外加脈沖電流陰極保護(hù)論文最終版剖析

1、外加直流與脈沖電流模擬油井套管陰極保護(hù)效果比較研究周好斌張濤許慶徐向前周勇(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院西安710065)摘要：目的 研究對(duì)比外加直流與脈沖電流在模擬油井套管環(huán)境下的陰極保護(hù)效 果。方法 應(yīng)用自制實(shí)驗(yàn)裝置，在3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCI溶液中，在電源輸出電源 輸出功率一定時(shí)，對(duì)比研究外加直流與脈沖電流模擬油井套管陰極保護(hù)效果。結(jié)果 在相同的電源輸出功率條件下，外加脈沖電流陰極保護(hù)可以得到更好的保護(hù) 效果，電流消耗也較直流電流小。結(jié)論 在模擬油井套管環(huán)境下，外加脈沖電流在高頻率下保護(hù)效果比直流電流更好；調(diào)整參數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇中間范圍的占空比、 相對(duì)較高的頻率，同時(shí)優(yōu)先調(diào)整頻率。關(guān)鍵詞：

2、脈沖電流；陰極保護(hù)；保護(hù)電位；保護(hù)效果；Plus pulse and direct current simulation comparative studythe well casing cathodic protection effectZHOU Hao-bin，ZHANG Tao，XU QingXU Xiang-qian，ZHOU Yong(School of Material Scienee and EngineeringXi an Shiyou UniversitShaanxi Xi an 710065，China )Abstract: objective to study and c

3、ompare the effect of plus pulse and direct curre nt un der simulated con diti ons of the well cas ing cathodic protecti on . Methods by using bolt，in 3% (mass fraction) NaCl solution, about Angle, in the power output voltage of 4.02 V (dc cathodic protectio n pote ntial of 0.95 V), compared the effe

4、ct with pulse and direct curre nt un der simulated con diti ons of the well cas ing cathodic protecti on . Results under the condition of the same output power, pulse current cathodic protect ion can get better protecti on effect, and curre nt con sumpti on also relatively small than dc current. Con

5、clusion under simulated conditions of oil well casing, under high frequency， pulse current protection effect is better than direct current; when adjust parameters, we should choose the middle range of the duty ratio, relatively high frequency, and adjust frequency priority at the same time.1周好斌，男，19

6、65年5月，1987年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，2009年獲得西安交通大學(xué)博士學(xué) 位，現(xiàn)任西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)，主要從事材料成型與控制，材料防護(hù)技術(shù)研究，陜西省西安市電子二路18號(hào)，710065 hbzhou,本研究得到省級(jí)優(yōu)勢(shì)學(xué)科和陜西省 科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCL-04)資助Key words: pulse curre nt; Cathodic protect ion; Protectio n pote ntial; Protectio n effect油井套管脈沖電流陰極保護(hù)技術(shù)距今已經(jīng)有四十多年的發(fā)展歷史，但是人們對(duì)其機(jī)理以及保護(hù)效果

7、的研究還很匱乏。而外加脈沖電流條件下油井套管陰極 保護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性已經(jīng)顯現(xiàn)出來2-5。對(duì)比直流電流陰極保護(hù)，外加脈沖電流陰 極保護(hù)具有更均勻的電流分布、更深的保護(hù)深度、較小的總電流消耗等優(yōu)點(diǎn)6-9 0本文采用自制實(shí)驗(yàn)裝置，在3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同）NaCI溶液中進(jìn)行試驗(yàn)， 研究模擬油井套管在電源輸出功率一定時(shí)， 直流電流和外加脈沖電流陰極保護(hù)條 件下的保護(hù)效果。1陰極保護(hù)參數(shù)的選擇與陰極保護(hù)相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)有自然腐蝕電位、 保護(hù)電位、保護(hù)電流（可以換 算成電流密度）以及脈沖電流特征參數(shù)頻率和占空比， 正確選擇和控制這些參數(shù) 是決定保護(hù)效果的關(guān)鍵。1.1自然腐蝕電位。對(duì)油井套管采用陰極保護(hù)的方法來

