區(qū)域性陰極保護是指將某區(qū)域內(nèi)所有預(yù)保護對象作為一個整體進行保護，依靠輔助陽極的合理布局、保護電流的自由分配以及與相鄰設(shè)備的電絕緣措施，使被保護對象處于規(guī)定保護電位范圍之內(nèi)。與常規(guī)陰極保護方法相比，保護對象不是單一的，而是一定區(qū)域內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合體[1]。國外從20世紀(jì)60年代就開始區(qū)域陰極保護的研究和應(yīng)用，目前技術(shù)相對成熟，大型油庫和輸油泵站的區(qū)域性陰極保護已經(jīng)走上強制實施的法制軌道，并且實現(xiàn)了陰極保護系統(tǒng)和主體工程同時設(shè)計、同時施工、同時投產(chǎn)，取得了良好的效果[2]。區(qū)域陰極保護技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前區(qū)域陰極保護已經(jīng)在國內(nèi)輸油氣站場[3,4]、城鎮(zhèn)天然氣門站及調(diào)壓站[5]、油井套管[6,7]、地下集輸管網(wǎng)[8-10]的腐蝕防護中得到廣泛應(yīng)用。然而，發(fā)展到今天，區(qū)域陰極保護技術(shù)在實際應(yīng)用中仍存在較多問題，尤其是在保護對象繁多 （埋地管網(wǎng)、儲罐、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和設(shè)備及管網(wǎng)接地系統(tǒng)），地下金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜和站內(nèi)空間有限的輸油氣站場中，對其施加陰極保護時常會出現(xiàn)陰保電流消耗量大、陽極地床設(shè)計受到限制、干擾和屏蔽問題突出、后期調(diào)試整改工作量大等問題，這些問題的存在給油氣輸送站場區(qū)域陰極保護設(shè)計帶來了很大的困難，是目前管道系統(tǒng)陰極保護的薄弱環(huán)節(jié)。本文針對陰極保護電流需求量確定、陰極保護方法選擇、接地系統(tǒng)影響及數(shù)值模擬計算技術(shù)在輸油氣站場區(qū)域陰極保護技術(shù)中的研究現(xiàn)狀及存在問題進行了調(diào)研、闡述和探討，以期為區(qū)域陰極保護技術(shù)在國內(nèi)輸油氣站場的應(yīng)用和發(fā)展提供借鑒。

1 站場區(qū)域陰極保護應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著西氣東輸管道工程、忠縣-武漢輸氣管道工程、陜京二線輸氣管道工程、西部管道工程等重大管道項目的投產(chǎn)運行，工藝站場內(nèi)埋地管道及金屬構(gòu)筑物腐蝕的問題逐漸暴露出來。西氣東輸一線投產(chǎn)僅4 a,已有12座站場埋地管道涂層失效，4座站場 （輪南站、柳園站、古浪站和延川站） 已經(jīng)發(fā)生局部的電偶腐蝕，忠武線投產(chǎn)不到1 a時間岳陽站就發(fā)生了腐蝕穿孔，黃石站站內(nèi)管道腐蝕坑深度達3 mm,其它站場發(fā)生不同程度的腐蝕[1]。西部地區(qū)天然氣管道多個壓氣站場在建設(shè)時認為站區(qū)土壤干燥，無施加陰極保護的必要，但由于站內(nèi)土壤腐蝕性很強，加上現(xiàn)場涂裝防腐層質(zhì)量不過關(guān)，站場投產(chǎn)運行4 a后即發(fā)生防腐層失效和管道腐蝕，2007年出現(xiàn)小管徑管道泄漏情況，2009年壓氣站埋地管道進行外防腐蝕層大修過程中，發(fā)現(xiàn)約130處腐蝕相對嚴重的點，同時發(fā)現(xiàn)大口徑工藝管線也發(fā)生了嚴重的腐蝕[11]。這些腐蝕隱患的存在及腐蝕泄漏事故的發(fā)生已經(jīng)嚴重影響和危害到站場工藝生產(chǎn)管線的安全運行。與此同時，隨著管道完整性管理理念的不斷加強和長輸管線陰保技術(shù)在國內(nèi)的成功實施，為站場施加區(qū)域陰極保護技術(shù)逐漸得到相關(guān)人員的重視和青睞。

目前，區(qū)域陰極保護技術(shù)在國內(nèi)輸油氣站場已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。一方面，長輸管線輸油氣站場、城市天然氣站場等舊站均開始補加區(qū)域陰極保護。中石油天然氣管道局自1990年來先后對東營首站、濮陽首站和石樓末站等熱泵站實施了站區(qū)陰極保護改造[12]。岔南聯(lián)合站[13]在投產(chǎn)11 a后由于站內(nèi)管線、容器等腐蝕嚴重，對站內(nèi)實施了以深井陽極為基礎(chǔ)的區(qū)域陰極保護，陰極保護率達到90%。此外，西氣東輸古浪壓氣站[14]、大慶油田某污水處理站[15]、輪南集油站[16]等均先后補加了區(qū)域陰極保護。城市天然氣廠站如安托山天然氣門站等[5]也成功實施了區(qū)域陰極保護。另一方面，部分新建站場在設(shè)計之初就考慮了區(qū)域陰極保護，如陜京三線陽曲壓氣站[17]。國內(nèi)外陰極保護工程實踐證明，對輸油氣泵站、油庫罐區(qū)及油氣集輸聯(lián)合站等施加區(qū)域陰極保護比僅采用外防腐涂層技術(shù)更加有效和實用[1]。

