区域性阴极保护是指将某区域内所有预保护对象作为一个整体进行保护，依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的自由分配以及与相邻设备的电绝缘措施，使被保护对象处于规定保护电位范围之内。与常规阴极保护方法相比，保护对象不是单一的，而是一定区域内的金属结构复合体[1]。国外从20世纪60年代就开始区域阴极保护的研究和应用，目前技术相对成熟，大型油库和输油泵站的区域性阴极保护已经走上强制实施的法制轨道，并且实现了阴极保护系统和主体工程同时设计、同时施工、同时投产，取得了良好的效果[2]。区域阴极保护技术在国内的应用始于20世纪50年代，经过几十年的发展，目前区域阴极保护已经在国内输油气站场[3,4]、城镇天然气门站及调压站[5]、油井套管[6,7]、地下集输管网[8-10]的腐蚀防护中得到广泛应用。然而，发展到今天，区域阴极保护技术在实际应用中仍存在较多问题，尤其是在保护对象繁多 （埋地管网、储罐、钢筋混凝土结构和设备及管网接地系统），地下金属结构复杂和站内空间有限的输油气站场中，对其施加阴极保护时常会出现阴保电流消耗量大、阳极地床设计受到限制、干扰和屏蔽问题突出、后期调试整改工作量大等问题，这些问题的存在给油气输送站场区域阴极保护设计带来了很大的困难，是目前管道系统阴极保护的薄弱环节。本文针对阴极保护电流需求量确定、阴极保护方法选择、接地系统影响及数值模拟计算技术在输油气站场区域阴极保护技术中的研究现状及存在问题进行了调研、阐述和探讨，以期为区域阴极保护技术在国内输油气站场的应用和发展提供借鉴。

1 站场区域阴极保护应用现状

近年来，随着西气东输管道工程、忠县-武汉输气管道工程、陕京二线输气管道工程、西部管道工程等重大管道项目的投产运行，工艺站场内埋地管道及金属构筑物腐蚀的问题逐渐暴露出来。西气东输一线投产仅4 a,已有12座站场埋地管道涂层失效，4座站场 （轮南站、柳园站、古浪站和延川站） 已经发生局部的电偶腐蚀，忠武线投产不到1 a时间岳阳站就发生了腐蚀穿孔，黄石站站内管道腐蚀坑深度达3 mm,其它站场发生不同程度的腐蚀[1]。西部地区天然气管道多个压气站场在建设时认为站区土壤干燥，无施加阴极保护的必要，但由于站内土壤腐蚀性很强，加上现场涂装防腐层质量不过关，站场投产运行4 a后即发生防腐层失效和管道腐蚀，2007年出现小管径管道泄漏情况，2009年压气站埋地管道进行外防腐蚀层大修过程中，发现约130处腐蚀相对严重的点，同时发现大口径工艺管线也发生了严重的腐蚀[11]。这些腐蚀隐患的存在及腐蚀泄漏事故的发生已经严重影响和危害到站场工艺生产管线的安全运行。与此同时，随着管道完整性管理理念的不断加强和长输管线阴保技术在国内的成功实施，为站场施加区域阴极保护技术逐渐得到相关人员的重视和青睐。

目前，区域阴极保护技术在国内输油气站场已经得到了较为广泛的应用。一方面，长输管线输油气站场、城市天然气站场等旧站均开始补加区域阴极保护。中石油天然气管道局自1990年来先后对东营首站、濮阳首站和石楼末站等热泵站实施了站区阴极保护改造[12]。岔南联合站[13]在投产11 a后由于站内管线、容器等腐蚀严重，对站内实施了以深井阳极为基础的区域阴极保护，阴极保护率达到90%。此外，西气东输古浪压气站[14]、大庆油田某污水处理站[15]、轮南集油站[16]等均先后补加了区域阴极保护。城市天然气厂站如安托山天然气门站等[5]也成功实施了区域阴极保护。另一方面，部分新建站场在设计之初就考虑了区域阴极保护，如陕京三线阳曲压气站[17]。国内外阴极保护工程实践证明，对输油气泵站、油库罐区及油气集输联合站等施加区域阴极保护比仅采用外防腐涂层技术更加有效和实用[1]。