8、進(jìn)行延緩或防止腐 蝕，無論采用強(qiáng)制直流陰極保護(hù)法還是采用強(qiáng)制脈沖電流陰極保護(hù)，被保護(hù)油井套管的自然腐蝕電位都是一個(gè)極為重要的參數(shù)，它體現(xiàn)了油井套管本身的活性， 決定了脈沖電流陰極保護(hù)所需保護(hù)電流的大小，同時(shí)又是陰極保護(hù)準(zhǔn)則中重要的考點(diǎn)。1.2保護(hù)電位。為使油井套管的腐蝕過程停止，套管經(jīng)陰極極化后所應(yīng)達(dá)到 的電位稱為最小保護(hù)電位，也就是腐蝕原電池陽極的起始電位， 起數(shù)電位與油井 套管的種類、套管的腐蝕介質(zhì)組成、濃度及周圍環(huán)境溫度等有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 碳鋼在土壤及海水中的最小保護(hù)電位為-0.85V （CSE左右。1.3保護(hù)電流密度。保護(hù)電流密度與套管性質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)成分、濃度、溫度、 套管表面狀態(tài)

9、（防腐層狀況）、環(huán)境介質(zhì)的流動(dòng)、表面陰極沉積物等因素有關(guān)， 對(duì)于土壤環(huán)境而言，有時(shí)還受季節(jié)因素的影響。所以，一般不用它作為陰極保護(hù)的控制參數(shù)，只有受環(huán)境影響無法測(cè)定保護(hù)電位時(shí)，才把保護(hù)電流密度作為控制參數(shù)。在油井套管的脈沖電流陰極保護(hù)中， 電流密度是一個(gè)重要參數(shù)，可以作為控制參數(shù)用。1.4脈沖電流頻率、占空比。脈沖電流可調(diào)節(jié)參數(shù)多，頻率、占空比都可以 影響脈沖電流陰極保護(hù)效果。因此，對(duì)于脈沖電流的頻率和占空比，必須尋找一個(gè)最佳的配合比，使其在消耗最小的電能而在二者的配合控制下，使油井套管達(dá)到最深，最佳的保護(hù)效果。2實(shí)驗(yàn)(1)直流陰極保護(hù)實(shí)驗(yàn)：自制實(shí)驗(yàn)裝置是長(zhǎng)、寬、高分別為6000mm600mm

10、500mm勺長(zhǎng)方形池子。將試樣置于室溫(25C)的3%NaCI介質(zhì)中。選用4只飽和甘汞電極分點(diǎn)經(jīng)行電位測(cè)量，采用專用直流電源供電，電源輸出功率一定的情況下將實(shí)驗(yàn)電極的保護(hù)電位控制在陰極極化范圍內(nèi)，根據(jù)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，選取電位(v.s.SCE)落在-0.77-1.03V為達(dá)到陰極極化范圍,負(fù)于-1.03V為過保護(hù),正于-0.77V為欠保護(hù)10-12。參比電極布位電位每隔1500mn一個(gè)，共設(shè)四個(gè)測(cè)量點(diǎn)TM21D甦宇示謹(jǐn)器脈沖電源圖1實(shí)驗(yàn)裝置平面示意圖圖2實(shí)驗(yàn)裝置(2)脈沖電流陰極保護(hù)實(shí)驗(yàn)：脈沖電流陰極保護(hù)試驗(yàn)在直流陰極保護(hù)實(shí)驗(yàn)電 源輸出功率和腐蝕介質(zhì)相同的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1和圖2。由自制