一般來說，油氣輸送管道沿線通常設(shè)有增壓、分輸/計量等各類站場，工藝、消防、排污、給排水等管網(wǎng)、儲罐底板、設(shè)備底座等與避雷防靜電接地系統(tǒng)構(gòu)成了龐大的金屬結(jié)構(gòu)網(wǎng)，同時，幾乎所有管道干線均施加了陰極保護[18]。在這樣的背景下，使得輸油氣站場區(qū)域陰極保護具有以下特點：（1） 電流消耗量大，大部分電流通過設(shè)備底座、接地系統(tǒng)流失，只有小部分電流消耗在管網(wǎng)、儲罐底板上；（2） 金屬結(jié)構(gòu)物密集排布和接地系統(tǒng)的影響導(dǎo)致屏蔽現(xiàn)象常發(fā)生；（3） 地床位置范圍有限，往往造成過保護或欠保護；（4） 易對站外陰保系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；（5） 屬于易燃易爆場所，安全性要求高。

基于以上特點，目前輸油氣站場區(qū)域陰極保護關(guān)注和研究的重點主要包括電流需求量的準(zhǔn)確確定、陽極保護方式的選擇、站內(nèi)外干擾情況、接地系統(tǒng)影響等，同時，近幾年來，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在區(qū)域陰極保護陽極地床優(yōu)化和效果預(yù)測中得到廣泛應(yīng)用，有效減少及避免了管道過保護及欠保護現(xiàn)象的發(fā)生，逐漸成為必不可少的陰保工具之一。

2 站場區(qū)域陰極保護關(guān)鍵技術(shù)問題研究現(xiàn)狀

區(qū)域陰極保護成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于陰保電流需求量的確定、陰極保護方式的選擇、接地系統(tǒng)的影響及陰保數(shù)值模擬技術(shù)在區(qū)域陰保設(shè)計中的有效應(yīng)用等。

2.1 陰極保護電流需求量的確定

站內(nèi)埋地管網(wǎng)陰極保護電流需求量是區(qū)域陰極保護設(shè)計中的一個關(guān)鍵性參數(shù)。通常由經(jīng)驗法或饋電實驗法得到。

經(jīng)驗法是指從各種文獻與已有資料或標(biāo)準(zhǔn)中獲得相似情況下管道的保護電流密度，再根據(jù)電流密度和保護面積獲得電流需求量。標(biāo)準(zhǔn)SY/T0036-2000中提到，對于新建管道，可以利用管道覆蓋層電阻大小確定管道保護電流密度，在涂層面電阻率為5000~10000 Ωm2時，取保護電流密度為100~50 ?A/m2;在>10000~50000 Ωm2時，取<50~10 ?A/m2;在>50000 Ωm2時，取<10 ?A/m2,這里的電流密度是指防腐涂層完整無損的情況下管道所需最小保護電流密度[19]。但是，對于運行多年補加陰極保護的舊站場，管道防腐涂層逐漸老化，絕緣電阻降低，甚至出現(xiàn)漏點或破損等狀況，所需保護電流密度隨之增大，而且對于大型輸油氣站場，埋地管道繁多復(fù)雜，管道表面狀況不一，龐大的接地系統(tǒng)會吸收大量陰保電流，因此按照經(jīng)驗法確定保護電流密度的方法不再適用。

近些年來，利用饋電試驗確定已建站場內(nèi)埋地管道陰極保護電流需求量的方法逐漸得到相關(guān)研究人員的青睞[20]。饋電試驗即在站場建立模擬陰保系統(tǒng)，分區(qū)對站內(nèi)埋地設(shè)施進行臨時保護，檢測埋地設(shè)施的電位分布和相應(yīng)的電流需求量，分析確定站內(nèi)的電流流失點、屏蔽區(qū)域和干擾等嚴重影響陰極保護效果的情況，設(shè)計過程中還可根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化陽極地床的位置和類型，并采取相應(yīng)的措施防止因電流流失或屏蔽造成的保護不足及干擾現(xiàn)象，為設(shè)計工作提供切實的數(shù)據(jù)支持，提高陰極保護系統(tǒng)改造的成功率和保護效果[21]。周冰等[21]在某大型站場開展了現(xiàn)場饋電試驗研究，通過分區(qū)域建立模擬陰保系統(tǒng)的方法，先確定臨時陰保系統(tǒng)的有效保護范圍，通過計算該范圍內(nèi)被保護物的表面積和相應(yīng)的輸出電流，得到實現(xiàn)有效保護的最小電流密度，然后假設(shè)庫區(qū)其他區(qū)域埋設(shè)管網(wǎng)涂層和接地情況與模擬保護區(qū)域相同，利用饋電試驗結(jié)果直接外推，根據(jù)庫區(qū)被保護物的總面積，計算出整個原油庫區(qū)所需的總保護電流值，確定站內(nèi)管道及儲罐所需陰保電流密度大小和各區(qū)域的電位分布等相關(guān)參數(shù)。

相比經(jīng)驗法，饋電試驗直接在要施加區(qū)域陰極保護的實際站場開展，得到的電流需求量測試結(jié)果更加直接，準(zhǔn)確性更高。然而，饋電試驗的前提是饋電區(qū)域內(nèi)埋地管道獨立于外部金屬結(jié)構(gòu)物，即站內(nèi)管道需要通過安裝絕緣接頭或其他方式與外部結(jié)構(gòu)物進行電隔離，保證饋電試驗的輸出電流集中于試驗區(qū)域內(nèi)，當(dāng)站場不滿足此條件時，則饋電試驗電流會流入站外管道或其他外部結(jié)構(gòu)物，導(dǎo)致測試結(jié)果存在一定誤差。因此，如何在饋電試驗難以實施的情況下準(zhǔn)確確定站內(nèi)陰保電流需求量還需進一步研究。此外，饋電試驗中極化時間的合理設(shè)置以及根據(jù)饋電結(jié)果準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)物整體保護電流需求的方法均有待進一步研究。