一般来说，油气输送管道沿线通常设有增压、分输/计量等各类站场，工艺、消防、排污、给排水等管网、储罐底板、设备底座等与避雷防静电接地系统构成了庞大的金属结构网，同时，几乎所有管道干线均施加了阴极保护[18]。在这样的背景下，使得输油气站场区域阴极保护具有以下特点：（1） 电流消耗量大，大部分电流通过设备底座、接地系统流失，只有小部分电流消耗在管网、储罐底板上；（2） 金属结构物密集排布和接地系统的影响导致屏蔽现象常发生；（3） 地床位置范围有限，往往造成过保护或欠保护；（4） 易对站外阴保系统产生干扰；（5） 属于易燃易爆场所，安全性要求高。

基于以上特点，目前输油气站场区域阴极保护关注和研究的重点主要包括电流需求量的准确确定、阳极保护方式的选择、站内外干扰情况、接地系统影响等，同时，近几年来，由于计算机技术的发展，数值模拟技术在区域阴极保护阳极地床优化和效果预测中得到广泛应用，有效减少及避免了管道过保护及欠保护现象的发生，逐渐成为必不可少的阴保工具之一。

2 站场区域阴极保护关键技术问题研究现状

区域阴极保护成功应用的关键在于阴保电流需求量的确定、阴极保护方式的选择、接地系统的影响及阴保数值模拟技术在区域阴保设计中的有效应用等。

2.1 阴极保护电流需求量的确定

站内埋地管网阴极保护电流需求量是区域阴极保护设计中的一个关键性参数。通常由经验法或馈电实验法得到。

经验法是指从各种文献与已有资料或标准中获得相似情况下管道的保护电流密度，再根据电流密度和保护面积获得电流需求量。标准SY/T0036-2000中提到，对于新建管道，可以利用管道覆盖层电阻大小确定管道保护电流密度，在涂层面电阻率为5000~10000 Ωm2时，取保护电流密度为100~50 ?A/m2;在>10000~50000 Ωm2时，取<50~10 ?A/m2;在>50000 Ωm2时，取<10 ?A/m2,这里的电流密度是指防腐涂层完整无损的情况下管道所需最小保护电流密度[19]。但是，对于运行多年补加阴极保护的旧站场，管道防腐涂层逐渐老化，绝缘电阻降低，甚至出现漏点或破损等状况，所需保护电流密度随之增大，而且对于大型输油气站场，埋地管道繁多复杂，管道表面状况不一，庞大的接地系统会吸收大量阴保电流，因此按照经验法确定保护电流密度的方法不再适用。

近些年来，利用馈电试验确定已建站场内埋地管道阴极保护电流需求量的方法逐渐得到相关研究人员的青睐[20]。馈电试验即在站场建立模拟阴保系统，分区对站内埋地设施进行临时保护，检测埋地设施的电位分布和相应的电流需求量，分析确定站内的电流流失点、屏蔽区域和干扰等严重影响阴极保护效果的情况，设计过程中还可根据试验结果优化阳极地床的位置和类型，并采取相应的措施防止因电流流失或屏蔽造成的保护不足及干扰现象，为设计工作提供切实的数据支持，提高阴极保护系统改造的成功率和保护效果[21]。周冰等[21]在某大型站场开展了现场馈电试验研究，通过分区域建立模拟阴保系统的方法，先确定临时阴保系统的有效保护范围，通过计算该范围内被保护物的表面积和相应的输出电流，得到实现有效保护的最小电流密度，然后假设库区其他区域埋设管网涂层和接地情况与模拟保护区域相同，利用馈电试验结果直接外推，根据库区被保护物的总面积，计算出整个原油库区所需的总保护电流值，确定站内管道及储罐所需阴保电流密度大小和各区域的电位分布等相关参数。

相比经验法，馈电试验直接在要施加区域阴极保护的实际站场开展，得到的电流需求量测试结果更加直接，准确性更高。然而，馈电试验的前提是馈电区域内埋地管道独立于外部金属结构物，即站内管道需要通过安装绝缘接头或其他方式与外部结构物进行电隔离，保证馈电试验的输出电流集中于试验区域内，当站场不满足此条件时，则馈电试验电流会流入站外管道或其他外部结构物，导致测试结果存在一定误差。因此，如何在馈电试验难以实施的情况下准确确定站内阴保电流需求量还需进一步研究。此外，馈电试验中极化时间的合理设置以及根据馈电结果准确计算结构物整体保护电流需求的方法均有待进一步研究。

