袁振昆，徐金獻(xiàn)，高光軍

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司蘇丹分公司，北京 100011）

蘇丹油田站場(chǎng)鋼管樁陰極保護(hù)狀況分析及改進(jìn)

袁振昆，徐金獻(xiàn)，高光軍

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司蘇丹分公司，北京 100011）

對(duì)蘇丹油田站場(chǎng)鋼管樁陰極保護(hù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并根據(jù)站場(chǎng)鋼管樁陰極保護(hù)特點(diǎn)，結(jié)合蘇丹油田土壤狀況對(duì)鋼管樁陰極保護(hù)提出了改進(jìn)意見，包括陽(yáng)極回路加裝可調(diào)電阻、陽(yáng)極焦炭包覆層采用透水性較好的非絕緣材料、將陽(yáng)極埋地方式改為深井陽(yáng)極地床、采用瞬間電位法判定陰極保護(hù)效果、對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行灌水處理。改進(jìn)后的鋼管樁陰極保護(hù)效果良好。

鋼管樁；陰極保護(hù)；陽(yáng)極接地電阻；深井陽(yáng)極地床

0 引言

蘇丹目前的主要油田位于蘇丹南部 （2011年7月9日，南蘇丹獨(dú)立后，部分油田位于南蘇丹境內(nèi)）。油田所處地區(qū)氣溫偏高 （年最高氣溫達(dá)48℃），旱季、雨季分明，一年中有6～7個(gè)月為旱季，6月到10月為雨季，其中7、8月份雨量最大。

蘇丹某油田站場(chǎng)于2004年底開始建設(shè)，2005年投產(chǎn)運(yùn)行。該站場(chǎng)鋼管樁陰極保護(hù)系統(tǒng)在進(jìn)行調(diào)試和投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，存在部分樁管達(dá)不到陰極保護(hù)要求的情況，為此根據(jù)當(dāng)時(shí)該站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)情況和調(diào)試投產(chǎn)時(shí)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件，對(duì)該站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行局部調(diào)整，最終達(dá)到要求。

1 陰極保護(hù)系統(tǒng)存在問(wèn)題的分析及改進(jìn)

蘇丹某油田站場(chǎng)鋼管樁采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方法，設(shè)計(jì)R01、R02和R03三套陰極保護(hù)系統(tǒng)，分別用于保護(hù)動(dòng)力區(qū)設(shè)施鋼管樁、公用設(shè)施區(qū)鋼管樁和庫(kù)房區(qū)鋼管樁 （見圖1）。其中RO1和R02系統(tǒng)有6組陽(yáng)極組，R03系統(tǒng)有3組陽(yáng)極組。

1.1 陽(yáng)極回路設(shè)計(jì)分析及改進(jìn)

該站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用一套陰極保護(hù)系統(tǒng)多個(gè)陽(yáng)極回路分布方式 （見圖1），而且每個(gè)陽(yáng)極回路陽(yáng)極數(shù)量不等。由于每一個(gè)陽(yáng)極回路陽(yáng)極數(shù)量不等、每一根陽(yáng)極周圍狀況不同，造成每一個(gè)陽(yáng)極回路的陰極保護(hù)輸出電流不同 （見表1）。導(dǎo)致陰極保護(hù)電流分配非常不均勻，投產(chǎn)時(shí)部分樁管陰極保護(hù)達(dá)不到要求或不理想。

陰極保護(hù)系統(tǒng)投產(chǎn)時(shí)，正值當(dāng)?shù)睾导?，土壤非常干燥，土壤電阻率高，為此?duì)陽(yáng)極進(jìn)行了灌水處理，以降低陽(yáng)極接地電阻，提高陰極保護(hù)電流輸出，改善陰極保護(hù)效果。

表1系統(tǒng)陽(yáng)極組電流輸出測(cè)試結(jié)果

另外，建議鋼管樁陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中在每一個(gè)陽(yáng)極回路中加裝可調(diào)電阻，分別對(duì)每個(gè)陽(yáng)極回路的電流輸出進(jìn)行控制，以保證陰極保護(hù)的均勻性。也可以采用多臺(tái)小整流器，每個(gè)小整流器設(shè)1個(gè)或2個(gè)陽(yáng)極回路，增加現(xiàn)場(chǎng)操作的靈活性，確保鋼管樁的陰極保護(hù)效果。

1.2 陰極保護(hù)電位測(cè)試方法分析及改進(jìn)