2.2 陰極保護方法及地床形式的選擇

陰極保護方法分為犧牲陽極和外加電流兩種，在有些情況下也可能采用犧牲陽極和外加電流聯(lián)合保護的方式。

2.2.1 犧牲陽極保護 犧牲陽極保護的優(yōu)點是不需要外部電源，對鄰近構(gòu)筑物干擾很小，投產(chǎn)調(diào)試后管理工作量小，工程越小越經(jīng)濟。缺點是陽極輸出電流小，保護距離短，保護電流輸出量不易調(diào)節(jié)，在區(qū)域保護對象電流消耗量難以估計的情況下較為被動；與被保護體的焊接連接點較多，增加了被保護體防腐蝕層破修復(fù)量；犧牲陽極的使用壽命有限且在站內(nèi)環(huán)境條件下不易更換，施工工程量大，對絕緣程度要求很嚴格，否則保護電流流失，保護電位難以達到，若補加犧牲陽極，開挖量大對現(xiàn)場環(huán)境破壞大；受環(huán)境條件 （如土壤成分、含水量等） 限制，通常要求土壤電阻率較低，且僅限于輸出電流<1 A的場合[2]。

基于犧牲陽極的特點，設(shè)計人員一般不太考慮將犧牲陽極單獨用于大型油氣站場區(qū)域陰極保護中，有時采用犧牲陽極與輔助陽極聯(lián)合保護的方式，在外加電流輔助陽極電流無法流入的管網(wǎng)密集區(qū)補加犧牲陽極進行保護。崔淦等[22]對某一站場進行陰保電位分布數(shù)值模擬計算時，對比了犧牲陽極、外加電流和聯(lián)合保護3種方式的差異性。結(jié)果表明，犧牲陽極保護方式雖然可以使埋地管網(wǎng)電位位于保護范圍內(nèi)，但需要使用大量陽極，施工不便，經(jīng)濟性較差，而外加電流保護方式下的管網(wǎng)電位值跨度較大，電位分布不均勻。聯(lián)合保護方式不僅可以使埋地管網(wǎng)得到有效保護，電位分布很均勻，陽極數(shù)量也相對減少，因此是較合理的一種保護方式。岔河集油田在對岔北聯(lián)、岔一聯(lián)兩個站廠進行了現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)據(jù)測試及地質(zhì)水文資料調(diào)查后，經(jīng)過反復(fù)論證，最終均采用了深井陽極為主、鋅合金犧牲陽極為輔的聯(lián)合保護方式，經(jīng)調(diào)試后站內(nèi)陰保效果理想[23]。

然而，需要注意的是，在聯(lián)合保護方式下，當(dāng)外加電流達到一定強度后，犧牲陽極將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，完全失去保護作用，成為接地極向大地泄漏電流，消耗大量陰極保護電流，某化纖廠對輸水管網(wǎng)進行陰極保護，當(dāng)安裝鎂陽極后發(fā)現(xiàn)不能達到保護要求，補加強制電流陰極保護，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外加電流輸出量增大，有些犧牲陽極完全成了接地極[24]。汪世雷等通過實驗研究證實了這個現(xiàn)象[25],其發(fā)現(xiàn)，當(dāng)強制電流與犧牲陽極2種保護方式混用時，隨著強制電流陰保系統(tǒng)輸出電流的增加，犧牲陽極輸出電流減小，且被保護體的極化電位和犧牲陽極的工作電位均負向偏移。通常認為，只要犧牲陽極的工作電位比被保護體的極化電位負，就會向被保護體釋放電流，提供保護作用。但實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使?fàn)奚枠O工作電位比被保護體負，當(dāng)外加電流增大到一定程度時，犧牲陽極電流也會發(fā)生反向，變成陰極，從提供電流轉(zhuǎn)變成消耗電流，電極電位負移。因此，當(dāng)犧牲陽極與外加電流聯(lián)合保護時，犧牲陽極是否提供保護必須根據(jù)其實際輸出電流來判斷。此外，即使?fàn)奚枠O處于遠離強制電流系統(tǒng)輔助陽極的欠保護區(qū)域，其輸出電流同樣會受外加直流的影響，必須適當(dāng)調(diào)整外加直流電流的大小，來充分發(fā)揮兩者的保護效果，以達到最佳的經(jīng)濟效益。

2.2.2 外加電流陰極保護 在外加電流陰極保護方式中，陽極的形式和分布是決定系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，在選擇輔助陽極地床形式時，需基于站場特點，根據(jù)不同地床形式的特點進行選擇。目前，輔助陽極地床形式主要有深井陽極、淺埋陽極和柔性陽極3種。

（1） 深井陽極形式 深井陽極地床是指地下深層井孔中 （通常井深大于15米） 垂直安裝一支或多支陽極的形式，多用于地表土壤電阻率很高或地表空間狹小無法滿足淺埋陽極地床安裝空間及所需的陽極接地電阻要求的環(huán)境下[26]。