2.2 阴极保护方法及地床形式的选择

阴极保护方法分为牺牲阳极和外加电流两种，在有些情况下也可能采用牺牲阳极和外加电流联合保护的方式。

2.2.1 牺牲阳极保护 牺牲阳极保护的优点是不需要外部电源，对邻近构筑物干扰很小，投产调试后管理工作量小，工程越小越经济。缺点是阳极输出电流小，保护距离短，保护电流输出量不易调节，在区域保护对象电流消耗量难以估计的情况下较为被动；与被保护体的焊接连接点较多，增加了被保护体防腐蚀层破修复量；牺牲阳极的使用寿命有限且在站内环境条件下不易更换，施工工程量大，对绝缘程度要求很严格，否则保护电流流失，保护电位难以达到，若补加牺牲阳极，开挖量大对现场环境破坏大；受环境条件 （如土壤成分、含水量等） 限制，通常要求土壤电阻率较低，且仅限于输出电流<1 A的场合[2]。

基于牺牲阳极的特点，设计人员一般不太考虑将牺牲阳极单独用于大型油气站场区域阴极保护中，有时采用牺牲阳极与辅助阳极联合保护的方式，在外加电流辅助阳极电流无法流入的管网密集区补加牺牲阳极进行保护。崔淦等[22]对某一站场进行阴保电位分布数值模拟计算时，对比了牺牲阳极、外加电流和联合保护3种方式的差异性。结果表明，牺牲阳极保护方式虽然可以使埋地管网电位位于保护范围内，但需要使用大量阳极，施工不便，经济性较差，而外加电流保护方式下的管网电位值跨度较大，电位分布不均匀。联合保护方式不仅可以使埋地管网得到有效保护，电位分布很均匀，阳极数量也相对减少，因此是较合理的一种保护方式。岔河集油田在对岔北联、岔一联两个站厂进行了现场调查、数据测试及地质水文资料调查后，经过反复论证，最终均采用了深井阳极为主、锌合金牺牲阳极为辅的联合保护方式，经调试后站内阴保效果理想[23]。

然而，需要注意的是，在联合保护方式下，当外加电流达到一定强度后，牺牲阳极将发生逆转，完全失去保护作用，成为接地极向大地泄漏电流，消耗大量阴极保护电流，某化纤厂对输水管网进行阴极保护，当安装镁阳极后发现不能达到保护要求，补加强制电流阴极保护，结果发现，外加电流输出量增大，有些牺牲阳极完全成了接地极[24]。汪世雷等通过实验研究证实了这个现象[25],其发现，当强制电流与牺牲阳极2种保护方式混用时，随着强制电流阴保系统输出电流的增加，牺牲阳极输出电流减小，且被保护体的极化电位和牺牲阳极的工作电位均负向偏移。通常认为，只要牺牲阳极的工作电位比被保护体的极化电位负，就会向被保护体释放电流，提供保护作用。但实验结果发现，即使牺牲阳极工作电位比被保护体负，当外加电流增大到一定程度时，牺牲阳极电流也会发生反向，变成阴极，从提供电流转变成消耗电流，电极电位负移。因此，当牺牲阳极与外加电流联合保护时，牺牲阳极是否提供保护必须根据其实际输出电流来判断。此外，即使牺牲阳极处于远离强制电流系统辅助阳极的欠保护区域，其输出电流同样会受外加直流的影响，必须适当调整外加直流电流的大小，来充分发挥两者的保护效果，以达到最佳的经济效益。

2.2.2 外加电流阴极保护 在外加电流阴极保护方式中，阳极的形式和分布是决定系统设计成功与否的关键，在选择辅助阳极地床形式时，需基于站场特点，根据不同地床形式的特点进行选择。目前，辅助阳极地床形式主要有深井阳极、浅埋阳极和柔性阳极3种。

（1） 深井阳极形式 深井阳极地床是指地下深层井孔中 （通常井深大于15米） 垂直安装一支或多支阳极的形式，多用于地表土壤电阻率很高或地表空间狭小无法满足浅埋阳极地床安装空间及所需的阳极接地电阻要求的环境下[26]。

