针对油气资源开发过程中,高寒冻土地区实施管道阴极保护技术存在的土壤电阻率增加对保护电流的需求和对电位分布产生极大影响的问题,建立了高寒冻土地区管道阴极保护电位分布的数值计算模型,研究了管道穿越高寒冻土地区时在深井阳极、浅埋阳极及带状阳极保护方式下,冻土对阴极保护电位分布的影响。研究结果表明,带状牺牲阳极通常铺设于管沟底部与管道平行,阳极和管道之间较近的距离会将冻土高电阻率的影响降至较小程度,保护效果较好,因此管道穿越高寒冻土区时建议采用带状牺牲阳极保护方式。

针对现有Cu/CuSO4参比电极和Zn参比电极无法在低温下保持稳定基准电位,以及受环境污染较大等问题,研制了一套可应用于冻土区的防冻型Cu/CuSO4参比电极。该参比电极在罐体材料及结构、防冻电解液等方面进行了技术创新,具有受外界干扰小、可连续补液、使用寿命长、结构合理、使用方便等优点。在实验室内不同温度下测量X65钢对Zn电极、普通Cu/CuSO4参比电极及防冻型Cu/CuSO4参比电极的电位,结果表明:防冻型Cu/CuSO4参比电极在-20～20℃内电位变化仅为73 mV,基准电位比常用参比电极更稳定。采用能斯特方程对不同温度下的防冻型参比电极的电位差进行计算,计算结果与现场测量值基本吻合。(图4,表1,参10)

便携式Cu/CuSO4参比电极具有耐腐蚀、电位稳定及不易极化等优点,常作为管道和储罐电位测量的主要工具。但在低温环境下,常因电解液及陶瓷头/环境界面结冰而无法正常使用。本文研制出一种新型防冻型便携式Cu/CuSO4参比电极,通过向CuSO4饱和溶液中添加乙二醇溶液来降低电解液的凝固点。实验室研究结果表明,在室温下,添加了防冻液的参比电极和普通Cu/CuSO4参比电极性能相差不大,可以替代使用。但在-20oC时,防冻型参比电极电位较普通CuSO4参比电极更为稳定。

针对目前常用参比电极(高纯Zn及Cu/CuSO4参比电极)在低温环境中基准电位不稳定的现状,研制了一套可应用于冻土区阴极保护系统的的新型防冻型Cu/CuSO4参比电极。通过与常用参比电极在实验室及现场对比,该电极在低温下性能稳定,设计结构合理,使用方便。

在季节性冻土环境下埋地管道的阳极接地电阻和阳极地床可引发阴极保护故障。有些管道工程要穿越冻土地带,由于在设计过程中未考虑季节性冻土给阴极保护系统运行效果造成的影响,致使阴极保护系统运行不正常,保护效率差,进而导致防腐效果差,给生产运行带来了较大的损失。目前,国内阴极保护技术致力于工程设备阴极保护电位分布系数数学模型应用研究、高强度交(直)流干扰检测技术与排流工程技术开发及表面型阳极的研发等方面。大庆油田地处中纬度高寒季节性冻土地区,已广泛应用管道阴极保护技术,单井集油、采气管线一般采用牺牲阳极阴极保护技术,站间管线、外输管线一般采用强制电流阴极保护技术。

大庆油田地处中纬度高寒季节性冻土地区,冻土深度在1.8m左右,参比电极电位在此环境下的稳定性将直接影响阴极保护系统的电位控制和参数的准确测量,因此,要求参比电极具有较好的低温性能。综合对比5种参比电极的各项性能可见,在低温冻土环境下最理想的参比电极为抗冻性Cu/CuSO4参比电极,此外也可选用固态Ag/AgCl参比电极和MnO2参比电极。

阴极保护作为必不可少的第二道防线与防腐蚀涂层一起可对埋地管道提供经济有效的腐蚀控制。但在复杂的冻土地区,特别是呈现年度或季节性冻结与融化循环交替的地区,由于土壤电阻率随土壤冻/融循环所表现出的急剧变化使得阴极保护的有效实施成为工程设计难点之一。本文详细介绍了阿拉斯加管道为确定沿线埋地管道阴极保护方法所开展的试验研究以及阳极材料的选择依据等,旨在为国内即将建设的中俄原油管道冻土区管段阴极保护设计方案选择和施工提供必要的参考和借鉴。

阴极保护对防止管道腐蚀起着重要的作用,参比电极电位的稳定性将直接影响阴极保护参数测量的准确性。由于参比电极本身不防冻,不能满足冻土区测量的要求,因此研制了一种可用于冻土区的参比电极,该参比电极在低温下不会发生冻结,电化学性能比较稳定,可用于冻土区阴极保护参数的测量和控制。