與淺埋陽極相比，在合理設(shè)置陽極參數(shù)的前提下，深井陽極對外部構(gòu)筑物干擾較小。林長植等[27]在對福州市燃氣管網(wǎng)陰保系統(tǒng)應(yīng)用效果進行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，在采用深井陽極陰保系統(tǒng)的調(diào)壓站中 （陽極埋深-30~-45 m,輸出電壓為15~40 V,輸出電流為-15~-30 A），深井陽極周圍100 m內(nèi)平均地表電位梯度為9.1~51.4 mV/m,而在采用淺埋陽極陰保系統(tǒng)的調(diào)壓站中 （陽極埋深-2 m,輸出電壓為37.5 V,輸出電流為-30 A），平均地表電位梯度高達461 mV/m。一般來說，深井陽極地床地表電位梯度較低，對周圍非保護地下構(gòu)筑物干擾小。然而，在實際站場區(qū)域陰極保護中，如果設(shè)計時未能充分考慮深井陽極埋深、地床分布、輸出電流、地層結(jié)構(gòu)等因素對地表電場的影響，也可能出現(xiàn)深井陽極地床對外界產(chǎn)生干擾的問題。例如新疆油田某大型站區(qū)采用深井陽極地床對站內(nèi)管網(wǎng)進行保護時，在工藝管網(wǎng)區(qū)域共設(shè)4座深井陽極，井深超過200 m,分布在站內(nèi)東南西北四個方向，陰保系統(tǒng)由4臺恒電位儀控制，然而，該陰極保護系統(tǒng)開啟后輸出電流過大，恒電位儀電源、 陽極匯流電纜等接線均出現(xiàn)發(fā)熱變軟現(xiàn)象，經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)，由于深井陽極保護范圍過大，加上站內(nèi)接地網(wǎng)與管道電連接吸收大量電流，進/出站絕緣法蘭漏電等原因，導(dǎo)致該陰保系統(tǒng)對站內(nèi)設(shè)施及站外長輸管道的陰極保護系統(tǒng)造成嚴重干擾[28]。深井陽極干擾程度與深井陽極設(shè)置參數(shù)及站內(nèi)外陰保系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。董亮等[29]利用數(shù)值模擬技術(shù)系統(tǒng)地研究了站內(nèi)深井陽極陰保系統(tǒng)對站外陰保系統(tǒng)的干擾規(guī)律，分別探討了陽極距干線管道近站端水平距離、陽極埋深、站內(nèi)陰保電流輸出量、土壤電阻率等參數(shù)對站外陰保系統(tǒng)干擾的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著陽極距離管線水平距離、陽極埋深、電流輸出量和土壤電阻率等站內(nèi)陰保參數(shù)的增大，干線近站端管道電位均發(fā)生明顯正移，且正移量越來越大。此外，改變站外陰保系統(tǒng)的參比電極位置會對干擾產(chǎn)生影響，參比電極距離管道近站端越遠，干線管道受干擾程度越小，同時研究了站外干線長度對干擾程度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干線管道長度增加，電位正向偏移管道段長度增加，但電位偏移量變化不明顯。劉海祿等[30]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤電阻率增加90 Ωm,陽極輸出增大18 A時，深井陽極干擾范圍增加了297 m左右。鑒于此，在采用深井陽極地床對輸油氣站場進行保護時，需權(quán)衡陽極埋深、距干線水平距離、陰保電流輸出量和土壤電阻率等多個因素的影響，最大程度上避免干擾現(xiàn)象的發(fā)生。

（2） 淺埋陽極形式 淺埋陽極地床是指一支或多支陽極垂直 （或水平） 安裝于地下15米以內(nèi)的土壤中，以提供陰極保護的陽極地床[26]。其優(yōu)點是施工簡單，維修更換容易，造價相對較低，保護電流分布范圍小，適用于土壤電阻率小的環(huán)境，缺點是陽極用量多，占地面積大，地表電位梯度大，存在明顯的電流分布不均勻問題，易與干線陰極保護系統(tǒng)相互干擾[31]。王晨[5]采用分布式淺埋陽極對某輸氣管道站場進行區(qū)域陰極保護設(shè)計時，整座站場用到5組共32塊高硅鑄鐵陽極和3組犧牲陽極，施工完成后，管道斷電電位分布在-1.18~-0.96 V（CSE） 之間。對于站場區(qū)域陰極保護來說，常采用分布式淺埋陽極地床形式，然而，由于站場空間有限，陽極地床設(shè)計往往要求緊湊和多樣化，傳統(tǒng)單組淺埋陽極地床設(shè)計較為單一，大多沿一條直線布置，難以滿足要求，因此新型陽極地床分布方式的研究十分必要。Bi等[32]利用數(shù)值模擬軟件及歐姆定律分析了不同淺埋陽極地床分布方式的差異，考慮接地電阻的大小以及經(jīng)濟因素，其認為，與陽極單一直線型分布相比，陽極地床分布為兩列不僅會使地床占用面積減少，且接地電阻減小，因此更為合理。

