第一章 绪 论
1.1 研究的目的和意义。
近些年，随着能源市场需求的激增，长输管线事业发展迅猛，全世界形成了许多洲际性、国际性、全国性及地区性的大型供气系统和输油管网。在我国的大多数地区，原油的运输主要是通过长输管线从产地输送到炼油厂和码头。2009 年，我国已经拥有 6.9万公里的长输管线，其中原油管线 1.9 万公里、成品油管线 1.8 万公里、天然气管线 3.2万公里；在未来的 10 年内，我国油气管道建设将会处于高峰期。由于近年来管道建设的需求量巨大，油气管网也将不断的逐步完善，到 2015 年已经增加了 8 万公里的长输管线。
据初步估算，全世界的长输管线的总长度已经达到了 200 万公里，埋入地下的管道钢铁总重大约为 2 亿吨。如果这些地下管道在施工过程中没有采取有效的防腐措施，若按照每年腐蚀 10%的量计算，钢铁腐蚀量将会达到 2000 万吨，如果每吨按照 5000 元计算，每年就会腐蚀掉高达 1000 亿元的钢材。
由于钢管制造工艺和我国的施工不规范，导致地下油气管线投产 l~2 年后就会发生腐蚀穿孔的情况屡见不鲜，这种腐蚀损耗不仅会造成油气泄漏损失、资金损失和人力浪费，而且还有可能引起进一步的火灾、环境污染等严重后果。因此，加强对长输管线防腐新技术的研究具有重大意义，本文以靖边地区施工的长输管线防腐为出发点，分析土壤性能参数、测量受保护后的管/地电位，根据其特点，以减少今后在类似地质结构的施工中的建设费用。
1.2 长输管线防腐技术。
1.2.1 长输管线外加防腐涂层技术。
埋地管道的涂层保护是为了防止与外界的土壤接触，避免发生化学腐蚀及电化学腐蚀，从而达到防腐蚀的作用。目前，涂层的材料主要有以下几种：
①环氧煤沥青防腐层。
石油沥青涂层在我国 60 年代开始大量使用，自 1958 年起，埋地管道就开始采用三遍石油沥青两遍玻璃纤维布防腐绝缘涂层，一直到现在仍在广泛使用。目前主要是城市水管线及给排水管线的地下防腐仍然在使用石油沥青加玻璃纤维布的防腐绝缘涂层。为了改善石油沥青涂层的粘结力、减少环境污染，在沥青中加入环氧树脂就制成了环氧沥青涂料。该涂料与玻璃纤维布共同形成的环氧煤沥青涂层能够很好地满足燃气管线防腐的需求，目前国内的地下工艺管线及城市供水管线仍旧在使用三遍环氧沥青涂料两遍玻璃丝纤维布或五遍环氧沥青涂料三遍玻璃纤维布的加强级防腐施工工艺。该工艺的优点在于补口补伤比较容易，现场施工比较简便，但较大的弱点是机械强度低，在运输、吊装以及施工过程中，防腐层容易受到破坏、损伤，如果没有认真及时的进行补口补伤，埋地后会留下更大的安全隐患，最终反映出的是所需阴极保护电流密度大，阴极保护站的保护半径小。同时在管道旁的生长的植物根能长入到防腐层中，也会对防腐层造成破坏。
②环氧粉末防腐层。
环氧粉末是新型的热固涂料。其涂层很薄，厚度不超过 200 微米，但物理化学性能优异。且对阴极保护电流无屏蔽，从而成为西方欧洲国家长输管线的首选防腐涂层，其涂层与钢管具有良好的附着力、并且耐各种酸碱盐的浸蚀、防腐性能良好、使用温度范围广泛。目前在中国西部地区施工的长输管线外涂层已大量的使用环氧粉末作为防腐涂料，并且是管道得到了良好的防腐作用③聚乙烯防腐胶带层。
胶带是由聚乙烯单面涂敷胶粘剂而成，施工时直接缠绕在钢管表面。其突出特点是施工简便，无污染，涂层较薄、强度低。工厂预制的聚乙烯层胶带质量均匀可靠、但在运输过程中往往会发生较多破损、现场缠绕的胶带则张力不均在所难免、使搭接部分粘结不牢，导致水分渗入。胶带外防腐层适用于地下水位较低且土质较好的环境。目前天然气管道中弯头现场预制的多数采用聚乙烯防腐胶带进行缠绕来达到防腐的目的。