11、的專用脈沖電流陰極保護(hù)電源在輸出功率一定的情況下， 提供一定頻 率、占空比和幅值的方波脈沖電流。分別在頻率為(100Hz 1000Hz 2000Hz 3000Hz 40000Hz 5000Hz)和占空比為(10% 50% 的情況下進(jìn)行正交試驗(yàn)。用TDS1002數(shù)字示波器測(cè)量研究電極(陰極)的電位響應(yīng)波形，并測(cè)量電位響應(yīng)波 形的最下沿電位作為極化電位。每隔30min用TDS1002數(shù)字示波器記錄一次陰極 的電位響應(yīng)波形，并用電壓表測(cè)量參比電極布位點(diǎn)極化電位值。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1直流模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論直流陰極保護(hù)實(shí)驗(yàn)初始階段，各點(diǎn)的保護(hù)電位上下波動(dòng)幅度大，處于一個(gè)不 穩(wěn)定狀態(tài)。大概半個(gè)小時(shí)后，

12、各點(diǎn)的保護(hù)電位逐漸穩(wěn)定，剔除初始階段的保護(hù)電 位，開始記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：時(shí)間(min)0號(hào)1號(hào)保護(hù)電位（mV）2號(hào)3號(hào)4號(hào)30-2309-1092.3-749.2-631.6-602.360-2234-1117.6-764.6-648.7-623.590-2246-1125.9-772.7-655.1-629.1120-2301-1129.1-779.8-660.7-634.9150-2302-1132.5-781.3-661.3-635.2注：0號(hào)為陽極與陰極間的電位，14號(hào)為各參比電極與陰極之間的保護(hù)電位，測(cè)量時(shí)間間隔 30min。由表1數(shù)據(jù)可以看出，直流陰極保護(hù)電位隨著保護(hù)距離的

13、增大有一個(gè)衰減的 過程，這主要是由直流電流密度傳輸距離和陽極的布位不同造成的。1號(hào)參比電極為陽極布位位置的陰極保護(hù)電位測(cè)量值，4號(hào)參比電極距離陽極位置最遠(yuǎn)，可 以明顯的看出保護(hù)電位隨保護(hù)距離的延伸衰減趨勢(shì)厲害。1號(hào)參比電極已經(jīng)過保護(hù)，而3、4號(hào)參比電極處還處于欠保護(hù)狀態(tài)。3.2脈沖電流陰極保護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論如圖3和圖4所示。脈沖電流陰極保護(hù)初始階段工作和直流電流陰極保護(hù)一 樣。當(dāng)電源輸出功率一定時(shí)，脈沖電流頻率為 100Hz和占空比為10%寸一號(hào)測(cè)量 點(diǎn)保護(hù)電位已經(jīng)完全達(dá)到有效保護(hù)，而 3、4號(hào)測(cè)量點(diǎn)的保護(hù)電位處于嚴(yán)重欠保 護(hù)狀態(tài)，當(dāng)占空比增加到50%寸，各測(cè)量點(diǎn)的保護(hù)電位均有所增加，但是

14、增加范 圍不大，說明調(diào)節(jié)占空比對(duì)保護(hù)電位的影響效果不明顯。再由脈沖電流占空比為50呀口電源輸出功率一定時(shí)，比較 100Hz 3000Hz和5000Hz的個(gè)測(cè)量點(diǎn)的保護(hù)電 位，得出頻率為3000Hz時(shí)各測(cè)量點(diǎn)的保護(hù)電位比100Hz的各點(diǎn)保護(hù)電位均有明 顯的改善，尤其是在3、4號(hào)的保護(hù)電位增加范圍明顯加大，說明頻率的改變對(duì) 保護(hù)電位的影響程度明顯，再觀察5000Hz時(shí)各點(diǎn)的保護(hù)電位，相比于 3000Hz時(shí)保護(hù)電位又出現(xiàn)下降和分散的趨勢(shì)。占空比一定時(shí)，不同頻率下隨著保護(hù)距離的增加保護(hù)電位都有明顯的衰減 趨勢(shì)，當(dāng)頻率增加時(shí)各點(diǎn)的保護(hù)電位都趨向于最佳保護(hù)電位內(nèi)且當(dāng)頻率增加到 3000Hz時(shí)各點(diǎn)的保護(hù)電位