與長輸管線相比，站場空間有限，埋地管道集中，距干線陰保系統(tǒng)近，而淺埋陽極電位梯度較大，易對干線陰保系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。因此，為達到在站內(nèi)管道可以得到有效保護的前提下對站外陰保系統(tǒng)干擾達到最小的目標(biāo)，在采用淺埋陽極對站場進行保護時，可采用數(shù)值模擬計算技術(shù)對保護效果和潛在的干擾行為進行預(yù)測，并通過優(yōu)化地床分布來獲得最佳效果，避免管道電位分布差異明顯和干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3） 柔性陽極形式 柔性陽極是一種長線型、柔性、電纜式的輔助陽極。其特點是對站外陰保系統(tǒng)干擾小，沿管線敷設(shè)，不存在密集管網(wǎng)屏蔽問題，在土壤電阻率較大時依舊能夠有效保護管道。柔性陽極分為兩種，早期的柔性陽極為瑞侃公司的導(dǎo)電聚合物型柔性陽極，后來國外在導(dǎo)電聚合物柔性陽極基礎(chǔ)上開發(fā)了以MMO/Ti絲為陽極芯材的新型柔性陽極[33]。導(dǎo)電聚合物型柔性陽極芯采用石墨摻雜的導(dǎo)電聚合物為陽極主體，具有小電流穩(wěn)定輸出，成本低的優(yōu)點，但是其在大電流下的載流能力由于導(dǎo)電聚合物固有的發(fā)熱膨脹缺陷而受限，易于大電流發(fā)熱時導(dǎo)致導(dǎo)電聚合物機械性能喪失而解體，直接導(dǎo)致陽極失效；而基于MMO的柔性陽極則克服了這些問題，具有載流能力大 （可達900 mA/m） 和使用壽命長 （可達50 a） 的優(yōu)點，適用于區(qū)域陰極保護下的大排流密度和大差異輸出場合，因此越來越受到設(shè)計人員的青睞[2]。

近年來，柔性陽極在國內(nèi)站場應(yīng)用逐漸廣泛。CPPE在蘭鄭長項目上，第一次在國內(nèi)長輸管道蘭鄭長站場上大規(guī)模采用柔性陽極進行區(qū)域陰極保護，且保護參數(shù)非常理想，不存在保護不足和過保護的問題，也沒有對干線管道造成雜散電流干擾[26]。鄯善生產(chǎn)運行儲備庫在進行區(qū)域陰極保護設(shè)計時，考慮到站內(nèi)設(shè)備接地點過多，采用深井陽極和犧牲陽極會使得恒電位儀輸出電流劇增，管網(wǎng)難以得到有效保護，最終采用AnodeFlex1500-01型柔性陽極進行保護[34]。寧夏石油商業(yè)儲備庫對站內(nèi)8臺10萬m3儲罐罐底也采用了柔性陽極陰極保護方式，系統(tǒng)保護電位穩(wěn)定在-0.85~-1.20 V之間[35]。

在區(qū)域陰極保護工程中，柔性陽極在埋地管網(wǎng)的敷設(shè)方式一直是設(shè)計人員關(guān)注的重點之一。針對于埋地管網(wǎng)，傳統(tǒng)敷設(shè)方式是沿管線全鋪，這種方式對于價格昂貴的柔性陽極來說經(jīng)濟性較差，間斷敷設(shè)方式可以大大減少柔性陽極材料費用，成為一種潛在的新型敷設(shè)方式。然而，現(xiàn)有研究大多集中在陽極間斷敷設(shè)方式的可行性上[36,37],缺乏圍繞間斷敷設(shè)規(guī)律及影響因素的系統(tǒng)和針對性研究。此外，當(dāng)采用MMO/Ti型柔性陽極進行陰極保護時，關(guān)于陽極擊穿電壓大小、氧氣去極化作用及陽極斷線問題也是目前研究人員關(guān)注的重點。

（1） 陽極擊穿電壓 由于MMO/Ti型柔性陽極的陽極主體是帶有混合金屬氧化物涂層的鈦絲，當(dāng)鈦作為陽極使用時，會形成TiO2陽極氧化膜，在電壓8~12 V范圍內(nèi)，TiO2陽極氧化膜厚度增加，當(dāng)氧化膜被局部擊穿后，即發(fā)生坑蝕，不宜作為陽極材料，而且在高電壓的情況下，鈦表面若因機械損傷而裸露，陽極/陰極的形狀易在裸露處產(chǎn)生高電壓，則有迅速發(fā)生故障的危險[38]。德國GCP公司陰極保護專家Michael Kahle曾指出，對于鈦基MMO陽極的電源輸出電壓應(yīng)低于12 V,確保陽極最低限度擊穿電壓為8 V[38]。許立坤等[39]對鈦基金屬的擊穿電位進行研究后發(fā)現(xiàn)，在含有Cl-的介質(zhì)中 （如海水、淡海水等），鈦基金屬氧化物陽極的安全工作電位應(yīng)低于10 V （SCE），且只有在Cl-含量很低的淡水介質(zhì) （NaCl含量低于0.1%） 中，鈦陽極的安全工作電位才會明顯提高，同時指出，在鈦基體和混合金屬氧化物涂層之間增加鉭中間層能夠提高鈦基金屬氧化物陽極的擊穿電壓。因此在采用柔性陽極進行保護時，應(yīng)注意整流器電壓不能設(shè)置過高，否則陽極分壓過高，將會導(dǎo)致鈦絲表面膜層發(fā)生擊穿，使得陽極失效。此外，鑒于柔性陽極大多應(yīng)用在土壤環(huán)境下的各種站場中，關(guān)于土壤環(huán)境下的鈦基金屬擊穿電壓有待進一步研究。

