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；一般總會有一些缺陷或保護(hù)不到的點(diǎn)，這些點(diǎn)上腐蝕還會發(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。目前埋地或海底管道、儲罐等油氣設(shè)施已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)系統(tǒng)和主體工程同時設(shè)計、同時施工、同時投產(chǎn)，取得了良好的效果。

近年來，隨著社會進(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，其中兩個方面的發(fā)展值得關(guān)注：一是隨著數(shù)值計算、自動控制、信息學(xué)和計算機(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，會對陰極保護(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，使管道的對地電位向負(fù)的方向移動，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，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，同時不會引起高強(qiáng)度鋼的氫脆等問題來考慮確定。目前國際上對于最大保護(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)測試探頭和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

01 陰極保護(hù)測試探頭

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)確測量極化電位對于保證陰極保護(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)行測量，當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)處于通電狀態(tài)時，所測得的陰極保護(hù)電位包含電流在管道和參比電極之間的土壤中流動所產(chǎn)生的電壓降即IR降，通過瞬間斷電測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)電位測量技術(shù)——測試探頭測量技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢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，用極化探頭測量埋設(shè)位置處管道保護(hù)電位”。

測試探頭的基本結(jié)構(gòu)包含測試鋼片、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，只留一個多孔塞子（滲透膜）作為測量通路，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試樁處逐一進(jìn)行測量，這種方法費(fèi)時費(fèi)力，尤其對于需要長時間連續(xù)監(jiān)測的位置，并且不便于及時發(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)的自動檢測與傳輸，將大大提高維護(hù)管理水平，節(jié)省勞動力。對于遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，自20世紀(jì)80年代起國內(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，已在如美國、英國、挪威、丹麥等國家的管道普遍使用。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)生故障時能及時提供相關(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需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運(yùn)營成本較高，總之采用有線通信方式建設(shè)周期長、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)簡單、性價比高等優(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)是集成了陰保檢測技術(shù)、智能儀表技術(shù)、無線通信技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成陰極保護(hù)電位的自動檢測及預(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)用對于提高國內(nèi)陰極保護(hù)管理水平具有重要意義。