④挤压聚乙烯防腐层挤压聚乙烯防腐层（3PE）是欧洲为代表的一些国家首选的埋地钢质外防腐层涂层，由于 3PE 具有单层环氧粉末涂层和 2 层 PE 的绝大部分优点外，也克服它们的绝大部分不足，其性能优异[1],我国国内目前的天然气长输管道、天然气输气管网都已实现工厂化的 3PE 施工。
1.2.2 阴极保护技术。
由于长输管线的被腐蚀的原因主要为电化学腐蚀，用电火花检漏仪检查时，若有打火花现象，表明该处绝缘不佳，有漏电现象。而长输管道下沟后进行电火花检测，但管道回填过程中不可避免的造成防腐结构的轻微破损，这些破损往往是无法预见的，并且是不能进行补口处理的，日后将在此处发生化学腐蚀和电化学腐蚀，影响长输管线的使用寿命。因此目前国内长输管线中必须增加阴极保护系统。阴极保护技术就是通过向被保护的钢质管道通以足够负的直流电流，使管道表面产生阴极极化，减小或消除造成钢质管道土壤腐蚀的各种原电池的电极电位差，使腐蚀电流趋于零，进而达到阻止管道腐蚀的目的。以下两种办法可以实现这个目的：
①牺牲阳极阴极保护。牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的或相同的电位下。作为牺牲阳极材料，必须能满足以下要求：要有足够负的稳定电位；自腐蚀速率小且腐蚀均匀，要有高而稳定的电流效率；电化学当量高，即单位重量产生的电流量大；工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；腐蚀产物不污染环境，无公害；材料来源广，加工容易，价格低廉。常用的牺牲阳极品种有镁阳极、锌阳极和铝阳极这三类，或者这三种材料组成的合金阳极，如 Mg-Mn 阳极、Mg- Al- Zn-Mn 阳极、Zn- Al- Cd 阳极、Al- Zn-Sn 阳极、Al-Zn-I n 阳极、复合式阳极等牺牲阳极。
牺牲阳极的主要具有以下优势：适用范围广，尤其是中短距离和复杂的管网；阳极输出电流小，发生阴极剥离的可能性小；随管道安装一起施工时，工程量较小、施工方便；运行期间，维护工作简单。其缺点在于阳极输出电流从理论上不能实现调节，可控性较小。因此，此方法广泛应用于保护小型的城市管网、长输管线，如城市管网、小型储罐等，特别适用于天然气管道及比较短的输油管道。
②外加电流阴极保护。外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流流向被保护金属，使被保护金属结构产生阴极极化使管/地电位低于周围环境。对辅助阳极的基本要求有以下几方面：导电性能要好；排流量大；耐腐蚀，消耗量较小，寿命长；具有一定的机械强度、耐磨、耐冲击震动；容易加工、便于安装；材料易得、价格便宜低廉。根据阳极的溶解性能，辅助阳极可分为：可溶性阳极（如钢、 铝）、微溶性阳极（如高硅铸铁、石墨）、不溶性阳极（如铂、镀铂、金属氧化物） 三大类，目前陕北地区的长输管线应用最广的是高硅铸铁辅助阳极，因其价格低廉、消耗量小，使用寿命长等优点。直流电源是强制电流的动力源，它的基本要求是稳定可靠，能长期连续运行，适应各种环境条件。常用的直流电源有：整流器、恒电位仪、恒电流仪、热电发生器（TEG）、密闭循环蒸汽发电机（CCV T）、太阳能电池、风力发电机、大容量蓄电池等，目前的直流电源已经简化到恒电位仪与控制台一体化的程度了。该方法的优势体现在以下几个方面：可用于长输管线和区域性管网的保护； 输出电流大且可以进行调节，一次性投资相对较小；安装工程量较小，对旧管道可以进行补加阴极保护；容易实现远程自动化监控；不过在运行期间需要专业人员进行维护管理。因此，外加电流阴极保护适合于较长距离、大口径的天然气管道、输油管道，并且不受管道沿线地形限制。
1.3 国内外研究现状。
1.3.1 阴保系统理论和实验研究。
