浅析海洋管道的阴极保护

李雪 邢凤荣 张伟 王丹 郭东红 周胜男

摘要：本文从海洋管道的重要性出发，对阴极保护方法进行了概述，并论述了影响管道阴极保护的各项因素，指出了管道涂层防护与阴极保护的密切关系。

关键词：海洋环境；阴极保护；牺牲阳极

一 海洋管道阴极保护

阴极保护的原理是在被保护的金属构件表面上通入足够的阴极电流，使该金属的电极电位变负，即发生阴极极化以阻止其溶解。依据阴极电流的来源，阴极保护分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种。

海洋管道不同于陆上管道，海洋管道的阴极保护具有管道沿线电位不可测试的特点，同时海洋环境远比陆地环境严酷，因此，选择阴极保护系统时要充分考虑到可靠性、耐久性等特点。

根据工程经验，鉴于外加电流阴极保护系统存在过保护的风险，牺牲阳极阴极保护系统已成为海洋管道工程较成熟且可靠的阴极保护方式，铝合金牺牲阳极是海洋管道工程常用的阳极材料。

影响海洋管道牺牲阳极阴极保护有效性的因素有防腐层状况（即涂层破损率）、管道安装方式（埋设与非埋设）、牺牲阳极电化学特性、阳极保护距离等。

1．防腐层破损率

海洋管线的阴极保护电流量随着保护涂层的退化而增加，因而在管道整个寿命周期内牺牲阳极能否提供足够的阴极保护电流量显得非常重要。涂层破损率是在役涂层状况的重要指标，其取决于涂层类型、使用年限、施工条件等，涂层破损率可由如下公式计算：

fcf=fi+（Δf×tdl）

式中，fi为管道初期的涂层破损率，即管道开始投运时的涂层破损率；fcf为管道末期的涂层破损率，即管道寿命末期的涂层破损率；Δf为管道涂层破损率年增长系数；tdl为管道服役年限。

对于整条管道而言，管道的涂层破损率由管道的两种部位组成，即钢管工厂预制的防腐层处和现场接头补口防腐层处。假设一根钢管长12m，采用三层PE防腐层，钢管防腐层管端预留150mm，现场接头补口采用PE热收缩带。根据计算，现场接头补口防腐层面积占到了整根管道防腐层面积的2.5%，如果现场接头补口质量差，甚至全部失效，加上三层PE防腐层的破损率，整条管道的涂层破损率会远远大于2.5%。由于海洋环境腐蚀恶劣，海水中的氯离子会造成钢管点蚀甚至穿孔，管道的服役寿命也会缩短。

2．牺牲阳极电化学特性

牺牲阳极应能提供足够的阴极保护电流，并且具有较高的电化学效率及电化学当量，同时还应具有稳定的电位，在使用期间不发生钝化，牺牲阳极表面的腐蚀产物已脱落，且对环境无污染。

纯铝不能作为牺牲阳极，因为其表面形成稳定的氧化膜使其电化学电位正移到很高的电位即钝化。在铝阳极中加入了镉、铟、汞或锡元素以保持阳极的活性，防止其发生钝化。同时铝阳极一般应用在含有氯离子的电解质中，氯离子能穿透腐蚀产物膜，使阳极保持活性。随着氯离子含量降低，阳极的电容量降低，阳极电位变得更正，同时，铝阳极电容量随着电流密度降低而降低，如图2所示。

对于海水与海泥而言，海水的电阻率较海泥的电阻率低，在此环境中，铝阳极的发生电流密度大，因此海水中的铝阳极电容量也较大，如表1所示。

3．管道安装方式

管道的保护电流密度也取决于管道的敷设状况，即埋设与不埋设，以及管道输送的温度。

在埋设环境下，海泥的电阻率要比海水的电阻率高，结构物上腐蚀电池极化大，腐蚀电流小，相应的所需保护电流密度也较小。当管道输送温度较高时，从电化学角度来讲，温度升高有利于结构物上腐蚀电池的去极化，造成腐蚀电流增加，进而管道保护电流密度增大。

M=（Icm×tf× 8760）/（u×ε）

式中，M为所需牺牲阳极重量（kg）; Icm为保护电流（A）; tf为设计寿命（年）; u为阳极利用率；ε为阳极电容量（A·h/kg）。

根据上面公式可以计算所需的牺牲阳极重量。虽然海泥的电阻率大，腐蚀性相对较弱，但由于此环境中牺牲阳极发生电容量小的原因，海泥环境中牺牲阳极的数量要大于海水中的数量。

4．阳极最大保护长度

阳极的管道保护长度是牺牲阳极阴极保护的重要环节，根据工程经验及ISO 15589-2参考标准，海洋管道的镯式牺牲阳极设计间距一般不大于300米，当阳极间距超过300米时，应采用衰减法进行阳极保护长度核算，衰减系数可由下列公式计算：

式中，α为管道沿线阴极保护电位的衰减系数（m -1）; RS为管道线性电阻（Ω）; RL为管道涂层泄漏电阻（Ω）。

管道的保护电位衰减系数越大，单支阳极的保护长度越小，如图3所示。

影响衰减系数的主要因素有管道线性电阻和涂层泄漏电阻，管道线性电阻与钢管的壁厚、材质、管径、钢电阻率等因素有关，管道涂层泄漏电阻与涂层的质量状况有关。

由于三层PE防腐层的厚度大，吸水率低，三层PE防腐层的面电阻率要大于FBE防腐层的面电阻率，即防腐层泄漏电阻大，管道阴极保护电位衰减较小，牺牲阳极保护距离较长。

同时随着涂层服役年限的增加，涂层破损率增大，涂层的泄漏电阻减小，衰减增大，牺牲阳极保护长度可能缩短。

对于海洋管道而言，随着管道服役寿命增加，会在管道表面附着一层海生物壳。从电化学角度来讲，微生物的附着会增大腐蚀电池扩散层的厚度，增大浓差极化，减小了腐蚀电流，同时也增大了管道涂层泄漏电阻，影响了管道阴极保护电位衰减。

二 结论及建议

一般管道补口部位的涂层破损率最大为2.5%，铝阳极电容量随着电流密度降低而降低，管道的安装方式（埋设与不埋设）以及管道输送的温度影响着牺牲阳极的重量和阳极的最大保护长度。因此，对于海洋管道，建议选择优异的防腐层和补口涂层，与牺牲阳极阴极保护，保证管道服役寿命。

 

参考文献

[1] ISO 15589-2“Petroleum and Natural Gas Industries—Cathodic Protection of Pipeline Transportation Systems—Part 2: Offshore Pipelines”.

[2] C. F. Schrieber and Reece W. Murray, “Effect of Hostile Marine Environments on the Al-Zn-In-Si Sacrificial Anode”, CORROSION/88, Paper No.32.

[3] DNV RP-F103“Cathodic Protection of Submarine Pipelines by Galvanic Anodes”.