15、最理想，3000Hz以后再加大頻率保護(hù)電位又趨向于衰 減和分散。由此表明當(dāng)其它參數(shù)一定時(shí)，改變頻率可以改善陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù) 效果。當(dāng)脈沖電流的頻率且電源輸出功率一定時(shí)，單獨(dú)改變占空比（逐漸增大），各點(diǎn)的保護(hù)電位也有增大的趨勢(shì)。說明單獨(dú)改變頻率和占空比均可以改善保護(hù)效 果，而且頻率的影響大于占空比，同時(shí)調(diào)節(jié)頻率與占空比時(shí)最佳調(diào)節(jié)策略。 DC* 100mV1000mV r 2000mV +3000mV* 4000mV ：5000mV1200 _1100 -1000 _900 -800 ,700 600 -0 12345距離(m)b卩位電護(hù)保電護(hù)保圖3占空比P=10%同頻率下的保護(hù)電位圖 DC 1

16、00mV亠 1000mV舌 2000mV+3000mV4000mV5000mV12001100 -1000 -900 -800 .700 .600 -01234距離(m)圖4占空比P=50%勺不同頻率下的保護(hù)電位圖3顯示，當(dāng)占空比為10%且輸出頻率一定時(shí)，不同頻率下的保護(hù)電位變化 范圍都要比直流陰極保護(hù)時(shí)的保護(hù)電位變化范圍更加接近有效保護(hù)電位范圍，直流陰極保護(hù)距離陽極最近點(diǎn)已經(jīng)過保護(hù)而最遠(yuǎn)點(diǎn)的保護(hù)電位相比于脈沖電流陰 極保護(hù)最遠(yuǎn)點(diǎn)的保護(hù)電位更小，處于欠保護(hù)狀態(tài)。這表明脈沖電流陰極保護(hù)電流 密度分布均勻，傳輸距離遠(yuǎn)?？梢杂行Ы鉀Q油井套管垂直于底層環(huán)境， 而無法通 過增加陽極點(diǎn)來達(dá)到全線保護(hù)的狀態(tài)

17、。在頻率為3000Hz時(shí)，保護(hù)電位范圍最為集中，且通過觀察被保護(hù)陰極表面光滑， 無明顯的銹蝕點(diǎn)或者蝕坑，說明當(dāng)占空 比和電源輸出功率一定時(shí)，頻率為 3000Hz為最佳優(yōu)選方案。由圖4的電位變化 趨勢(shì)可以反映出，當(dāng)頻率為3000Hz時(shí)脈沖電流陰極保護(hù)的保護(hù)電位更接近有效 保護(hù)電位范圍。說明50%勺占空比配合3000Hz的頻率對(duì)陰極保護(hù)最優(yōu)。從平均 電流消耗和保護(hù)效果兩方面考慮，應(yīng)盡可能選擇中間范圍的占空比、較高的頻率。4結(jié)論本文通過模擬油井套管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看脈沖電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的 保護(hù)效果確實(shí)優(yōu)于直流陰極保護(hù)系統(tǒng)，并且通過實(shí)驗(yàn)得出：(1) 模擬油井套管實(shí)驗(yàn)表明該保護(hù)系統(tǒng)中當(dāng)脈沖電流的頻

18、率在3000Hz、占 空比為50%寸油井套管的保護(hù)效果最佳。(2) 研究結(jié)果為脈沖電流陰極保護(hù)系統(tǒng)有效解決了直流陰極保護(hù)電流傳輸 距離短，使得保護(hù)深度難以延長(zhǎng)的問題提供了一定的參考依據(jù)。參考文獻(xiàn)【1】王軍，畢宗岳等油套管腐蝕與防護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀J.焊管，2013,36(7) :57-62.【2】 Doniguian T M.American Gas Association Operating Section Procedings,1982,(Arlington,VA: MGA ) ,T44.【3】 Morgan,John.Cathodic protectionM,Texas： National Association ofCorrosi on En gi neers,1987,159-161.【4】Thadde ns