朱浩(北京中航油工程建設(shè)有限公司,北京 100621)

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淺述輸油管線陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)

朱浩
(北京中航油工程建設(shè)有限公司,北京 100621)

【摘 要】陰極保護(hù)技術(shù)作為油氣長輸管線工程中必不可缺的一部分,能夠有效的抑制土壤對油氣管道的腐蝕,極大的提高了油氣長輸管線運(yùn)行壽命。本文結(jié)合廣州場外航煤輸油管線工程采用的以強(qiáng)制電流為主、犧牲陽極為輔的陰極保護(hù)方案,從設(shè)計(jì)的角度討論了陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)時需要考慮的因素,方案參數(shù)計(jì)算方法以及雜散電流的影響因素及防治措施。

【關(guān)鍵詞】輸油管線 強(qiáng)制電流保護(hù) 犧牲陽極保護(hù) 雜散電流

1 概述

陰極保護(hù)作為防止金屬腐蝕的有效技術(shù)，自1965年引入國內(nèi)，經(jīng)過40 多年的發(fā)展，目前已發(fā)展成熟，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在油氣長輸管線上得到廣泛的應(yīng)用。陰極保護(hù)技術(shù)主要分為強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法，廣州場外航煤輸油管線工程采用的強(qiáng)制電流為主，犧牲陽極為輔的方案。

2 陰極保護(hù)原理

埋地金屬管道腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕，分析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種類型[1]，主要原理如下:

(1)析氫腐蝕。

陽極反應(yīng)(Fe):Fe =Fe2++e-Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+正極(雜質(zhì)):2H++2e-=H2

電池反應(yīng):Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2，即析氫腐蝕。(2)吸氧腐蝕。

負(fù)極(Fe):Fe=Fe2++2e-

正極:O2+2H2O+4e-=4OH-

總反應(yīng):2Fe+O2+2H2O=2 Fe(OH)2，即吸氧腐蝕。

強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法共同的特點(diǎn)是給管道提供電流，避免金屬管道因電子流失而發(fā)生腐蝕。管道陰極保護(hù)電位應(yīng)為-850 mV或更負(fù)，陰極保護(hù)狀態(tài)下管道的極限電位不能比-1200mV(CSE)更負(fù)，避免保護(hù)電位不足或過負(fù)。此外，上述保護(hù)電位準(zhǔn)則難以達(dá)到時，可采用陰極極化電位差大于100mV作為判斷依據(jù)[2]。

3 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)原則及方法

3.1陰極保護(hù)方案

3.1.1 陰極保護(hù)方案比較

強(qiáng)制電流法保護(hù)范圍大、輸出電流可調(diào)節(jié)、不受環(huán)境介質(zhì)影響、保護(hù)裝置壽命長、工程越大越經(jīng)濟(jì)，但需要外部電源、對附近金屬構(gòu)筑物干擾大且維護(hù)管理量大。

犧牲陽極法無需外部電源、對附近構(gòu)筑物干擾很小、保護(hù)電流分布均勻、投產(chǎn)調(diào)試后無需管理、工程越小越經(jīng)濟(jì)，但保護(hù)電流不可測、高電阻環(huán)境不宜使用、對防腐層質(zhì)量要求較高、投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜[3]。

廣州場外航煤輸油管線(簡稱“場外管線”，下同)工程采用以強(qiáng)制電流為主，犧牲陽極為輔的陰極保護(hù)方案。

3.1.2 設(shè)計(jì)考慮因素

管線參數(shù):采用L360鋼材，一般段直縫電阻焊Φ406.4×8.0，穿越段直縫埋弧焊鋼管Φ406.4×8.8，設(shè)計(jì)壓力8MPa，常溫輸送航空煤油，鋼管外防腐采用加強(qiáng)級3PE；

土壤電阻率:大部分地段200Ω.m左右；

雜散電流:管道沿線有高壓線和電氣化鐵路；

設(shè)計(jì)保護(hù)年限:40年；

保護(hù)電位:消除土壤IR降的前提下，管/地電位達(dá)到-0.85V或更負(fù)(CSE)；或在陰極保護(hù)極化形成或衰減過程中，陰極極化電位差值最小為100mV。

3.2 陰極保護(hù)計(jì)算方法

陰極保護(hù)計(jì)算是陰極保護(hù)的核心技術(shù)，指導(dǎo)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行，計(jì)算方法參考GB/T 21448-2008，以場外管線陰極保護(hù)方案為例進(jìn)行說明。

3.2.1 強(qiáng)制電流保護(hù)[2]

(1)保護(hù)長度計(jì)算。

式中:L—單側(cè)管道保護(hù)長度，m；

△V—最大與最小保護(hù)電位之差，V；

D—管道外徑，m；

JS—保護(hù)電流密度，A/m2，取值0.00002；

RS—管道線電阻，Ω/m；

ρT—鋼管電阻率，Ω·mm2/m；

δ—管道壁厚，mm。

經(jīng)計(jì)算，管道單側(cè)保護(hù)長度為45km。

(2)保護(hù)電流計(jì)算。

按照被保護(hù)對象的實(shí)際面積和選取的保護(hù)電流密度，計(jì)算保護(hù)電流:

