观电池的存在，在这样的高电阻率环境下，按国内外的技术标准要求仍要采用阴极保护，解决这一难题的首选非柔性阳极莫属。
　　柔性阳极的应用分两步，首先于1996年12月对17　km　FBE管道(分13　km和4　km两段)用1　km柔性阳极试验。阳极分布见图7，分别从两端馈入保护电流。试验数据见表2，为了验证保护效果，作了断电测试(见表3)。试验取得成功后，第二步应用在库鄯管道40　km高电阻率段。采用10　km柔性阳极，分成四段，断续分布在管道上(见图8)。阳极采用太阳能电池供电。四段阳极的接地电阻分别为1.1　Ω、1.1　Ω、1.1　Ω和1.2　Ω之间，总接地电阻为0.7　Ω。通电后，全线保护电位在－1.3　V左右。

表2　馈电试验数据

图7　1　km柔性阳极试验段

图8　库鄯线40　km高电阻率管段上柔性阳极的分布

表3　1　km柔性阳极断电法测试数据

　　通过几年来对柔性阳极的研制及试应用，可以得出以下结论：
　　(1)在库鄯管道高电阻率环境下应用柔性阳极，将阳极接地电阻降到1.0Ω左右，是强制电流中最为理想的数值，可以满足阴极保护的需要。
　　(2)柔性阳极的线工作电流密度小于1mA／m，远远小于允许值，加上焦碳回填料的应用，其阳极工作寿命应大于40年。
　　(3)采用间断长度布设柔性阳极，对于新建覆盖层质量好的管道是一项成功的经验，是对美国Raychem柔性阳极应用技术的发展。
　　(4)国产柔性阳极从性能指标上已接近国外同类产品水平，可以满足非常规阴极保护领域的需要。

闫久红　丁　乙等：柔性阳极在库鄯输油管道上的应用，油气储运，1999，18(4）33～37。

作者单位：闫久红　丁乙　中国石油天然气集团西北管道建设指挥部
　　　　　胡士信　俞彦英　中国石油天然气集团管道勘察设计院

参考文献

1，　米　琪(译)：导电聚合物电缆体系，国外油气储运，1993，11(4)。
2，　William F．Gibson and Joseph　L．Pikas：Conductive Polymeric　Cable Anodes for Pipelines with Deteriorating coating MP 1993，3．
3，　徐　快(译)：采用柔性阳极的埋地管道阴极保护系统设计指南，化工腐蚀与防护，1992，(3)。
4，　NACE Corrosion Engineer s Reference　Book　Second Edition，1991，NACE．

（收稿日期：1998-12-10）