外加脈沖電流陰極保護論文最終版剖析

1、外加直流與脈沖電流模擬油井套管陰極保護效果比較研究周好斌張濤許慶徐向前周勇(西安石油大學材料科學與工程學院西安710065)摘要：目的 研究對比外加直流與脈沖電流在模擬油井套管環(huán)境下的陰極保護效 果。方法 應用自制實驗裝置，在3%(質量分數)NaCI溶液中，在電源輸出電源 輸出功率一定時，對比研究外加直流與脈沖電流模擬油井套管陰極保護效果。結果 在相同的電源輸出功率條件下，外加脈沖電流陰極保護可以得到更好的保護 效果，電流消耗也較直流電流小。結論 在模擬油井套管環(huán)境下，外加脈沖電流在高頻率下保護效果比直流電流更好；調整參數時，應選擇中間范圍的占空比、 相對較高的頻率，同時優(yōu)先調整頻率。關鍵詞：

2、脈沖電流；陰極保護；保護電位；保護效果；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，2009年獲得西安交通大學博士學 位，現(xiàn)任西安石油大學材料科學與工程學院副院長，主要從事材料成型與控制，材料防護技術研究，陜西省西安市電子二路18號，710065 hbzhou,本研究得到省級優(yōu)勢學科和陜西省 科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(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技術距今已經有四十多年的發(fā)展歷史，但是人們對其機理以及保護效果

7、的研究還很匱乏。而外加脈沖電流條件下油井套管陰極 保護技術的優(yōu)越性已經顯現(xiàn)出來2-5。對比直流電流陰極保護，外加脈沖電流陰 極保護具有更均勻的電流分布、更深的保護深度、較小的總電流消耗等優(yōu)點6-9 0本文采用自制實驗裝置，在3% （質量分數，后同）NaCI溶液中進行試驗， 研究模擬油井套管在電源輸出功率一定時， 直流電流和外加脈沖電流陰極保護條 件下的保護效果。1陰極保護參數的選擇與陰極保護相關的幾個參數有自然腐蝕電位、 保護電位、保護電流（可以換 算成電流密度）以及脈沖電流特征參數頻率和占空比， 正確選擇和控制這些參數 是決定保護效果的關鍵。1.1自然腐蝕電位。對油井套管采用陰極保護的方法來

8、進行延緩或防止腐 蝕，無論采用強制直流陰極保護法還是采用強制脈沖電流陰極保護，被保護油井套管的自然腐蝕電位都是一個極為重要的參數，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所需保護電流的大小，同時又是陰極保護準則中重要的考點。1.2保護電位。為使油井套管的腐蝕過程停止，套管經陰極極化后所應達到 的電位稱為最小保護電位，也就是腐蝕原電池陽極的起始電位， 起數電位與油井 套管的種類、套管的腐蝕介質組成、濃度及周圍環(huán)境溫度等有關。根據實驗測定， 碳鋼在土壤及海水中的最小保護電位為-0.85V （CSE左右。1.3保護電流密度。保護電流密度與套管性質、環(huán)境介質成分、濃度、溫度、 套管表面狀態(tài)

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

10、500mm勺長方形池子。將試樣置于室溫(25C)的3%NaCI介質中。選用4只飽和甘汞電極分點經行電位測量，采用專用直流電源供電，電源輸出功率一定的情況下將實驗電極的保護電位控制在陰極極化范圍內，根據陰極保護標準，選取電位(v.s.SCE)落在-0.77-1.03V為達到陰極極化范圍,負于-1.03V為過保護,正于-0.77V為欠保護10-12。參比電極布位電位每隔1500mn一個，共設四個測量點TM21D甦宇示謹器脈沖電源圖1實驗裝置平面示意圖圖2實驗裝置(2)脈沖電流陰極保護實驗：脈沖電流陰極保護試驗在直流陰極保護實驗電 源輸出功率和腐蝕介質相同的條件下進行。實驗示意圖如圖1和圖2。由自制

11、的專用脈沖電流陰極保護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% 的情況下進行正交試驗。用TDS1002數字示波器測量研究電極(陰極)的電位響應波形，并測量電位響應波 形的最下沿電位作為極化電位。每隔30min用TDS1002數字示波器記錄一次陰極 的電位響應波形，并用電壓表測量參比電極布位點極化電位值。3實驗結果與討論3.1直流模擬實驗結果與討論直流陰極保護實驗初始階段，各點的保護電位上下波動幅度大，處于一個不 穩(wěn)定狀態(tài)。大概半個小時后，

