经验交流胃
Experiancv EicchangQ H a
阴极保护电流密度的理论计算及其应用沈光霁1党娜1任帅民2吴靖1马文军1杨启明1陆阳1 (1.沈阳龙昌管道检測中心，辽宁沈阳110168; 2.管道沈阳输油气分公司，辽宁沈阳110032) 摘要：长输埋地油气管道通常采用防腐涂层和阴极保护联合的方式进行防腐蚀保护。本文通过理论和实践证明阴极保护电流密度可以非常好的反应管道防腐层及阴极保护的工作状况。可以通过阴极保护电流密度的计算及评价，对管道防腐层质量进行分级。而对于电流密度异常的管道，还可 以推算出防腐层面电阻率、阴极保护输出电流漏失量等重要信息，进而分析查原因，解决实际问题。 关键词：管道防腐层阴极保护电流密度面电阻率
中图分类号：TE988 文献标识码：A DOI：10.13726/jki.11-2706/tq.2017.03.037.04
Theoretical Calculations and Applications of Cathodic Protection Current
Density
SHEN Guang-ji1,DANG Na1,REN Shuai-min2,WU Jing1,MA Wen-jun1,YANG Qi-ming1,LU Yang1
(1. Shenyang Longchang Pipeline Survey Center,Shenyang110168, China;
2. Pipeline Shenyang Oil&Gas Transportation Sub-company,Shenyang110032, China)
A b stract：Anti-corrosion coating and cathodic protection were usually combined to protect long-distance
oil and gas buried pipelines.In this paper,it was proved that the cathodic protection current density could be very good response to the working conditions o f the pipeline coating and cathodic protection by the theory and practice. Calculated cathodic protection cuirent density by the formula derivation and classed the coating in different current density by the evaluation indicators.For the pipeline o f abnormal current density,some important parameters such as coating resistivity o f per unit area and the leakage current should also be calculated,and flirtheraiore analyze and find the cause,solve the practical problems.
Keyw ords:pipeline coating;cathodic protection;current density;surface resistivity 技术
0前言
目前，我国绝大多数的长输埋地油气管道均采 用防腐涂层和阴极保护联合的方式来进行防腐蚀保 护，其防腐涂层一般具有良好的绝缘性能，它能在管 道表面形成一层连续的膜，将埋地管道与周围腐蚀环 境进行物理隔离，使两者之间增加一个很高的电阻’从而阻止电化学反应的发生。对于埋地长输管道来 说，阴极保护电流密度是反映防腐层绝缘性能的指 标，其数值大小依据管道防腐层状况而变化：管道防 腐层破损越多，所需阴极保护电流密度就越大，反映的防腐层绝缘性能就越差》
由于现场环境干扰、测试方法复杂、设备存在 误差等众多因素的影响，要想准确测量管段中的阴极 保护电流密度非常困难。因此，如果能够不用实地测 量，只通过基本参数计算出特定管段中的阴极保护电 流密度，这对于开展阴极保护电流密度评价工作具有 现实意义，也将对长输油气管道阴极保护系统的日常 维护工作带来诸多便利。
1理论计算
作者简介：沈光霁（1984-)，男，辽宁营口人，工程师，硕士，现主要从管道腐蚀检測与防护技术工作。
全面腐蚀控制37
第31卷第03期2017年03月
经验交流
Expert^ncd Exchange
技术
流入的阴极电流就是阴极保护电流密度。根据定义我 们可以得出下列计算公式：
(2)
j v DL
H ：保护段管道的电流密度，mA /m %I ：流人保护段管道的电流量，mA ;D ：管道直径，m ,L ：保护段管道长度，m ,1.1利用恒电位仪输出电流量进行计算