与浅埋阳极相比，在合理设置阳极参数的前提下，深井阳极对外部构筑物干扰较小。林长植等[27]在对福州市燃气管网阴保系统应用效果进行调查时发现，在采用深井阳极阴保系统的调压站中 （阳极埋深-30~-45 m,输出电压为15~40 V,输出电流为-15~-30 A），深井阳极周围100 m内平均地表电位梯度为9.1~51.4 mV/m,而在采用浅埋阳极阴保系统的调压站中 （阳极埋深-2 m,输出电压为37.5 V,输出电流为-30 A），平均地表电位梯度高达461 mV/m。一般来说，深井阳极地床地表电位梯度较低，对周围非保护地下构筑物干扰小。然而，在实际站场区域阴极保护中，如果设计时未能充分考虑深井阳极埋深、地床分布、输出电流、地层结构等因素对地表电场的影响，也可能出现深井阳极地床对外界产生干扰的问题。例如新疆油田某大型站区采用深井阳极地床对站内管网进行保护时，在工艺管网区域共设4座深井阳极，井深超过200 m,分布在站内东南西北四个方向，阴保系统由4台恒电位仪控制，然而，该阴极保护系统开启后输出电流过大，恒电位仪电源、 阳极汇流电缆等接线均出现发热变软现象，经过检测后发现，由于深井阳极保护范围过大，加上站内接地网与管道电连接吸收大量电流，进/出站绝缘法兰漏电等原因，导致该阴保系统对站内设施及站外长输管道的阴极保护系统造成严重干扰[28]。深井阳极干扰程度与深井阳极设置参数及站内外阴保系统参数有关。董亮等[29]利用数值模拟技术系统地研究了站内深井阳极阴保系统对站外阴保系统的干扰规律，分别探讨了阳极距干线管道近站端水平距离、阳极埋深、站内阴保电流输出量、土壤电阻率等参数对站外阴保系统干扰的影响规律。结果表明，随着阳极距离管线水平距离、阳极埋深、电流输出量和土壤电阻率等站内阴保参数的增大，干线近站端管道电位均发生明显正移，且正移量越来越大。此外，改变站外阴保系统的参比电极位置会对干扰产生影响，参比电极距离管道近站端越远，干线管道受干扰程度越小，同时研究了站外干线长度对干扰程度的影响，发现随着干线管道长度增加，电位正向偏移管道段长度增加，但电位偏移量变化不明显。刘海禄等[30]通过研究发现，当土壤电阻率增加90 Ωm,阳极输出增大18 A时，深井阳极干扰范围增加了297 m左右。鉴于此，在采用深井阳极地床对输油气站场进行保护时，需权衡阳极埋深、距干线水平距离、阴保电流输出量和土壤电阻率等多个因素的影响，最大程度上避免干扰现象的发生。

（2） 浅埋阳极形式 浅埋阳极地床是指一支或多支阳极垂直 （或水平） 安装于地下15米以内的土壤中，以提供阴极保护的阳极地床[26]。其优点是施工简单，维修更换容易，造价相对较低，保护电流分布范围小，适用于土壤电阻率小的环境，缺点是阳极用量多，占地面积大，地表电位梯度大，存在明显的电流分布不均匀问题，易与干线阴极保护系统相互干扰[31]。王晨[5]采用分布式浅埋阳极对某输气管道站场进行区域阴极保护设计时，整座站场用到5组共32块高硅铸铁阳极和3组牺牲阳极，施工完成后，管道断电电位分布在-1.18~-0.96 V（CSE） 之间。对于站场区域阴极保护来说，常采用分布式浅埋阳极地床形式，然而，由于站场空间有限，阳极地床设计往往要求紧凑和多样化，传统单组浅埋阳极地床设计较为单一，大多沿一条直线布置，难以满足要求，因此新型阳极地床分布方式的研究十分必要。Bi等[32]利用数值模拟软件及欧姆定律分析了不同浅埋阳极地床分布方式的差异，考虑接地电阻的大小以及经济因素，其认为，与阳极单一直线型分布相比，阳极地床分布为两列不仅会使地床占用面积减少，且接地电阻减小，因此更为合理。

与长输管线相比，站场空间有限，埋地管道集中，距干线阴保系统近，而浅埋阳极电位梯度较大，易对干线阴保系统产生干扰。因此，为达到在站内管道可以得到有效保护的前提下对站外阴保系统干扰达到最小的目标，在采用浅埋阳极对站场进行保护时，可采用数值模拟计算技术对保护效果和潜在的干扰行为进行预测，并通过优化地床分布来获得最佳效果，避免管道电位分布差异明显和干扰现象的产生。

