海底管道、光缆阴极保护

引言

海底管道是近海油气开发的大动脉，其安全与否至关重要。海底管道在工厂进行防腐蚀涂覆后，由于运输、装卸、铺设施工过程中的2h部碰撞等原固，涂层往往会有不同程度的损伤.在海洋环境中，防腐涂层一旦损伤，该处的管道表层就会形成腐蚀微电池，加剧腐蚀。作为弥补，常用的方法是同时采用阴极保护措施。

海底管道阴极保护技术的应用发展

虽说HumphryDavy早在1824年就发现了阴极保护原理，但真正使其成为保护海底管道的有效手段,还应归功于墨西哥湾和北海油田的大规模开发，以及电化学防腐蚀理论的发展。海底管道阴极保护根据施加保护电流的方式不同，可分为外加电流和牺牲阳极2种常用方法。外极、参比电极和连接电缆组成。其特点是，初始投资省，对介质环境多变的区域，能通过调节外加电流和电压以提供适当电流量。早期的外加电流保护主要靠人工调节控制。近年来，自动外加电流保护装置已被普遍采用。目前使用较多的参比电极是：银〜氯化银电极，其准确度可维持在10mV以内；其次有使用锌电极的，它在海水中的准确度也可维持在20mV以内，性能稳定，易于制作常用的辅助阳极主要有：伯系、铅系、铁系和石墨等。

牺牲阳极是海底管道阴极保护的主要手段。常用材料有锌、铝、镁台金。镁合金是早期用于海洋结构阴极保护的牺牲阳极村料，它有较高的电负性，电流密度大，比重大。但它的自溶性强使用年限短，需经常更换。如50年代初，委内瑞拉Creole石加电流阴极保护是早期建造的海底管道防腐的常用方法。它主要由电源、辅助阳极，公司在Coro湾铺设了二条各长25km直径6.04cm海底管道，该管道在釆用煤焦油底漆加三层玻璃纤维沥青瓷漆、一层石棉毡缠绕及63.5mm混凝土擦敷的同时.釆用镁阳极保护。其中I号管道在二端各埋设50个22.7kg的镁阳极，2号管道在中间埋设三组各30个22.7KG的镁阳极。该管道平均每三年需进行一次阳极更换，增大了管道的营运管理费用。

利用镁在海永中自溶性大的梅电，镁阳极还可以用于海底管道施工期闯的临时性保护。如伊朗石油勘探与开釆公司在波斯湾铺设一条直径76cm海底管道时，由于从管道人海到施工完成，大约需6周时间，而此时外加电流系统尚未启用。为了使管道免受腐蚀，该公司釆用了S组镁阳极进行临时保护，待管道的外加电流保护系统启用后，再将其拆除。

由于镁阳极具有较大的驱动电位，对钢质管道的防腐除层可能形成氢脆危害，造成防腐层的阴极脱落。因此，近年来随着锌、铝阳极的研究开发，镁阳极已很少使用，一般只用于介质电阻较大的海底管道上。锌阳极是50年代后期开始用于海洋的.锌阳极具有在海水中的电流效率高、表面腐蚀均匀、使用寿命长等优点。因而，很快得到普遍应用.60年代后期，出现了便于安装和使用的手镯型锌阳极（图3）。它的优点是输出电流与体积比较高，施加到阴极上的电流密度均匀，安装费用低。所以在海底管道工程中使用较多。

锌阳极适合于电阻率较低的土壤及海水中。60、70年代，北海铺设的海底管道中，几乎都釆用锌基阳极作为保护材辩。但是，当海底管道的环境温度大于50°C时，锌阳极对钢管的保护效果变差，反而加剧了管道的腐蚀。更严重的是锌的晶向腐蚀破坏，需要频繁更换阳极。所以对输送温度较高的海底管道或竖管.通常考虑选用铝基阳极。如北海Ekofisk管道工程中，就已注意到这种情况。60年代发展起来的铝合金阳极，以其电容量大（是锌的3.6倍）、价格便宜（约比锌低30%）等特点，开始与锌阳极抗衡，大有取代锌阳极之势。美国Dow化学公司是较早进行铝合金阳极研究的公司之一。该公司从60年代起，先研制出GalvalumI型、II型、Ⅲ型铝基阳极。其中Galvalumm型阳极，可在海底热盐泥或热海水环境下正常工作，性能忧于高纯度锌阳极。

海底管道阴极保护技术的适用性分析

经济特征

对于海底管道，阴极保护不但在技术上可靠，而且在或本投资上也相当低廉，通常仅占整介管道工程费用的1%左右，可以说，阴极保护技术是海底管道较经济而有效的防腐蚀措施之一。

比较二种阴极保护方法，外加电流法的初始投资省，经济性较好。牺牲阳极法的材料消耗量较大。如北海某直径0.86m、长220nmile的海底管道。用宽30.5cm、厚6.4cm,重374kg的手镯型锌阳极保护，共安装T2930个，总重为109.6t。

适用特征

传统的观念一般认为，外加电流保护用在大型海底管道上比较经济。但通过北海的应用实践.人们开始认识到，外加电流保护不但需要专用设备和辅助阳极、电缆等辅助设备.而且直流电源必须连续供电，有专人管理；过保护时，易产生防腐涂层的阳极脱落可靠性差。如果海底管道只有一个供电点，保护电流就要衰减，故对长距离管线，需设计多个阴极保护站。这样，附加费用远远大干牺牲阳极保护。同时，由于海底管道造价高，维修困难，从可靠性考虑，牺牲阳极保护优于外加电流法。因此。在海底管道工程中，外加电流阴极保护仅用于工程预算较少的、接近海岸端的近海管道或釆油平台之间较短、小口径集油管道。较大口径海底管道的阴极保护，几乎被牺牲阳极法所独占。

海底管道的阴极保护监测

海底管道的阴极保护监测，是防腐蚀保护技术中必不可少的组成部分。对墨西哥湾的管道，美国运输部就曾明确规定：近海管道阴极保护系统的检测，必须采取与陆地管道检测相似的方式进行。

海底管道阴极保护常规的方法是电位分布测量法。近年来发展起来的新方法有电流密度测量法、电场强度测量法。这二种新监测方法可以对牺牲阳极的发生电流或管道附近的电场强度进行监控，从而了解管道上每个牺牲阳极的工作情况。

海底管道阴极保护的基本参数与计算

基本参数与设计准则

海底管道阴极保护有二项基本参数：(1)极小保护电流密度。(2)极低保护电位。

通常用这两项基本参数判别被保护管道的保护效果。

海底管道阴极保护的设计方法

海底管道设计使用期限内所需牺牲阳极材料的总重量,一般可根据管道要求的总保护电流和所选合金的电化学性能进行计算。

结语

阴极保护是海底管道的重要舫腐手段，它经济而有效。目前无论在理论上、应用上都趋于成熟。我国工程界在阴极保护技术的研究和应用方面作了不少工作，已具备小型、短距离海底管道阴极保护设计和施工的能力。如厦门一鼓浪屿海底管道，就曾采用外加电流式阴极保护技术。自1979年以来，国内对铝台金牺牲阳极的研究和应用也有了很大的进展。