（2） 氧氣去極化作用 當(dāng)采用金屬氧化物陽極作為輔助陽極時，在工作時陰陽極可能發(fā)生的反應(yīng)如下。

在Cl-濃度極低的腐蝕介質(zhì)中，主要陽極反應(yīng)是氧的溢出。胡士信等[38]在討論MMO網(wǎng)狀陽極對儲罐罐底的保護時指出，陽極通常應(yīng)埋于距罐底500~1000 mm處，而國內(nèi)一般埋在300 mm處，在離罐底如此近的距離產(chǎn)生氧氣將導(dǎo)致被保護罐底板的氧氣去極化作用，這樣就很難達到-0.85 V （CSE） 的斷電電位保護準(zhǔn)則，即所有電化學(xué)反應(yīng)都直接發(fā)生在陽極的表面，容易導(dǎo)致金屬氧化物層的破壞，從而縮短陽極壽命。MMO/Ti型柔性陽極也是如此。目前，MMO/Ti柔性陽極在國內(nèi)站場保護應(yīng)用時，其敷設(shè)距離設(shè)置不一。根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求[40],對于裸管道陽極的最佳位置是距管道10倍管徑處；對于有良好覆蓋層的管道可同溝敷設(shè)，最近距離為0.3 m。徐工銀等[34]、賈光猛等[41]認為柔性陽極埋設(shè)應(yīng)在距埋地管線外側(cè)管壁不小于500 mm處。陳振華等[31]指出，當(dāng)柔性陽極與管道同溝敷設(shè)時，兩者水平間距為20~30 cm。可見，國內(nèi)關(guān)于柔性陽極敷設(shè)距離的觀點不夠統(tǒng)一，這樣就可能導(dǎo)致MMO/Ti型柔性陽極在敷設(shè)過程中由于同溝敷設(shè)或施工不規(guī)范等原因出現(xiàn)距離金屬構(gòu)筑物過近，發(fā)生氧氣去極化作用，極化電位很難達到規(guī)定電位的問題，因此，有必要針對MMO/Ti柔性陽極在儲罐罐底及埋地管網(wǎng)中的氧去極化作用及合理敷設(shè)距離進行系統(tǒng)研究，提高柔性陽極在我國站場區(qū)域陰極保護中的應(yīng)用水平。

（3） Ti絲斷線問題 MMO/Ti柔性陽極的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Ti絲陽極線與銅電纜引線平行敷設(shè)，每3 m~15 m設(shè)置一個連接節(jié)點[42]。然而，在現(xiàn)場敷設(shè)和服役過程中，由于不規(guī)范操作或不合理敷設(shè)方式常會導(dǎo)致Ti絲斷開，使得部分陽極段失效，管道不能得到有效保護，且這種斷線很難從陽極外表面觀察到，無法準(zhǔn)確判斷斷點位置，影響陰保系統(tǒng)的正常運行。目前，針對陽極斷線情況，如何有效避免Ti絲的斷裂以及斷裂后如何快速且準(zhǔn)確查找斷點位置有待進一步研究。

圖1 MMO/Ti型柔性陽極結(jié)構(gòu)圖

2.3 接地系統(tǒng)的影響

在區(qū)域陰極保護技術(shù)中，由于接地系統(tǒng)引起的陰保電流消耗量大以及屏蔽問題一直是研究人員關(guān)注的重點之一。這主要是由于在傳統(tǒng)設(shè)計中，防雷接地與陰保系統(tǒng)都是單獨設(shè)計，銅接地極由于良好的導(dǎo)電和耐腐蝕性能而被認為是首選的接地材料，然而，與碳鋼等金屬相比，銅很難極化，銅每單位面積消耗的陰保電流密度是將管道極化到同水平下所消耗陰保電流密度的10~20倍，因此，裸銅接地會對陰保系統(tǒng)產(chǎn)生很大的負擔(dān)，而且需要引起注意的是，一旦外加電流陰保系統(tǒng)沒有在運行，那么埋地管道與銅接地網(wǎng)則會形成強烈的電偶對，這個電偶對將加速所有埋地管道的腐蝕[43]。由此可見，合理選擇接地材料或采用其他方式阻止銅接地材料直接與埋地管道相連是解決陰保電流消耗量大及屏蔽問題需要考慮的方向。目前主要有以下兩種解決措施。

2.3.1 安裝去耦合器或極化電池 Massimo等[44]通過研究發(fā)現(xiàn)，在陰極保護管道與接地裝置之間安裝去耦合連接裝置如隔離浪涌保護器，可以減小接地故障對于管道和陰保系統(tǒng)有效性的影響，比等電位連接更為合理與安全。除此之外，極化電池也能夠?qū)崿F(xiàn)陰極保護結(jié)構(gòu)與接地材料的直流隔離，確保交流及瞬態(tài)電的安全接地，在國外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[12]。在此基礎(chǔ)上，接地材料可以選擇銅包鋼等耐蝕材料。

2.3.2 聯(lián)合保護 聯(lián)合保護即將站場內(nèi)所有埋地金屬設(shè)施和接地極作為整體進行保護。由于接地材料電位越正，極化至保護電位-0.85 V （CSE） 所消耗的電流越大，反之則越小。因此接地極材料應(yīng)選擇負電性材料，如鋅包鋼或犧牲陽極等。Cui等[45]利用beasy數(shù)值模擬軟件分析了接地系統(tǒng)對管道陰保電位的影響，通過對沒有設(shè)置接地和設(shè)置裸露扁鋼接地的管網(wǎng)進行模擬計算并將結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)，沒有設(shè)置接地的管網(wǎng)得到有效保護，設(shè)置裸露扁鋼的管網(wǎng)電位發(fā)生正向偏移，沒有得到有效保護，隨后把裸露扁鋼接地換成鋅接地時，管網(wǎng)電位負向偏移，大部分管道均得到了有效保護。某站場2005年投產(chǎn)時接地大量采用銅包鋼材料，而后基于銅包鋼接地材料的負作用，投產(chǎn)后不久便將銅包鋼接地材料更換為鍍鋅扁鋼，然而2007年該站發(fā)生腐蝕穿孔泄漏事故，業(yè)主對站場緊急施加了區(qū)域陰極保護后，發(fā)現(xiàn)陰保電流消耗量很大，但部分管道陰保電位依舊未達到標(biāo)準(zhǔn)要求，并且在腐蝕調(diào)查局部開挖驗證中發(fā)現(xiàn)站內(nèi)第一次整改后鋪設(shè)的鍍鋅扁鋼接地網(wǎng)銹蝕嚴重，因此推斷是由于原銅包鋼接地網(wǎng)沒有完全拆除，且與站內(nèi)管道仍有連接造成的，通過整改將銅包鋼進行徹底清除，全部換成鍍鋅鋼后，管道自然電位負移，陰保電位達到要求[46]。