1823 年，英国化学家，海军军官戴维研究铜皮包覆的木船在海洋中的防护，铜和铁与锌接触可以使铜受到保护。1824 年，在船体上进行试验，用铁作为阳极，取得良好保护效果。他在研究报告中称：当泡在液体中的不同金属用导线连接成回路时，一种金属腐蚀受到促进，一种金属腐蚀受到减慢，这就是铜船通过连接铁和锌而受到保护的原因。
1829 年，戴维的助手，着名科学家法拉弟继续研究铁在海水中的腐蚀，发现铁在水面附近比在水底腐蚀更快。1833 年提出了着名法拉弟电解定律。明确定义了电解质、电极、阳极、阴极、阳离子和阴离子的概念，奠定了电化学的基础，阐明了阴极保护的原理。
1890 年，美国发明家爱迪生试验了外加电流法对船的保护方法，由于没有合适的外加电源和阳极材料而未获成功。1902 年科恩采用直流电机首次实现了强制电流阴极保护的实际应用。1906 年盖波建立了第一个管道阴极保护系统。用一台容量为 10V/12A 的直流发电机保护地下 300m 长的煤气管道。并获得专利。
1928 年，美国阴极保护之父库恩领导了新奥尔良一条长距离输气管道的外加电流保护工程。首次使用了阴极保护整流器。开创了管道阴极保护的新篇章。30 年代初期，美国已有 300km 管道采用锌阳极进行阴极保护，有 120km 的管道采用强制电流阴极保护，有 120km 的管道采用强制电流阴极保护。随后，从 30 年代到 50 年代，比利时、前苏联、英国、德国等欧洲国家都采用阴极保护技术控制埋地或水下管道的腐蚀。
我国的阴极保护工作开始于 1958 年。其直接原因是当时一条长输管道（克拉玛依-独山子输油管道）埋地 11 个月就开始穿孔漏油，最严重时每天都要穿孔几次。1961 年将原管道停产并施加了阴极保护，施加阴极保护后，该管道连续运行了 20 多年未出现漏油，1986 年有关专家通过考察分析、评估，认定此管道还可工作 20 年。1960 年以来，我国先后在新疆、大庆、四川、胜利、华北等油气田的地下输油和输气管道工程中，以及在北京、上海、天津、哈尔滨、广州、青岛、潍坊、成都、重庆等十几个大中城市新建的输气管线和输水管线等工程中，均采用了阴极保护技术，获得了明显的防腐蚀效果。
1965 年，阴极保护技术在浑河水闸上试用，1966 年在江苏的三河闸、射阳河挡潮闸和安徽裕溪口船闸闸门上进行了现场"涂料+外加电流阴极保护及牺牲阳极"的试验，取得了成功。开启了阴极保护在水利领域的应用。
1978 年，福建三明无线电二厂的 KKG 型恒电位仪研制成功，并获得了全国科学大会奖。同年，中石油管道设计院与抚顺铝厂开展的镁牺牲阳极研制，陆续通过了技术鉴定，把我国的牺牲阳极研究发展到实用化程度。而原六机部 725 所（现中船重工集团 725所）开发的船用牺牲阳极的研制和船用外加电流阴极保护技术，也获得了 1978 年的全国科学大会奖。1980 年前后，我国开始在电厂凝汽器上采用阴极保护。
1983 年，我国开始对油井采用阴极保护生产试验，取得了良好的保护效果，为套管防腐提供了一种新的解决方法，也开辟了阴极保护在油井套管中的应用。同年 10月6 日，由当时的国家建筑材料工业局水泥司和营口市城乡建设环境保护委员会联合主持召开了"预应力钢筋混凝土输水管道应用阴极保护评议会",1984 年 9 月，原国家建材局主持召开了阴极保护在预应力混凝土管道上应用的部级定会，推动了阴极保护在钢筋混凝土管道中的应用。1990 年，在辽阳化纤公司开展了我国首例在石化防爆厂区的地下管网阴极保护技术应用。该方案有当时在该公司工作的高金吉院士主要负责。该次应用成功突破了国际上外加电流阴极保护技术在防爆厂区内实施区域性阴极保护的禁区，开辟了阴极保护应用的新领域。此后，深井阳极阴极保护技术在国内石化行业得到了迅速推广和应用。