（3） 柔性阳极形式 柔性阳极是一种长线型、柔性、电缆式的辅助阳极。其特点是对站外阴保系统干扰小，沿管线敷设，不存在密集管网屏蔽问题，在土壤电阻率较大时依旧能够有效保护管道。柔性阳极分为两种，早期的柔性阳极为瑞侃公司的导电聚合物型柔性阳极，后来国外在导电聚合物柔性阳极基础上开发了以MMO/Ti丝为阳极芯材的新型柔性阳极[33]。导电聚合物型柔性阳极芯采用石墨掺杂的导电聚合物为阳极主体，具有小电流稳定输出，成本低的优点，但是其在大电流下的载流能力由于导电聚合物固有的发热膨胀缺陷而受限，易于大电流发热时导致导电聚合物机械性能丧失而解体，直接导致阳极失效；而基于MMO的柔性阳极则克服了这些问题，具有载流能力大 （可达900 mA/m） 和使用寿命长 （可达50 a） 的优点，适用于区域阴极保护下的大排流密度和大差异输出场合，因此越来越受到设计人员的青睐[2]。

近年来，柔性阳极在国内站场应用逐渐广泛。CPPE在兰郑长项目上，第一次在国内长输管道兰郑长站场上大规模采用柔性阳极进行区域阴极保护，且保护参数非常理想，不存在保护不足和过保护的问题，也没有对干线管道造成杂散电流干扰[26]。鄯善生产运行储备库在进行区域阴极保护设计时，考虑到站内设备接地点过多，采用深井阳极和牺牲阳极会使得恒电位仪输出电流剧增，管网难以得到有效保护，最终采用AnodeFlex1500-01型柔性阳极进行保护[34]。宁夏石油商业储备库对站内8台10万m3储罐罐底也采用了柔性阳极阴极保护方式，系统保护电位稳定在-0.85~-1.20 V之间[35]。

在区域阴极保护工程中，柔性阳极在埋地管网的敷设方式一直是设计人员关注的重点之一。针对于埋地管网，传统敷设方式是沿管线全铺，这种方式对于价格昂贵的柔性阳极来说经济性较差，间断敷设方式可以大大减少柔性阳极材料费用，成为一种潜在的新型敷设方式。然而，现有研究大多集中在阳极间断敷设方式的可行性上[36,37],缺乏围绕间断敷设规律及影响因素的系统和针对性研究。此外，当采用MMO/Ti型柔性阳极进行阴极保护时，关于阳极击穿电压大小、氧气去极化作用及阳极断线问题也是目前研究人员关注的重点。

（1） 阳极击穿电压 由于MMO/Ti型柔性阳极的阳极主体是带有混合金属氧化物涂层的钛丝，当钛作为阳极使用时，会形成TiO2阳极氧化膜，在电压8~12 V范围内，TiO2阳极氧化膜厚度增加，当氧化膜被局部击穿后，即发生坑蚀，不宜作为阳极材料，而且在高电压的情况下，钛表面若因机械损伤而裸露，阳极/阴极的形状易在裸露处产生高电压，则有迅速发生故障的危险[38]。德国GCP公司阴极保护专家Michael Kahle曾指出，对于钛基MMO阳极的电源输出电压应低于12 V,确保阳极最低限度击穿电压为8 V[38]。许立坤等[39]对钛基金属的击穿电位进行研究后发现，在含有Cl-的介质中 （如海水、淡海水等），钛基金属氧化物阳极的安全工作电位应低于10 V （SCE），且只有在Cl-含量很低的淡水介质 （NaCl含量低于0.1%） 中，钛阳极的安全工作电位才会明显提高，同时指出，在钛基体和混合金属氧化物涂层之间增加钽中间层能够提高钛基金属氧化物阳极的击穿电压。因此在采用柔性阳极进行保护时，应注意整流器电压不能设置过高，否则阳极分压过高，将会导致钛丝表面膜层发生击穿，使得阳极失效。此外，鉴于柔性阳极大多应用在土壤环境下的各种站场中，关于土壤环境下的钛基金属击穿电压有待进一步研究。