假设恒电位仪输出电流I ’全部作为有效阴极保 护电流流人保护段管道，那么I ’ =1，电流密度的计 算公式为：
T <
只=」一
(3)
t v DL
此方法的优点是方法简单，计算方便，缺点是 当阴极保护电流大量漏失时，易出现很大误差。1.2利用单侧保护段管道长度、保护电位进行计算
(1)单位长度管道纵向电阻
P t
rT ~ n (D -8)d
r T ：单位长度管道纵向电阻，W/m P T ：管道电阻率，W.m D ：管道外径，m S ：管道壁厚，m
(2)单位长度管道防腐层电阻率
⑷
R p
JtD
Rr ：单位长度管道防腐层电阻率，W.m Rp ：防腐层面电阻率，W .m 2 (3)衰减因数
(6)
tx ：衰减因数，1/m (4)保护段单侧管道长度
痤疮王r
_ 1 , 2E b
m ax — —In -
E ,
(7)
保护段单恻管道长度，m
最大保护电位较自然电位的偏移量，V t
最大保护电位较自然电位的偏移量，V ,(5)
保护段单侧阴极保护电流量
E max ' th ( CtL max )
/〇=
V
保护段单侧阴阴极保护电流量，A
(6)
保护段单侧阴极保护电流密度
____1〇___v i n 3
兀
D L ~
(9)
保护段单侧阴极保护电流密度，mA /m 2 将公式（4> (5) (6)代人（7)中得出防腐层面电阻率：
R
{D -
S )S \n 2—^
(10)
将公式（4) (5) (7) (10)代人（8>中得出保护段单侧阴极保护电流量：
TriD -S ^E ^E ^
-
E 2^
2E
…
h
(11)
P t L ^{E1^ +^2n d n )
将公式（11)代人（9)中得出保护段单侧阴极
保护电流密度：
联合国千年发展目标(D -
SySE ^E ^
-
E 2^
2E …
(12)
DPrL ^
E ^+
E 2^)
因此，已知保护段单侧管道长度、最大最小保
护电位、自然电位、管道外径及壁厚、管道电阻率等 参数，就可以通过公式（10) (11) (12)分别计算出防腐层面电阻率、保护段单侧阴极保护电流量及电 流密度，并且将保护段两侧阴保电流量之和与恒电位 仪输出电流相比较，可以计算出输出电流的漏失量。
此方法的优点是相对1.1方法的计算数值更准确 一些，并且可以算出输出电流漏失量，缺点是计算繁
琐，只能算出保护长度在内所有防腐层的平均面电 阻率和平均电流密度，并且假设保护电位均勻衰减，
而实际电位衰减并不均勻。2评价指标
目前，国内还没有统一的阴极保护电流密度评 价标准，但行业中大多数使用的评价依据都非常相
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TOTAL CORROSION CONTROL
VOL.31
NO.03 MARCH.2017
经验交流
Expeiidnco Excfiange圔
近。本文采用的是表i中的电流密度评价指标，对不
同电流密度的各类防腐层进行评价分级，用于指导防再生制动
腐层与阴极保护的日常维护工作。
表1电流密度评价指标[1]
防腐层分级
电流密度（MA/m2)
三层PE石油©青及其他类
1级<10<40 2级10-4040 - 2^0 3级>40> 200
对于1级防腐层’主要是要监测管地保护电位，确保管道不存在过保护或欠保护，必要时调整系统输 出；
对于2级防腐层，也是要监测管地保护电位，确保管道不存在过保护或欠保护’必要时调整系统输 出，同时，关注阴极保护电流密度变化情况，如果与 历史数据发生较大偏离，则应査原因并予以纠正。
对于3级防腐层，是不可接受的，应立即査 原因并进行纠正，属于外部干扰或金属搭接造成的，予以处理< 属于防腐层劣化的，安排修复或大修。
在实际工作中，利用理论计算出的阴极保护电 流密度与上述评价指标相比较，当电流密度较大时，主
要原因包括防腐层劣化、金属搭接，绝缘接头失效1受杂散电流千扰等，当电流密度较小时，主要原因包 括受到杂散电流干扰、管道通电点电位负于自然电 位、阴极保护不能有效输出、牺牲阳极或者某些排流 设施影响阴极保护电流密度等，
2应用实例
2.1电流密度较大
某一原油管线末站保护段管道K L001 ~K016, 管径529mm，壁厚7mm，防腐层为石油掘青，自然 电位-0.55V，保护距离16km，末站恒电位仪输出电 流 50A，。
图1中最髙保护电位是-1.550V，位于K001 桩（lkm)处，然后电位逐步衰减到最低保护电位-0.877V，位于 K016 桩（16km>处。
上述例子中，末站恒电位仪输出电流50A，远 远超过阴极保护站正常的输出电流范围，数据异常，下面利用本文介绍的两种理论方法进行计算，分析异 常原因。图1测试桩K001〜K016的保护电位
1.1的方法计算：假设恒电位仪输出电流50A
全部作为有效阴极保护电流流入保护段管道，那么
利用公式（3)可以得出平均阴极保护电流密度为
188〇m A/m2，与表1评价指标相比数值异常偏大。
但此种方法忽略电流漏失量，无法分析异常原因。
1.2的方法计算：管道电阻率取0.166 x l〇6W.m，
利用公式（7)得出平均防腐层面电阻率为1876W.