1997 年原武汉水利电力大学承接原国家电力公司下达的重点科研项目"接地网防蚀研究及应用",其中重要的研究内容之一就是在变电站现场进行接地网防蚀工程试验，以确定接地网阴极保护的可行性，为电力系统地下网的阴极保护开辟了道路。1998 年，郑州市天然气公司在全国率先采用对地下燃气管网采用深井阳极阴极保护技术和分段预制阳极体技术进行保护，实施后每年创造的直接经济效益 580 万元。随后，西安等城市也采用了类似技术，为地下燃气管网供了保护。
2008 年，全球电器供应商阿里斯顿在全球推出了使用外加电流阴极保护技术的电热水器，取代了此前电热水器中一直使用的镁棒（牺牲阳极）。目前，国内的太阳能热水器巨头皇明集团等也在积极将外加电流阴极保护应用于太阳能热水器中。阴极保护已经不仅仅局限于工业领域的应用，在民用领域，同样市场空间巨大（估计在我国电热水器领域，牺牲阳极的市场达到 20 亿元/年）。
1.3.2 阴保系统检测技术的现状及发展。
长输管道阴极保护是管道日常管理的重要工作内容，主要包括两个方面的工作，即：
阴极保护运行数据的采集和阴极保护运行数据的分析。长期以来，由于线路长、监测点分散、交通不便，监测工作实施与管理难度高，工作量大，为此，国外在上世纪 70~80年代率先进行了远程监测方面的研究，主要采用的技术方案是飞机遥测和卫星通讯遥测，这些技术的运用，在一定程度上，达到了提高监测效率，降低劳动强度的目标，但高昂的数据采集成本限制了此类技术的应用。在数据分析方面，美国环境总署曾经组织了有关的专家，建立一套阴极保护系统的运行维护软件，该软件包括：腐蚀防护的教育和智能性专家诊断系统，可实现数据记录、智能性专家诊断、设备查询、日常管理确定敏感地区的管道位置，以便发生故障时，及时提供相关的详细资料。同时也可提供管道事故的预警信息。便于管理部门及时准确的了解有关的阴极保护信息，也便于具体执行人员的自检和系统阴极保护的信息积累。
阴极保护技术具有较强的专业性，当前国内管道管理部门的阴极保护专业工程技术人员不足，而需要管理的管道却在不断增加，因此，通过采用新技术手段，提高阴极保护管理的水平成为发展的必然。
1.4 本文的主要研究内容和路线。
1.4.1 研究内容。
a.靖边地区长输管线埋地管道腐蚀原理；b.阴极保护系统的测试，通过测试数据来分析阴保系统的有效性；c.计算牺牲阳极对长输管道的保护寿命。
1.4.2 技术路线。
a.对定边-靖边输油管道复线工程靖边地区的土壤腐蚀进行测量分析研究。
b.调查定边-靖边输油管道复线工程的阴保系统的运行情况，对定边-靖边输油管道复线工程的运行进行进一步研究。
c.对受保护后的长输管线进行管/地电位测量，得出数据再进行分析，确定其阴保系统是否失效。
d.对陕北靖边地区长输管线防腐施工进行优化，提出在陕北靖边地区阴保系统施工时的最优化方案，以减少建设费用。
1.4.3 创新点。
随着科技的发展，靖边地区施工的长输管线的外加涂层质量再逐步提高，而且土壤主要为沙土地，管道回填时，对防腐层的破坏甚微，土壤的电阻率偏大，阴极保护所需要的总电流较小，通过牺牲阳极就完全满足要求，得出在陕北靖边地区小管径、短距离的线路不适合采用外加电流法对管道进行阴极保护，虽然利用外加电流法可以实现管道防腐层老化、破坏等的实时监控，但投入了大量的人员精力去管理、维护，造成后期使用成本加大，本论文通过对采集的数据进行分析，建议在陕北靖边地区小管径、短距离的施工项目中，采用镁阳极的牺牲阳极法和管道外防腐涂层的方法进行长输管线进行防腐，这样可以实现随线路一次性施工完毕，并且减少线路的后期维护及运行费用，本文通过数据分析和测算，对牺牲阳极材料的选用上具有一定的创新性，开创了镁阳极牺牲阳极可以在土壤电阻率在 100Ω。m 以上地区使用的先例。
1.5 题目来源。
定边-靖边输油管线复线工程以及以往在陕北地区施工的长输管线中的防腐工程。
