浅谈阴极保护中电流屏蔽的形成原因和解决办法（胜利油田胜利油建公司，山东刘景龙）【摘要】在长输管道系统中往往在存在电流屏蔽区域，此区域腐蚀相对严重，本文着重分析在长输管道施工中形成电流屏蔽的原因及解决方法。
The location where has current shield will be corroded very badly in the pipeline system,the purpose of this article is to analyze the reason of current shield and to find the solution.【关键词】原电池电流屏蔽负电位相对负电位游离离子1概述在长输管道修检过程中，往往发现在套管区域，混凝土固定墩及管道群密布的区域腐蚀比较严重，是造成油气泄漏的重灾区，给生产运行单位造成严重的经济损失及安全事故。
在本文中，笔者结合实际工作经验，谈一谈长输管道埋地管线腐蚀的原因，并从设计、施工、管理等方面对加强防腐管理，加强管道保护措施进行探讨。
2腐蚀原因及阴极保护原理2.1腐蚀的原因腐蚀分为电化学腐蚀和化学腐蚀，以钢铁为例:钢铁在干燥的空气里长时间不易腐蚀，但潮湿的空气中却很快就会腐蚀。
原因是在潮湿的空气里，钢铁的表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量的氢离子与氢氧根离子，还溶解了氧气等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。
在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。
铁失去电子而被氧化.电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。
除了电化学腐蚀外，还存在化学腐蚀，化学腐蚀是两物体之间的直接腐蚀，不存在电子的移动，腐蚀速度缓慢。
2.2阴极保护的原理阴极保护是一种用于防止金属在电介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐蚀的电化学保护技术，该技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。
根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种，前者是将一种电位更负的金属（如镁、铝、锌等）与被保护的金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。
后者是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物，从而使腐蚀得到抑制。
牺牲阳极保护法相当于一个原电池，阳极（负极）被腐蚀阴极（正极）被保护，见图1。
强制电流保护法相当于电解池，阳极附近发生氧化反应，阴极附近发生还原反应，见图2。
图1：原电池原理图2：电解池原理3长输管道中阴极保护屏蔽的形成阴极保护的屏蔽是由于保护电流无法到达被屏蔽的管道区域，使得阳极与管道屏蔽区域无法形成电流回路，使得管道屏蔽区域到不到保护。
笔者将在下述中建立简单模型来解释其内在原因。
3.1套管结构对长输管道的屏蔽3.1.1管道在穿越河流，道路，房屋，铁路，及管道群时套管的屏蔽在穿越河流，道路，房屋，铁路，及管道群时，常常需要将管道安装在金属套管或非金属套管中，以方便施工或对管道提供机械保护。
采用套管时，将有以下情况发生：1、管道与套管之间无任何电解液，只有干燥空气（理想化），并将套管口密封。
在这种情况下，由于套管与管线之间有绝缘空气，所有不管套管采用金属套管还是非金属套管对阴极保护的影响是一样的。
在这种情况下阴极保护电流完全被屏蔽，管线仅受大气腐蚀，这种腐蚀为化学腐蚀，没有电子移动，即使管道上有富裕电子，阴极保护不起作用，但腐蚀极慢。
但在实际中，这种理想化是不存在的，并且在穿管过程中容易造成防腐层的破坏。
在管线破损处就会形成无数微小的原电池。
这时有很多人认为：此时管线上有富裕电子，并且存在电化学腐蚀有电子的移动，阴极保护会起到保护作用。
其实这种想法是不对的。
由于套管与管线存在绝缘，阴极保护电流无法到达此处，不能形成闭合回路，此时管线上的富裕电子在初期会与原电池中的游离的正离子结合，管线受到保护（此时，氧化反应与还原反应同时存在），但由于不能形成电流回路，游离的负离子不能转移出去，随着时间的推迟会使得原电池中管线破损处的游离负离子急剧增加，游离正离子急剧下降，使得原电池电位下降，到达一定程度时管线上的电子便很难与原电池中的游离正离子结合，相反由于原电池中的游离负离子增多会加速此处的管线腐蚀（此时，氧化远大于还原）。
图3：套管间无电气连接无电解液2、管道与套管之间没有电气连接，但套管内有电解液或泥土。
此时，若套管为金属套管，阴极保护电流经过套管到达输送管道。