值得注意的是，當(dāng)接地和埋地管網(wǎng)進行聯(lián)合保護時，如何針對接地和管網(wǎng)選擇合理的陰保準(zhǔn)則進行評估有待進一步研究，即是否采用相似的保護準(zhǔn)則，還是各用一套準(zhǔn)則，如接地用100 mV極化偏移準(zhǔn)則，管網(wǎng)用-0.85 V （CSE） 極化電位準(zhǔn)則。此外，聯(lián)合保護下管網(wǎng)極化電位的有效測試方法也有待研究。

2.4 陰保數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)區(qū)域陰極保護設(shè)計主要依靠的是設(shè)計者的經(jīng)驗，往往準(zhǔn)確性較低，易造成部分區(qū)域欠保護[47]。數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為區(qū)域陰保設(shè)計提供了指導(dǎo)性作用，使得區(qū)域陰極保護從經(jīng)驗性設(shè)計上升到科學(xué)性設(shè)計，大大提高了設(shè)計的有效性和準(zhǔn)確性，在陰保效果預(yù)測和評估、陽極位置優(yōu)化設(shè)計及干擾規(guī)律研究等方面得到了日漸廣泛的應(yīng)用。邵守斌[47]利用數(shù)值模擬技術(shù)對某油田站場進行了區(qū)域陰保優(yōu)化設(shè)計，對深井陽極處于不同位置、數(shù)量及埋深等情況下的保護效果進行對比，最終確定最優(yōu)方案并將其應(yīng)用到實際站場中，節(jié)省投資近30萬元。張豐等[48]通過對站場儲罐庫區(qū)的深井陽極保護效果進行數(shù)值模擬，預(yù)測了儲罐外底板和罐周的電位分布。崔淦等[22]利用數(shù)模軟件beasy對某站場在3種陰極保護方式 （犧牲陽極、外加電流及聯(lián)合保護） 下的保護效果進行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合保護方式下不僅犧牲陽極用量較少，且管道電位分布均勻。杜艷霞等[49]采用數(shù)值模擬計算方法預(yù)測了某淺埋陽極站場的埋地管道電位分布，通過現(xiàn)場測量和室內(nèi)極化特性測試獲得陽極和陰極邊界條件，采用邊界元方法對數(shù)學(xué)模型進行求解，得到土壤中各處的電位分布，將實測結(jié)果和數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，對于所考察的20個測試點，管道極化電位數(shù)值計算結(jié)果和實際測量結(jié)果很接近，最大相對誤差小于5%。以上案例說明，對于站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)，在正確建立數(shù)學(xué)模型，合理選取邊界條件的前提下，數(shù)值模擬計算技術(shù)可以有效應(yīng)用到區(qū)域陰保設(shè)計當(dāng)中去。