12、各點的保護電位逐漸穩(wěn)定，剔除初始階段的保護電 位，開始記錄。實驗結果如表1所示：時間(min)0號1號保護電位（mV）2號3號4號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號為陽極與陰極間的電位，14號為各參比電極與陰極之間的保護電位，測量時間間隔 30min。由表1數據可以看出，直流陰極保護電位隨著保護距離的

13、增大有一個衰減的 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號參比電極為陽極布位位置的陰極保護電位測量值，4號參比電極距離陽極位置最遠，可 以明顯的看出保護電位隨保護距離的延伸衰減趨勢厲害。1號參比電極已經過保護，而3、4號參比電極處還處于欠保護狀態(tài)。3.2脈沖電流陰極保護模擬實驗結果與討論如圖3和圖4所示。脈沖電流陰極保護初始階段工作和直流電流陰極保護一 樣。當電源輸出功率一定時，脈沖電流頻率為 100Hz和占空比為10%寸一號測量 點保護電位已經完全達到有效保護，而 3、4號測量點的保護電位處于嚴重欠保 護狀態(tài)，當占空比增加到50%寸，各測量點的保護電位均有所增加，但是

14、增加范 圍不大，說明調節(jié)占空比對保護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，比較 100Hz 3000Hz和5000Hz的個測量點的保護電 位，得出頻率為3000Hz時各測量點的保護電位比100Hz的各點保護電位均有明 顯的改善，尤其是在3、4號的保護電位增加范圍明顯加大，說明頻率的改變對 保護電位的影響程度明顯，再觀察5000Hz時各點的保護電位，相比于 3000Hz時保護電位又出現(xiàn)下降和分散的趨勢。占空比一定時，不同頻率下隨著保護距離的增加保護電位都有明顯的衰減 趨勢，當頻率增加時各點的保護電位都趨向于最佳保護電位內且當頻率增加到 3000Hz時各點的保護電位

15、最理想，3000Hz以后再加大頻率保護電位又趨向于衰 減和分散。由此表明當其它參數一定時，改變頻率可以改善陰極保護系統(tǒng)的保護 效果。當脈沖電流的頻率且電源輸出功率一定時，單獨改變占空比（逐漸增大），各點的保護電位也有增大的趨勢。說明單獨改變頻率和占空比均可以改善保護效 果，而且頻率的影響大于占空比，同時調節(jié)頻率與占空比時最佳調節(jié)策略。 DC* 100mV1000mV r 2000mV +3000mV* 4000mV ：5000mV1200 _1100 -1000 _900 -800 ,700 600 -0 12345距離(m)b卩位電護保電護保圖3占空比P=10%同頻率下的保護電位圖 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電位圖3顯示，當占空比為10%且輸出頻率一定時，不同頻率下的保護電位變化 范圍都要比直流陰極保護時的保護電位變化范圍更加接近有效保護電位范圍，直流陰極保護距離陽極最近點已經過保護而最遠點的保護電位相比于脈沖電流陰 極保護最遠點的保護電位更小，處于欠保護狀態(tài)。這表明脈沖電流陰極保護電流 密度分布均勻，傳輸距離遠。可以有效解決油井套管垂直于底層環(huán)境， 而無法通 過增加陽極點來達到全線保護的狀態(tài)

17、。在頻率為3000Hz時，保護電位范圍最為集中，且通過觀察被保護陰極表面光滑， 無明顯的銹蝕點或者蝕坑，說明當占空 比和電源輸出功率一定時，頻率為 3000Hz為最佳優(yōu)選方案。由圖4的電位變化 趨勢可以反映出，當頻率為3000Hz時脈沖電流陰極保護的保護電位更接近有效 保護電位范圍。說明50%勺占空比配合3000Hz的頻率對陰極保護最優(yōu)。從平均 電流消耗和保護效果兩方面考慮，應盡可能選擇中間范圍的占空比、較高的頻率。4結論本文通過模擬油井套管進行實驗，從實驗結果來看脈沖電流陰極保護系統(tǒng)的 保護效果確實優(yōu)于直流陰極保護系統(tǒng)，并且通過實驗得出：(1) 模擬油井套管實驗表明該保護系統(tǒng)中當脈沖電流的頻

18、率在3000Hz、占 空比為50%寸油井套管的保護效果最佳。(2) 研究結果為脈沖電流陰極保護系統(tǒng)有效解決了直流陰極保護電流傳輸 距離短，使得保護深度難以延長的問題提供了一定的參考依據。參考文獻【1】王軍，畢宗岳等油套管腐蝕與防護技術發(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