式中:I0—單側(cè)管道保護(hù)電流，A；

Dp—管道外徑，m；

Js—保護(hù)電流密度，A/m2；

L—保護(hù)管道長度，m。

(3)單支水平式輔助陽極接地電阻計(jì)算。

本工程設(shè)計(jì)采用高硅鑄鐵陽極，預(yù)包裝陽極組尺寸規(guī)格為Φ 219×2000mm。陽極地床為淺埋陽極，埋設(shè)深度1.5米。陽極地床位置選取低洼、低電阻率區(qū)域，距管道垂直距離應(yīng)不小于300m。

式中:Ra—水平式輔助陽極接地電阻，Ω；

ρ—土壤電阻率，Ω·m，取值為150；

La—輔助陽極長度(含填料)，m；

Da—輔助陽極直徑(含填料)，m。

(4)陽極地床接地電阻計(jì)算。

式中:Rz—陽極地床接地電阻，Ω；

Ra—單支水平式輔助陽極接地電阻，Ω；

F—輔助陽極電阻修正系數(shù)；

n—輔助陽極支數(shù)。

(5)電源系統(tǒng)及陽極地床。

式中:P—電源功率，W；

I—保護(hù)電流，A；

V—電源設(shè)備的輸出電壓，V；

η—電源設(shè)備效率，一般取0.7；

RZ—輔助陽極接地電阻，Ω；

R1—導(dǎo)線電阻，Ω；

RC—陰極過渡電阻，Ω；

Vr—輔助陽極地床的反電動勢，V；焦炭填充時取Vr=2V；

α—管道衰減因素，m-1；

L—被保護(hù)管道長度，m；

rt—管道線電阻，Ω/m；

Rt—防腐層過渡電阻率，Ω·m；

I0—單側(cè)保護(hù)電流，A。

經(jīng)計(jì)算，電源輸出電流為1.79 A，輸出電壓為8.9V，輸出功率22.74W。電源設(shè)備不能滿負(fù)荷運(yùn)行，本設(shè)計(jì)裕量取50%。

3.2.2 犧牲陽極保護(hù)

對于河流、公路的穿越段采用犧牲陽極作為增補(bǔ)措施，在河流和公路定向鉆穿越部位兩端各增設(shè)4支鎂合金犧牲陽極。在此不做詳細(xì)的計(jì)算。初步估算一般取全線10%的作為保護(hù)長度，根據(jù)所需的保護(hù)電流以及單支犧牲陽極的發(fā)電電流，計(jì)算出所需的犧牲陽極數(shù)量。

3.3 雜散電流的影響因素及措施

防護(hù)雜散電流腐蝕一般采取“以防為主， 以排為輔， 防排結(jié)合， 加強(qiáng)監(jiān)測”的綜合防護(hù)措施。雜散電流大小的基本趨勢是外加電流越小、土壤電阻率越大、管線埋深和水平距離越大、防腐層破損越小，對應(yīng)的雜散電流越小[3]，從如下幾方面考慮雜散電流的防治措施:

(1)在條件準(zhǔn)許的情況下，增加埋地管線與雜散電流電流源(如地鐵、電氣化鐵路、輸變線路、城市、工廠等雜散電流干擾源)平行及交叉距離[4]；(2)對于有雜散電流干擾段埋地金屬管線，管溝回填時換填電阻率較大的土壤；(3)采取絕緣性能好(如3PE)防腐層，選擇可靠的補(bǔ)口防腐材料(如聚乙烯熱收縮套)和施工工藝，對下溝回填的管線進(jìn)行電火花檢測，及時修補(bǔ)有缺陷的防腐層[5]。(4)根據(jù)雜散電流的強(qiáng)度采取合理的排流措施，場外管線采用“固態(tài)去耦合器+裸銅線排流床”的排流方法。

4 結(jié)語

在長輸管線陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，通常采用強(qiáng)制電流保護(hù)為主，犧牲陽極為輔的方案。在確定路由時，需要明確周邊雜散電流源的情況(如地下電纜、輸油輸氣管線、高壓電塔、變電站以及電氣化鐵路等)，在條件準(zhǔn)許時增加安全距離。在設(shè)計(jì)計(jì)算時，根據(jù)保護(hù)電位、防腐層種類、管材、土壤電阻率、電流保護(hù)密度等確定設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，還需注意犧牲陽極材料、套管屏蔽、絕緣法蘭干擾以及參比電極等問題，使陰極保護(hù)能達(dá)到最佳效果[6]。

參考文獻(xiàn):

[1]杜秀玲,吳希革,李楠.淺談埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)對3PE涂層的影響.腐蝕與防護(hù).2007.5.

[2]GB/T21448-2008.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范.

[3]曹阿林.埋地金屬管線的雜散電流腐蝕防護(hù)研究(博士學(xué)位論文).重慶:重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2010.

[4]宋吟蔚,王新華,何存富 等.埋地鋼質(zhì)管道雜散電流腐蝕研究現(xiàn)狀.腐蝕與防護(hù),2009:517-518.

[5]胡士信.管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].腐蝕與防護(hù),2004,25 (3):93-101.

[6]王芷芳,王健.陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)中的若干問題.腐蝕與防護(hù),2000: 164-166.

作者簡介:朱浩(1988—),男,湖北武漢人,碩士研究生,助理工程師,從事輸油管道設(shè)計(jì)工作。