目前，在數(shù)值模擬計算技術(shù)方面，關(guān)注的重點主要在邊界條件選擇、數(shù)學(xué)模型改進、涂層缺陷模型和數(shù)值計算方法等幾個方面。對于數(shù)值模擬計算技術(shù)而言，邊界條件的合理性，是求解結(jié)果準(zhǔn)確性得以保障的關(guān)鍵。主要表現(xiàn)在保證模型能夠順利求解的前提下，選取何種邊界條件與實際情況更加吻合。針對陽極邊界的選擇，蔣卡克等[50]利用beasy數(shù)值模擬軟件對比了犧牲陽極和輔助陽極兩種保護方式下陽極邊界不同選擇對計算結(jié)果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，犧牲陽極保護方式下完全可以采用開路電位代替真實極化曲線邊界，輔助陽極可采用恒電流密度邊界代替真實極化曲線邊界。對于陰極邊界的選取，大多數(shù)文獻中采用實測極化曲線作為陰極邊界條件[51-53],有些基于電化學(xué)理論，直接給出極化電流密度和極化電位的關(guān)系式，再通過實驗測定相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)，給出確定的陰極極化邊界條件。然而，無論采用哪種極化邊界，目前實驗室測得的極化特性都是相對穩(wěn)定的，實際上金屬每一點的極化特性都是不同的，也是隨時間變化的，然而由于微觀不均勻性和時變模型很難考慮，目前尚無合適的數(shù)學(xué)處理方法。數(shù)值模型的改進主要體現(xiàn)在不均勻介質(zhì)模型劃分上，郝宏娜等[54]在建立數(shù)值模型時考慮了土壤電阻率在水平方向上的變化，采用fluent軟件分別設(shè)置不同區(qū)域的土壤電阻率，假設(shè)各自區(qū)域內(nèi)土壤是均勻的，認為在兩個區(qū)域的交界處電流的大小是相同的，在陰極極化邊界選擇上，將陰極極化過程看作由活化極化和濃差極化混合控制，利用測量得到的極化曲線擬合相關(guān)電化學(xué)參數(shù)帶入公式中得到不同區(qū)域的陰極邊界，并通過室內(nèi)電化學(xué)試驗驗證了數(shù)值模擬計算結(jié)果。黃國勝等[55]利用beasy軟件，以非均勻電阻率和分段極化曲線的方法模擬了垂直方向非均質(zhì)土壤中油井套管的陰保電位分布情況。此外，在陰極保護體系中，涂層質(zhì)量是一個重要的影響因索，而涂層存在缺陷情況下的陰極極化模型是重要且又難以處理的問題[56]。對于涂層缺陷的描述，有人假設(shè)涂層是高電阻離子導(dǎo)體膜，建立了有涂層情況下的陰極表面電流和電位的線性關(guān)系[57]。有人則將涂層缺陷看成是涂層效率的降低，用涂層平均孔隙度增大或平均電阻值降低的方法來建立模型[58]。孫吉星等[59]在利用數(shù)值模擬方法研究海洋石油海底管道外防腐涂層破損與陰極保護效果的關(guān)系時，針對海底管道外防腐層有破損的情況，認為實際陰極面電阻率可等效成由金屬面電阻率和涂層面電阻率兩部分電阻并聯(lián)而成。數(shù)值計算方法的合理選擇，是陰極保護數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的影響因素之一。在陰極保護體系中，數(shù)學(xué)模型主要有3種求解方法：有限差分法 （FDM）、有限元法 （FEM）、邊界元法 （BEM）。有限差分法能夠有效解決二維問題，但在解決三維問題時靈活性較差，準(zhǔn)確性較低，逐漸被有限元法和邊界元法取代。有限元法可以提供三維電位分布，并且能夠很好地應(yīng)用在非均勻介質(zhì)環(huán)境中陰極保護體系的計算，如海水溫躍層、潮差區(qū)、不均勻土壤環(huán)境等。邊界元法可以使維度降低，計算簡化，目前在復(fù)雜結(jié)構(gòu)陰極保護體系中應(yīng)用廣泛，如潛艇、輪船以及大型的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)等[60]。在應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況合理地采用有限元和邊界元相結(jié)合的方法，發(fā)揮兩種方法各自優(yōu)點，既可以簡化計算，又可以獲得陰極保護系統(tǒng)更全面的信息，這也是陰極保護數(shù)值優(yōu)化技術(shù)今后的一個發(fā)展方向[60]。

3 結(jié)束語

區(qū)域陰極保護技術(shù)作為一項復(fù)雜的工程設(shè)計技術(shù)，需要兼顧多方面因素的影響，其設(shè)計原則是最大程度的發(fā)揮陰保系統(tǒng)的作用，保證管道電位的均勻分布，同時盡量避免干擾和屏蔽現(xiàn)象的發(fā)生。基于區(qū)域陰保技術(shù)的特點，為了更加有效的將區(qū)域陰保技術(shù)應(yīng)用到站場埋地管道保護中，還需在以下4個方面進行深入的研究。

（1） 饋電試驗法能夠準(zhǔn)確確定已建站場的陰極保護電流需求量。從目前的研究現(xiàn)狀來看，饋電試驗中極化時間的合理設(shè)置以及如何根據(jù)饋電試驗的結(jié)果準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)物整體保護電流需求的方法均有待進一步研究。除此之外，在饋電試驗難以實施的情況下如何確定站內(nèi)陰保電流需求量還需進一步探索。

（2） 柔性陽極特別是MMO/Ti型柔性陽極在站內(nèi)埋地管網(wǎng)和儲罐罐底板外側(cè)保護中具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α；谌嵝躁枠O均采用沿線敷設(shè)方式，往往使得陽極材料用量過大導(dǎo)致經(jīng)濟性較差，如何合理優(yōu)化柔性陽極在埋地管網(wǎng)中的敷設(shè)方式，同時考查站內(nèi)土壤電阻率、管道涂層等因素的影響尚需系統(tǒng)深入的研究。此外，針對MMO/Ti型柔性陽極應(yīng)用過程中出現(xiàn)的陽極電壓擊穿、氧氣去極化作用及陽極斷線等問題需要引起重視并加以研究。

（3） 接地系統(tǒng)和埋地管網(wǎng)聯(lián)合保護能夠在一定程度上避免屏蔽問題的出現(xiàn)。但是，當(dāng)接地系統(tǒng)和埋地管網(wǎng)進行聯(lián)合保護時，如何針對接地和管網(wǎng)系統(tǒng)選擇合理的陰保準(zhǔn)則以及聯(lián)合保護情況下管網(wǎng)極化電位的有效測試方法均有待研究。

（4） 數(shù)值模擬計算技術(shù)大大提高了區(qū)域陰保設(shè)計的有效性和準(zhǔn)確性。邊界條件作為數(shù)模計算中關(guān)注的重點，其直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，關(guān)于邊界條件的研究還需在兩個方面進行。一方面，對于老舊站場，如何獲取準(zhǔn)確的陰極邊界條件。另一方面，為了提供與實際情況更加符合的極化曲線，還需針對不同的材料種類、組織成分、涂層類型、涂層質(zhì)量、土壤腐蝕性、季節(jié)變化和腐蝕產(chǎn)物累計等因素開展專門的研究，并積累大量的測試數(shù)據(jù)來建立極化邊界條件的數(shù)據(jù)庫，推動陰保數(shù)模計算技術(shù)在區(qū)域陰保設(shè)計中的發(fā)展。