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周好斌，男，1965年5月，1987年毕业于西安交通大学，2009年获得西安交通大学博士学位，现任西安石油大学材料科学与工程学院副院长，主要从事材料成型与控制，材料防护技术研究，陕西省西安市电子二路18号，710065,13379082800，hbzhou@xsyu.edu.cn,本研究得到省级优势学科和陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTCL-04)资助1外加直流与脉冲电流模拟油井套管阴极保护效果比较研究周好斌张涛许庆徐向前周勇（西安石油大学材料科学与工程学院西安710065）摘要:目的研究对比外加直流与脉冲电流在模拟油井套管环境下的阴极保护效果。方法应用自制实验装置，在3%（质量分数）NaCl溶液中，在电源输出电源输出功率一定时，对比研究外加直流与脉冲电流模拟油井套管阴极保护效果。结果在相同的电源输出功率条件下，外加脉冲电流阴极保护可以得到更好的保护效果，电流消耗也较直流电流小。结论在模拟油井套管环境下，外加脉冲电流在高频率下保护效果比直流电流更好;调整参数时，应选择中间范围的占空比、相对较高的频率，同时优先调整频率。关键词:脉冲电流;阴极保护;保护电位;保护效果;PluspulseanddirectcurrentsimulationcomparativestudythewellcasingcathodicprotectioneffectZHOUHao-bin，ZHANGTao，XUQingXUXiang-qian，ZHOUYong(SchoolofMaterialScienceandEngineering，Xi’anShiyouUniversity，ShaanxiXi’an710065，China)Abstract:objectivetostudyandcomparetheeffectofpluspulseanddirectcurrentundersimulatedconditionsofthewellcasingcathodicprotection.Methodsbyusingbolt，in3%(massfraction)NaClsolution,aboutAngle,inthepoweroutputvoltageof4.02V(dccathodicprotectionpotentialof0.95V),comparedtheeffectwithpulseanddirectcurrentundersimulatedconditionsofthewellcasingcathodicprotection.Resultsundertheconditionofthesameoutputpower,pulsecurrentcathodicprotectioncangetbetterprotectioneffect,andcurrentconsumptionalsorelativelysmallthandccurrent.Conclusionundersimulatedconditionsofoilwellcasing,underhighfrequency，pulsecurrentprotectioneffectisbetterthandirectcurrent;whenadjustparameters,weshouldchoosethemiddlerangeofthedutyratio,relativelyhighfrequency,andadjustfrequencypriorityatthesametime.Keywords:pulsecurrent;Cathodicprotection;Protectionpotential;Protectioneffect油井套管脉冲电流阴极保护技术距今已经有四十多年的发展历史，但是人们对其机理以及保护效果的研究还很匮乏[1]。而外加脉冲电流条件下油井套管阴极保护技术的优越性已经显现出来[2-5]。对比直流电流阴极保护，外加脉冲电流阴极保护具有更均匀的电流分布、更深的保护深度、较小的总电流消耗等优点[6-9]。本文采用自制实验装置，在3%(质量分数，后同)NaCl溶液中进行试验，研究模拟油井套管在电源输出功率一定时，直流电流和外加脉冲电流阴极保护条件下的保护效果。1阴极保护参数的选择与阴极保护相关的几个参数有自然腐蚀电位、保护电位、保护电流（可以换算成电流密度）以及脉冲电流特征参数频率和占空比，正确选择和控制这些参数是决定保护效果的关键。1.1自然腐蚀电位。对油井套管采用阴极保护的方法来进行延缓或防止腐蚀，无论采用强制直流阴极保护法还是采用强制脉冲电流阴极保护，被保护油井套管的自然腐蚀电位都是一个极为重要的参数，它体现了油井套管本身的活性，决定了脉冲电流阴极保护所需保护电流的大小，同时又是阴极保护准则中重要的参考点。1.2保护电位。为使油井套管的腐蚀过程停止，套管经阴极极化后所应达到的电位称为最小保护电位，也就是腐蚀原电池阳极的起始电位，起数电位与油井套管的种类、套管的腐蚀介质组成、浓度及周围环境温度等有关。根据实验测定，碳钢在土壤及海水中的最小保护电位为-0.85V（CSE）左右。1.3保护电流密度。保护电流密度与套管性质、环境介质成分、浓度、温度、套管表面状态（防腐层状况）、环境介质的流动、表面阴极沉积物等因素有关，对于土壤环境而言，有时还受季节因素的影响。所以，一般不用它作为阴极保护的控制参数，只有受环境影响无法测定保护电位时，才把保护电流密度作为控制参数。在油井套管的脉冲电流阴极保护中，电流密度是一个重要参数，可以作为控制参数用。1.4脉冲电流频率、占空比。脉冲电流可调节参数多，频率、占空比都可以影响脉冲电流阴极保护效果。