（2） 氧气去极化作用 当采用金属氧化物阳极作为辅助阳极时，在工作时阴阳极可能发生的反应如下。

在Cl-浓度极低的腐蚀介质中，主要阳极反应是氧的溢出。胡士信等[38]在讨论MMO网状阳极对储罐罐底的保护时指出，阳极通常应埋于距罐底500~1000 mm处，而国内一般埋在300 mm处，在离罐底如此近的距离产生氧气将导致被保护罐底板的氧气去极化作用，这样就很难达到-0.85 V （CSE） 的断电电位保护准则，即所有电化学反应都直接发生在阳极的表面，容易导致金属氧化物层的破坏，从而缩短阳极寿命。MMO/Ti型柔性阳极也是如此。目前，MMO/Ti柔性阳极在国内站场保护应用时，其敷设距离设置不一。根据设计规范要求[40],对于裸管道阳极的最佳位置是距管道10倍管径处；对于有良好覆盖层的管道可同沟敷设，最近距离为0.3 m。徐工银等[34]、贾光猛等[41]认为柔性阳极埋设应在距埋地管线外侧管壁不小于500 mm处。陈振华等[31]指出，当柔性阳极与管道同沟敷设时，两者水平间距为20~30 cm。可见，国内关于柔性阳极敷设距离的观点不够统一，这样就可能导致MMO/Ti型柔性阳极在敷设过程中由于同沟敷设或施工不规范等原因出现距离金属构筑物过近，发生氧气去极化作用，极化电位很难达到规定电位的问题，因此，有必要针对MMO/Ti柔性阳极在储罐罐底及埋地管网中的氧去极化作用及合理敷设距离进行系统研究，提高柔性阳极在我国站场区域阴极保护中的应用水平。

（3） Ti丝断线问题 MMO/Ti柔性阳极的结构如图1所示。Ti丝阳极线与铜电缆引线平行敷设，每3 m~15 m设置一个连接节点[42]。然而，在现场敷设和服役过程中，由于不规范操作或不合理敷设方式常会导致Ti丝断开，使得部分阳极段失效，管道不能得到有效保护，且这种断线很难从阳极外表面观察到，无法准确判断断点位置，影响阴保系统的正常运行。目前，针对阳极断线情况，如何有效避免Ti丝的断裂以及断裂后如何快速且准确查找断点位置有待进一步研究。

图1 MMO/Ti型柔性阳极结构图

2.3 接地系统的影响

在区域阴极保护技术中，由于接地系统引起的阴保电流消耗量大以及屏蔽问题一直是研究人员关注的重点之一。这主要是由于在传统设计中，防雷接地与阴保系统都是单独设计，铜接地极由于良好的导电和耐腐蚀性能而被认为是首选的接地材料，然而，与碳钢等金属相比，铜很难极化，铜每单位面积消耗的阴保电流密度是将管道极化到同水平下所消耗阴保电流密度的10~20倍，因此，裸铜接地会对阴保系统产生很大的负担，而且需要引起注意的是，一旦外加电流阴保系统没有在运行，那么埋地管道与铜接地网则会形成强烈的电偶对，这个电偶对将加速所有埋地管道的腐蚀[43]。由此可见，合理选择接地材料或采用其他方式阻止铜接地材料直接与埋地管道相连是解决阴保电流消耗量大及屏蔽问题需要考虑的方向。目前主要有以下两种解决措施。

2.3.1 安装去耦合器或极化电池 Massimo等[44]通过研究发现，在阴极保护管道与接地装置之间安装去耦合连接装置如隔离浪涌保护器，可以减小接地故障对于管道和阴保系统有效性的影响，比等电位连接更为合理与安全。除此之外，极化电池也能够实现阴极保护结构与接地材料的直流隔离，确保交流及瞬态电的安全接地，在国外已经得到了广泛应用[12]。在此基础上，接地材料可以选择铜包钢等耐蚀材料。

2.3.2 联合保护 联合保护即将站场内所有埋地金属设施和接地极作为整体进行保护。由于接地材料电位越正，极化至保护电位-0.85 V （CSE） 所消耗的电流越大，反之则越小。因此接地极材料应选择负电性材料，如锌包钢或牺牲阳极等。Cui等[45]利用beasy数值模拟软件分析了接地系统对管道阴保电位的影响，通过对没有设置接地和设置裸露扁钢接地的管网进行模拟计算并将结果进行对比后发现，没有设置接地的管网得到有效保护，设置裸露扁钢的管网电位发生正向偏移，没有得到有效保护，随后把裸露扁钢接地换成锌接地时，管网电位负向偏移，大部分管道均得到了有效保护。某站场2005年投产时接地大量采用铜包钢材料，而后基于铜包钢接地材料的负作用，投产后不久便将铜包钢接地材料更换为镀锌扁钢，然而2007年该站发生腐蚀穿孔泄漏事故，业主对站场紧急施加了区域阴极保护后，发现阴保电流消耗量很大，但部分管道阴保电位依旧未达到标准要求，并且在腐蚀调查局部开挖验证中发现站内第一次整改后铺设的镀锌扁钢接地网锈蚀严重，因此推断是由于原铜包钢接地网没有完全拆除，且与站内管道仍有连接造成的，通过整改将铜包钢进行彻底清除，全部换成镀锌钢后，管道自然电位负移，阴保电位达到要求[46]。