一般情況下，對(duì)鋼管樁陰極保護(hù)效果的判定采用測(cè)量鋼管樁陰極保護(hù)電位的方法，當(dāng)鋼管樁陰極保護(hù)電位≤-0.85 V（相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極）時(shí)，鋼管樁達(dá)到陰極保護(hù)要求。該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用前提是，在陰極保護(hù)電位測(cè)量時(shí)，參比電極距離被保護(hù)體相當(dāng)近，測(cè)量中的IR降可以忽略。

陰極保護(hù)電位測(cè)量等效電路見圖2。

表2 動(dòng)力區(qū)陰極保護(hù)系統(tǒng) （R01）測(cè)試結(jié)果

從圖2可以看出：Ep=Vm-Ve，其中Ve=Icp×Rsoil（IR降），土壤中的陰極保護(hù)電流Icp和土壤電阻Rsoil將大大影響陰極保護(hù)電位測(cè)量結(jié)果。在站場(chǎng)鋼管樁陰極保護(hù)電位測(cè)量中，土壤非常干燥，土壤電阻率非常高，同時(shí)由于陽(yáng)極埋設(shè)方式為分散布置，局部土壤陰極保護(hù)電流較大，這些都大大增加了陰極保護(hù)電位的IR降，因此采用-0.85 V的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樁管陰極保護(hù)效果進(jìn)行判定，容易出現(xiàn)誤判情況。

本文對(duì)陽(yáng)極灌水處理后的R01、R02、R03系統(tǒng)分別采用瞬間斷電位法進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2～4所示。由樁管陰極保護(hù)電位測(cè)試結(jié)果可以看出，樁管去極化電位差＞0.1 V，達(dá)到陰極保護(hù)要求。

在這種情況下，采用瞬間斷電位法進(jìn)行判定，可以克服IR降對(duì)陰極保護(hù)電位測(cè)量結(jié)果的影響，尤其在蘇丹旱季時(shí)土壤異常干燥的情況下是一種較為理想的測(cè)量方法。

表3 公共設(shè)施區(qū)陰極保護(hù)系統(tǒng) （R02）測(cè)試結(jié)果

注：整流器輸出電流：67.0 A，整流器輸出電壓：50.0 V。

表4 庫(kù)房區(qū)陰極保護(hù)系統(tǒng) （R03）測(cè)試結(jié)果

注：整流器輸出電流：15.0 A，整流器輸出電壓：50.0 V。

1.3 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

該站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)見圖3。采用高硅鑄鐵陽(yáng)極，陽(yáng)極外包覆一層焦炭，焦炭外層用鍍鋅鐵皮包裹。

焦炭層本來(lái)應(yīng)起到防止 “氣阻”、降低陽(yáng)極接地電阻、延長(zhǎng)陽(yáng)極壽命的作用。但是該陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中，焦炭層被鍍鋅鐵皮包裹，焦炭層不能和土壤直接接觸，使用早期不僅不能避免 “氣阻”的產(chǎn)生，而且也不能顯著降低陽(yáng)極接地電阻。尤其陽(yáng)極和焦炭層被鍍鋅鐵皮包覆后，水很難進(jìn)入焦炭層，大大影響焦炭層的導(dǎo)電性能，使陽(yáng)極接地電阻居高不下，對(duì)陰極保護(hù)不利。

對(duì)于該陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，在施工中應(yīng)當(dāng)對(duì)鍍鋅鐵皮包裹層進(jìn)行鉆孔處理，以利于水的進(jìn)入，從而改善陽(yáng)極接地電阻。在以后的陽(yáng)極制造中，對(duì)于焦炭包覆層可采用透水性良好的非絕緣材料。

1.4 陽(yáng)極埋設(shè)方式分析及改進(jìn)

該站場(chǎng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)采用淺埋陽(yáng)極地床均勻分布的方式。從表2～4鋼管樁陰極保護(hù)電流測(cè)試結(jié)果可以看出，鋼管樁陰極保護(hù)電位分布非常不均勻，出現(xiàn)過(guò)保護(hù)的情況。

蘇丹油田所處區(qū)域具有旱季、雨季界限十分分明的特征，淺埋陽(yáng)極地床的每根陽(yáng)極、每一陽(yáng)極回路周圍土壤干濕程度一年中會(huì)發(fā)生很大變化，其接地電阻值在一年中起伏很大。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，對(duì)鋼管樁的陰極保護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)：將陽(yáng)極埋設(shè)方式改為深井陽(yáng)極地床，取得了很好的效果。