因此，对于脉冲电流的频率和占空比，必须寻找一个最佳的配合比，使其在消耗最小的电能而在二者的配合控制下，使油井套管达到最深，最佳的保护效果。2实验（1）直流阴极保护实验：自制实验装置是长、宽、高分别为6000mm、600mm、500mm的长方形池子。将试样置于室温（25℃）的3%NaCl介质中。选用4只饱和甘汞电极分点经行电位测量，采用专用直流电源供电，电源输出功率一定的情况下将实验电极的保护电位控制在阴极极化范围内，根据阴极保护标准,选取电位(v.s.SCE)落在-0.77～-1.03V为达到阴极极化范围,负于-1.03V为过保护,正于-0.77V为欠保护[10-12]。参比电极布位电位每隔1500mm一个，共设四个测量点。图1实验装置平面示意图图2实验装置(2)脉冲电流阴极保护实验：脉冲电流阴极保护试验在直流阴极保护实验电源输出功率和腐蚀介质相同的条件下进行。实验示意图如图1和图2。由自制的专用脉冲电流阴极保护电源在输出功率一定的情况下，提供一定频率、占空比和幅值的方波脉冲电流。分别在频率为（100Hz、1000Hz、2000Hz、3000Hz、40000Hz、5000Hz）和占空比为（10%、50%）的情况下进行正交试验。用TDS1002数字示波器测量研究电极(阴极)的电位响应波形，并测量电位响应波形的最下沿电位作为极化电位。每隔30min用TDS1002数字示波器记录一次阴极的电位响应波形，并用电压表测量参比电极布位点极化电位值。3实验结果与讨论3.1直流模拟实验结果与讨论直流阴极保护实验初始阶段，各点的保护电位上下波动幅度大，处于一个不稳定状态。大概半个小时后，各点的保护电位逐渐稳定，剔除初始阶段的保护电位，开始记录。实验结果如表1所示：表1电源输出功率一定时直流阴极保护实验结果时间保护电位（mV）（min）0号1号2号3号4号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号为阳极与阴极间的电位，1～4号为各参比电极与阴极之间的保护电位，测量时间间隔30min。由表1数据可以看出，直流阴极保护电位随着保护距离的增大有一个衰减的过程，这主要是由直流电流密度传输距离和阳极的布位不同造成的。1号参比电极为阳极布位位置的阴极保护电位测量值，4号参比电极距离阳极位置最远，可以明显的看出保护电位随保护距离的延伸衰减趋势厉害。1号参比电极已经过保护，而3、4号参比电极处还处于欠保护状态。3.2脉冲电流阴极保护模拟实验结果与讨论如图3和图4所示。脉冲电流阴极保护初始阶段工作和直流电流阴极保护一样。当电源输出功率一定时，脉冲电流频率为100Hz和占空比为10%时一号测量点保护电位已经完全达到有效保护，而3、4号测量点的保护电位处于严重欠保护状态，当占空比增加到50%时，各测量点的保护电位均有所增加，但是增加范围不大，说明调节占空比对保护电位的影响效果不明显。再由脉冲电流占空比为50%和电源输出功率一定时，比较100Hz3000Hz和5000Hz的个测量点的保护电位，得出频率为3000Hz时各测量点的保护电位比100Hz的各点保护电位均有明显的改善，尤其是在3、4号的保护电位增加范围明显加大，说明频率的改变对保护电位的影响程度明显，再观察5000Hz时各点的保护电位，相比于3000Hz时保护电位又出现下降和分散的趋势。占空比一定时，不同频率下随着保护距离的增加保护电位都有明显的衰减趋势，当频率增加时各点的保护电位都趋向于最佳保护电位内且当频率增加到3000Hz时各点的保护电位最理想，3000Hz以后再加大频率保护电位又趋向于衰减和分散。由此表明当其它参数一定时，改变频率可以改善阴极保护系统的保护效果。当脉冲电流的频率且电源输出功率一定时，单独改变占空比（逐渐增大），各点的保护电位也有增大的趋势。说明单独改变频率和占空比均可以改善保护效果，而且频率的影响大于占空比，同时调节频率与占空比时最佳调节策略。012345600700800900100011001200保护电位(mV)距离(m)DC100mV1000mV2000mV3000mV4000mV5000mV图3占空比P=10%不同频率下的保护电位图012345600700800900100011001200保护电位(mV)距离(m)DC100mV1000mV2000mV3000mV4000mV5000mV图4占空比P=50%的不同频率下的保护电位图3显示，当占空比为10%且输出频率一定时，不同频率下的保护电位变化范围都要比直流阴极保护时的保护电位变化范围更加接近有效保护电位范围，直流阴极保护距离阳极最近点已经过保护而最远点的保护电位相比于脉冲电流阴极保护最远点的保护电位更小，处于欠保护状态。这表明脉冲电流阴极保护电流密度分布均匀，传输距离远。可以有效解决油井套管垂直于底层环境，而无法通过增加阳极点来达到全线保护的状态。在频率为3000Hz时，保护电位范围最为集中，且通过观察被保护阴极表面光滑，无明显的锈蚀点或者蚀坑，说明当占空比和电源输出功率一定时，频率为3000Hz为最佳优选方案。由图4的电位变化趋势可以反映出，当频率为3000Hz时脉冲电流阴极保护的保护电位更接近有效保护电位范围。说明50%的占空比配合3000Hz的频率对阴极保护最优。从平均电流消耗和保护效果两方面考虑，应尽可能选择中间范围的占空比、较高的频率。4结论本文通过模拟油井套管进行实验，从实验结果来看脉冲电流阴极保护系统的保护效果确实优于直流阴极保护系统，并且通过实验得出：（1）模拟油井套管实验表明该保护系统中当脉冲电流的频率在3000Hz、占空比为50%时油井套管的保护效果最佳。（2）研究结果为脉冲电流阴极保护系统有效解决了直流阴极保护电流传输距离短，使得保护深度难以延长的问题提供了一定的参考依据。参考文献【1】王军，毕宗岳等.油套管腐蚀与防护技术发展现状[J].焊管，2013,36（7）:57-62.【2】DoniguianTM.AmericanGas