在这种情况下，输送管线和套管外壁可以得到阴极保护。
图5：截面图在此情况下，输送管线受到保护是显而易见的，不再赘述。
重点探讨套管的腐蚀。
由于电流由套管外向内移动，并且得电子被还原失电子被氧化，很多人会认为套管内侧被保护，外侧被氧化。
其实这种观点是错误的，它忽视了在电解液中，电子是以游离负离子形式存在的。
游离的负离子到达套管内侧，与套管发生氧化反应，套管内侧失去电子并将电子转移到套管外侧，套管外侧的溶解液得到电子，形成游离负离子并移动到远方大地。
由此可见，套管内侧会加速腐蚀，外侧由于阴极保护作用会减缓腐蚀。
此时，若套管为非金属绝缘套管，套管内部不能与阳极形成电流回路，使套管内电解液中游离负离子增加，电位下降，阴极保护不起作用。
3、套管与输送管存在电气短路。
此种情况只出现在套管为金属套管时。
一旦金属套管与输送管发生电气短路，阴极保护电流沿着套管通过接触点返回输送管线。
此时，如果套管与输送管线之间有电解液，输送管将发生严重腐蚀；即使没有电解液，管线也得不阴极保护，并会严重消耗整个管线的富裕电子。
图6：套管与管线有电气短路分析原因：由于金属套管和输送管线有电气连接，使得输送管线上的大量电子移动到金属套管线套管管上，如果管道内有电解液，金属套管内侧的富裕电子与套管内电解液发生还原反应，输送管线破损处在初期也与套管内电解液发生还原反应，使内部电解液负离子增加，而无法转移出去，当负离子到一定程度时就会加速输送管线的腐蚀。
如果套管内无电解液，由于电气连接件电阻低，电子通过电气连接件移动，套管内管线得不到阴极保护，而套管得到阴极保护，并浪费大量富裕电子。
因此，在长输管线设计中，应该尽量避免采用套管穿越防护，而是靠增加管线自身管壁度或采用新型材质提高机械强度，直接穿越。
在因特殊环境、工程其他因素下必须采用穿套管保护时，可以根据腐蚀的本质来对套管内管线实施保护。
在采用套管时，由于很难保证套管的密封性，并且即使密封良好也可能出现凝析水，所有不宜采用直接封堵方法。
笔者认为可以根据工程实际需要采用以下几种方式：1.套管为金属套管✧往套管内注入可固电解质，如泥浆及其他适应电解质，不宜注入水，因为水在旱季容易流出干涸。
✧往套管内非导电并具有良好气密性物质，如沥青胶，明胶,此种方法是将管线与外界绝缘，及不让其发生电化学腐蚀，阴极保护液不起作用。
✧在套管内加入电解质，并在内安装阳极。
但笔者认为这中方法更适合于套管为非金属绝缘套管的情况下。
因为在钢套管中安装阳极增加了套管与管道短路的机会，必须要采取相应措施避免短路的发生，并且在存在电解质的情况下，阳极的作用只是增加双层保护。
2.套管为非金属绝缘套管✧往套管内非导电并具有良好气密性物质，同金属性套管原理一样。
✧在套管内加入电解质，并在内安装牺牲阳极。
牺牲阳极易采用带状阳极，并与管线有一定距离，以便形成环形电流，对管线360度保护。
如果采用块状阳极，则每块阳极的保护范围需要根据计算得出，根据实际套管长度算出实际所需阳极块数。
如果采用安装辅助阳极对套管进行保护，如安装MMO阳极，则需要加强制电流。
3.2固定墩的屏蔽由于固定墩内有密集的钢筋，如果在施工过程中质量监督不严，就有可能发生固定墩内的钢筋与长输管线意外接触，它就等效于一个电气连接的套管。
由于钢筋从主管获得大量电子会在接触点附近许多小微电解液中发生还原反应，使得电解液中游离负离子增加，并且由于混凝土的电流屏蔽，负离子无法正常移走，从而使管线得不到充分保护。
图7：固定墩的屏蔽3．3管线附近其他金属结构的屏蔽如果管道附近存在一条不与长输管道平行的金属物体，由于金属的电阻低，电流会沿着金属物体远管线端向近管线端移动，并在靠近管线测流出，由于埋地金属存在于管线的一侧，只会对长输管线的一侧电流造成较大的影响，不会把长输管线的四周都屏蔽，所有这样就造成了部分长输管线得不到充分保护。
图8：其他金属构筑物的屏蔽3.4土壤的屏蔽对于长输管线在经过其他管网群区域时，如果管网群存在防腐质量问题，造成大量电子泄漏，由于管网群中管道数量较多，泄漏电子量较大，在游离负离子不能很好移出此区域时，会使得周围土壤电位下降。
管线的相对负电位值变小，阴极保护作用减弱。
在长输管线经过其他管网群的区域，应该把参比电极靠近管道安装，不然测得的电位不是管线相对于周围土壤的电位，达不到检测效果。
在出现土壤屏蔽区域可安装牺牲阳极消除此区域过多的游离负离子。
结论长输管道中的屏蔽是由于管线周围聚集大量游离负离子由于无法形成闭合电流回路而无法移动到远方，造成长输管道对周围电解液的相对电位差减小，从而无法抑制管线的氧化反应，使阴极保护失去作用。
因此，设计时就要对管线的电流屏蔽给予足够的关注，根据现场及工程情况设计最适宜的安装方式及保护方法。
参考文献【1】胡士信.阴极保护工程手册.北京:化学工业出版社，2000【2】【美】 A.V.皮博迪.管线腐蚀控制.北京:化学工业出版社，2004【3】GB/T21448-2008.埋地钢制管道阴极保护.【4】百度文献.。