深井陽(yáng)極地床是深度15 m以下的豎直陽(yáng)極。深井陽(yáng)極地床的采用，可以克服因地表土壤電阻率高，陽(yáng)極接地電阻大的問(wèn)題，也可有效減少因季節(jié)變化對(duì)接地電阻的影響。而且陽(yáng)極與被保護(hù)體間有一定距離，使保護(hù)電流分布更加均勻，同時(shí)采用深井陽(yáng)極地床可以減小對(duì)其他金屬構(gòu)筑物的干擾腐蝕。

表5為某集輸站采用鋼管樁的陰極保護(hù)電位測(cè)試結(jié)果。

表5 某集輸站鋼管樁陰極保護(hù)測(cè)試結(jié)果

采用深井陽(yáng)極地床的同時(shí)，在每個(gè)陽(yáng)極回路中都加裝了可調(diào)電阻。改進(jìn)后的陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，鋼管樁陰極保護(hù)電位分布更加均勻，保護(hù)效果更好。

2 結(jié)束語(yǔ)

陰極保護(hù)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、材料到施工，直至投產(chǎn)后的運(yùn)行乃至維護(hù)，各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題都會(huì)影響整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對(duì)該站場(chǎng)鋼管樁陰極保護(hù)出現(xiàn)的問(wèn)題，我們積極進(jìn)行總結(jié)和分析，在以后的鋼管樁陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、施工中加以改進(jìn)，達(dá)到了較好的陰極保護(hù)效果。

（1）陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，如果一個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)中的一臺(tái)設(shè)備帶多個(gè)陽(yáng)極回路，應(yīng)當(dāng)在每個(gè)陽(yáng)極回路加裝可調(diào)電阻，以利于陰極保護(hù)電流的均勻分布，提高陰極保護(hù)效果。

（2）在陰極保護(hù)電位測(cè)試和陰極保護(hù)效果的判斷上，根據(jù)蘇丹站場(chǎng)土壤情況，采用瞬間斷電位法進(jìn)行判定，效果良好。

（3）如果仍采用淺埋陽(yáng)極地床，應(yīng)對(duì)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，焦炭層包覆材料改為導(dǎo)電型透水良好的材料。

（4）考慮蘇丹油田土壤狀況，鋼管樁的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，陽(yáng)極地床的埋設(shè)方式宜采用深井陽(yáng)極地床。

（5）應(yīng)加強(qiáng)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行后的維護(hù)。對(duì)于蘇丹站場(chǎng)土壤狀況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行灌水等處理，以降低陽(yáng)極接地電阻，改善陰極保護(hù)效果。

[1]NACE RP 0169-2002，Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

[2]NACE TM 0497-2002，Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

[3]NACE RP 0572-2001，Design,Installation,Operation,and Maintenance of Impressed Current Deep Groundbeds[S].

[4]Pierre R Roberge.Handbook of Corrosion Engineering[M].New York:McGraw-Hill，2010.

[5]胡士信.陰極保護(hù)工程手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[6]趙常英.輸油站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)[J].石油工程建設(shè)，2010，（5）：48-50.

Analysis and Improvement of Cathodic Protection for Steel Pipe Piles in Sudan Oilfield Stations

YUAN Zhen-kun（China Petroleum Engineering&Construction Corporation Sudan Branch， Beijing 100011， China），XU Jin-xian，GAO Guang-jun

The problems in the cathodic protection system for steel pipe piles in Sudan oilfield stations were analyzed and the improvement suggestions were put forward according to the features of station cathodic protection and based on the soil conditions of Sudan oilfield,which include adding adjustable electrical resistance in anode circuit,using non-insulation material with good permeability as the protective layer of anode coke,changing buried anode into deep well anode ground-bed,applying instantaneous electric potential method to judge cathodic protection effect and watering anode.The improved cathodic protection effect of steel pipe piles was good.

steel pipe pile;cathodic protection;potential;anode grounding resistance；deep well anode ground-bed

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.019

袁振昆 （1965-）男，天津人，高級(jí)工程師，美國(guó)防腐工程協(xié)會(huì)二級(jí)涂裝檢驗(yàn)師 （NACE CIPZ），國(guó)家注冊(cè)監(jiān)理工程師，1987年畢業(yè)于天津大學(xué)腐蝕與防護(hù)專業(yè)，現(xiàn)從事油田地面工程項(xiàng)目管理工作。

2012-03-20