m%利用公式（8)得出有效阴极保护电流量为
1143A，与恒电位仪输出电流相比较，得出电流漏失
量为38.57A，利用公式（9)得出平均阴保电流密度
为430 A/m2。与表1评价指标相比，属于3级防腐
层，防腐层质量较差，这也与该管段服役30多年，
防腐层老化的实际情况相符。
通过1.2中方法的计算，可以说明导致末站恒电
位仪输出电流异常过大，主要是因为大量输出电流
惠威t200a的漏失，初步判断是与裸管搭接或者绝缘接头央效
导致。最终通过详细排査、沿线开挖，使用PCM漏
电率法p]测量出恒电位仪输出电流经末站绝缘接头
处向非保护段漏失电流为43A，虽然与计算数值略有
偏差，但证明了此方法可以正确分析数值异常原因，
具有实际应用性。
2.2电流密度较小
某输油保护站的保护管段，防腐层为石油沥青，
通过1.1中的方法计算出该管段阴极保护平均电流密
度为12MA/m2，而同一管线上的具有同样防腐层的
其它输油保护站电流密度为80 ~ 120 nAAn2。通常
情况下阴极保护电流密度低说明该段管道的防腐层
良好，在此案例中，该站与同一管线上其它保护站情
况相同，但电流密度却相对偏小，数据异常。通过实
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第31卷第03期2017年03
月
际按査发现：由于杂敢电法的彩期，庄段管道通电点电位偏负，导致阴极保护电徒不能有效嫌出，电流#度偏小。后期根据内检镛结果1表明该段管a t比其它伽保妒站保护的并H在该做臟
柱处安装松査片5个月后，发现保护电位在软足阴极保护准则131的情况下，检査片仍发生较为严重的麻蚀•*于雑电财蚀.
通过上述理论计算和应用实例，证实了阴极保护电嫌密度可以非常好的反应管道防腐层及阴裰保炉的工作状况_在实S工作中，可以裰据阴极保伊电徙密度蹄麻首;ifeil过L1中的摊初步判断阴极保护及防麻■的状况，如杲数据异常，再通过U 中的方法详细计算，分析异常廉因，；t其对于输出电流异常的阴保站，建议工作人员根据理论计算法推算出有a t阴保电^出量及》失置、进而査原因，解决实际问SU
但理论计#终归不是现场测董，«干怙算，与实&数值有一定偏差，只能用来定性评价明®保护电流绝皮，要想准_量阴&保护电皮必期通过现场测量的方法来实现■
[I]中肺油朁竈公司.油气帕UlttiSN%用技米[m•北京•石油Tim販社，wiot si>w
p]G B m i246>2(»7，勒湖极保炉C«f l t方法丨S]，北 京■中出ft社.aw?
p]O T/rii+w-M M.n地《珥管逢糊I保炉技术規»m.；!»■ 中国择准出K社
(上柃 H11 S T)
技
术
■ 6斜对角线A2A6 (M A S)保护电位分布
储《邮龙电位分布规U下：
U)深井阳极布置方式是保护电位分布的主要原因，距离阳被越近，电位仏反之电位雄K,
单阳秘对角线电位分布相同f双阳抽tt对角线电位
分布不同J
<2)应用双阳极可改赛抽縐底板保护电位分布
不均句性，通过优化设*深井阳橛位置和埋深，可保
证储罐底板全部处于被保炉状杰,
⑶保护电健社值挪平職iJiit
得，对于单_fil单支深并阳#，保护电位最小值并不
在罐中心S t，而是位于中』C>«|线的某点.
40TOTAL CORROSION C0K TR0L
VC L31 N0.D3 MAROH^QiT 石结束语
由子f t值方法维度，精度和计算时间因素，本研究抽罐和葆并阳极数董有限.但本文給出了研究細嚷阴裰保炉系统的可行的技未路钱.对于包含离心泵、工艺管道等复杂的区域性阴板保护系统或者铕M进行数值模拟还应考虑设旅间的相互干扰影晌，还一，研究#
卩]解扛军•杜和t，张连来，ff#阳•明檯用及相关技 *m.*m*^( 30M, 4KS), 43-W
P]枨丰，陈供《(，李位《H U在管遵明橛保护中的 如im■油气嫌s，如n.斯仏3〇s4i2
p]«±«.明*供护工程手《，北J C•化学Xjt出舨社，w», n,m,132^116, 56~3E
[4J會轉，S志韋.地下金羼拓t的鳶》与助沪，北京 >石油工 业迅IK社，厶22}
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