值得注意的是，当接地和埋地管网进行联合保护时，如何针对接地和管网选择合理的阴保准则进行评估有待进一步研究，即是否采用相似的保护准则，还是各用一套准则，如接地用100 mV极化偏移准则，管网用-0.85 V （CSE） 极化电位准则。此外，联合保护下管网极化电位的有效测试方法也有待研究。

2.4 阴保数值模拟技术的应用

传统区域阴极保护设计主要依靠的是设计者的经验，往往准确性较低，易造成部分区域欠保护[47]。数值模拟技术的出现为区域阴保设计提供了指导性作用，使得区域阴极保护从经验性设计上升到科学性设计，大大提高了设计的有效性和准确性，在阴保效果预测和评估、阳极位置优化设计及干扰规律研究等方面得到了日渐广泛的应用。邵守斌[47]利用数值模拟技术对某油田站场进行了区域阴保优化设计，对深井阳极处于不同位置、数量及埋深等情况下的保护效果进行对比，最终确定最优方案并将其应用到实际站场中，节省投资近30万元。张丰等[48]通过对站场储罐库区的深井阳极保护效果进行数值模拟，预测了储罐外底板和罐周的电位分布。崔淦等[22]利用数模软件beasy对某站场在3种阴极保护方式 （牺牲阳极、外加电流及联合保护） 下的保护效果进行了对比，结果发现，联合保护方式下不仅牺牲阳极用量较少，且管道电位分布均匀。杜艳霞等[49]采用数值模拟计算方法预测了某浅埋阳极站场的埋地管道电位分布，通过现场测量和室内极化特性测试获得阳极和阴极边界条件，采用边界元方法对数学模型进行求解，得到土壤中各处的电位分布，将实测结果和数值模拟计算结果进行对比发现，对于所考察的20个测试点，管道极化电位数值计算结果和实际测量结果很接近，最大相对误差小于5%。以上案例说明，对于站场区域阴极保护系统，在正确建立数学模型，合理选取边界条件的前提下，数值模拟计算技术可以有效应用到区域阴保设计当中去。

目前，在数值模拟计算技术方面，关注的重点主要在边界条件选择、数学模型改进、涂层缺陷模型和数值计算方法等几个方面。对于数值模拟计算技术而言，边界条件的合理性，是求解结果准确性得以保障的关键。主要表现在保证模型能够顺利求解的前提下，选取何种边界条件与实际情况更加吻合。针对阳极边界的选择，蒋卡克等[50]利用beasy数值模拟软件对比了牺牲阳极和辅助阳极两种保护方式下阳极边界不同选择对计算结果的影响，结果发现，牺牲阳极保护方式下完全可以采用开路电位代替真实极化曲线边界，辅助阳极可采用恒电流密度边界代替真实极化曲线边界。对于阴极边界的选取，大多数文献中采用实测极化曲线作为阴极边界条件[51-53],有些基于电化学理论，直接给出极化电流密度和极化电位的关系式，再通过实验测定相应的电化学参数，给出确定的阴极极化边界条件。然而，无论采用哪种极化边界，目前实验室测得的极化特性都是相对稳定的，实际上金属每一点的极化特性都是不同的，也是随时间变化的，然而由于微观不均匀性和时变模型很难考虑，目前尚无合适的数学处理方法。数值模型的改进主要体现在不均匀介质模型划分上，郝宏娜等[54]在建立数值模型时考虑了土壤电阻率在水平方向上的变化，采用fluent软件分别设置不同区域的土壤电阻率，假设各自区域内土壤是均匀的，认为在两个区域的交界处电流的大小是相同的，在阴极极化边界选择上，将阴极极化过程看作由活化极化和浓差极化混合控制，利用测量得到的极化曲线拟合相关电化学参数带入公式中得到不同区域的阴极边界，并通过室内电化学试验验证了数值模拟计算结果。黄国胜等[55]利用beasy软件，以非均匀电阻率和分段极化曲线的方法模拟了垂直方向非均质土壤中油井套管的阴保电位分布情况。此外，在阴极保护体系中，涂层质量是一个重要的影响因索，而涂层存在缺陷情况下的阴极极化模型是重要且又难以处理的问题[56]。对于涂层缺陷的描述，有人假设涂层是高电阻离子导体膜，建立了有涂层情况下的阴极表面电流和电位的线性关系[57]。有人则将涂层缺陷看成是涂层效率的降低，用涂层平均孔隙度增大或平均电阻值降低的方法来建立模型[58]。孙吉星等[59]在利用数值模拟方法研究海洋石油海底管道外防腐涂层破损与阴极保护效果的关系时，针对海底管道外防腐层有破损的情况，认为实际阴极面电阻率可等效成由金属面电阻率和涂层面电阻率两部分电阻并联而成。数值计算方法的合理选择，是阴极保护数值模拟准确性的影响因素之一。在阴极保护体系中，数学模型主要有3种求解方法：有限差分法 （FDM）、有限元法 （FEM）、边界元法 （BEM）。有限差分法能够有效解决二维问题，但在解决三维问题时灵活性较差，准确性较低，逐渐被有限元法和边界元法取代。有限元法可以提供三维电位分布，并且能够很好地应用在非均匀介质环境中阴极保护体系的计算，如海水温跃层、潮差区、不均匀土壤环境等。边界元法可以使维度降低，计算简化，目前在复杂结构阴极保护体系中应用广泛，如潜艇、轮船以及大型的复杂钢结构等[60]。在应用过程中，应根据实际情况合理地采用有限元和边界元相结合的方法，发挥两种方法各自优点，既可以简化计算，又可以获得阴极保护系统更全面的信息，这也是阴极保护数值优化技术今后的一个发展方向[60]。

3 结束语

区域阴极保护技术作为一项复杂的工程设计技术，需要兼顾多方面因素的影响，其设计原则是最大程度的发挥阴保系统的作用，保证管道电位的均匀分布，同时尽量避免干扰和屏蔽现象的发生。基于区域阴保技术的特点，为了更加有效的将区域阴保技术应用到站场埋地管道保护中，还需在以下4个方面进行深入的研究。

（1） 馈电试验法能够准确确定已建站场的阴极保护电流需求量。从目前的研究现状来看，馈电试验中极化时间的合理设置以及如何根据馈电试验的结果准确计算结构物整体保护电流需求的方法均有待进一步研究。除此之外，在馈电试验难以实施的情况下如何确定站内阴保电流需求量还需进一步探索。

（2） 柔性阳极特别是MMO/Ti型柔性阳极在站内埋地管网和储罐罐底板外侧保护中具有很大的优势和发展潜力。基于柔性阳极均采用沿线敷设方式，往往使得阳极材料用量过大导致经济性较差，如何合理优化柔性阳极在埋地管网中的敷设方式，同时考查站内土壤电阻率、管道涂层等因素的影响尚需系统深入的研究。此外，针对MMO/Ti型柔性阳极应用过程中出现的阳极电压击穿、氧气去极化作用及阳极断线等问题需要引起重视并加以研究。

（3） 接地系统和埋地管网联合保护能够在一定程度上避免屏蔽问题的出现。但是，当接地系统和埋地管网进行联合保护时，如何针对接地和管网系统选择合理的阴保准则以及联合保护情况下管网极化电位的有效测试方法均有待研究。

（4） 数值模拟计算技术大大提高了区域阴保设计的有效性和准确性。边界条件作为数模计算中关注的重点，其直接影响到模拟结果的准确性。因此，关于边界条件的研究还需在两个方面进行。一方面，对于老旧站场，如何获取准确的阴极边界条件。另一方面，为了提供与实际情况更加符合的极化曲线，还需针对不同的材料种类、组织成分、涂层类型、涂层质量、土壤腐蚀性、季节变化和腐蚀产物累计等因素开展专门的研究，并积累大量的测试数据来建立极化边界条件的数据库，推动阴保数模计算技术在区域阴保设计中的发展。