李軍龍　徐　星　鞏毅超　金劉偉　潘　媛

陜西宇陽石油科技工程有限公司,　陜西　西安　710018

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長輸油氣站場陰極保護

李軍龍徐星鞏毅超金劉偉潘媛

陜西宇陽石油科技工程有限公司,陜西西安710018

摘要：為抑制大型油氣站場地下金屬構(gòu)筑物的腐蝕,確保企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營活動,有必要了解站場陰極保護的技術(shù)特點,明確應(yīng)用中影響保護效果的技術(shù)難點?；谑┘釉谟蜌庹緢龉芫W(wǎng)密集區(qū)的陰極保護存在著保護電流需求大、陽極床設(shè)計困難、對外部的干擾和屏蔽現(xiàn)象較為復雜等問題,通過分析站場陰極保護實施中的關(guān)鍵技術(shù),明確了線性陽極作為輔助陽極有著其他傳統(tǒng)陽極床所不具備的優(yōu)勢,可以有效控制干擾、減緩屏蔽。站場陰極保護是保證大型油氣站場安全生產(chǎn)的重要防腐措施,線性陽極對提高站場陰極保護的防護效果意義重大。

關(guān)鍵詞：油氣站場；站場陰極保護；線性陽極；屏蔽；干擾

0前言

站場陰極保護技術(shù)是20世紀70年代后期石油工業(yè)的一項研究成果,目前正在石油系統(tǒng)全面推廣,并取得了顯著的防護效果與經(jīng)濟效益[1]。站場管道管徑差異較大,閥門異構(gòu)件較多,防腐層大多難以工廠預(yù)制,只能現(xiàn)場涂覆,涂層質(zhì)量難以保證,加之保溫管線包覆的聚丙烯膠粘帶防水密封性較差,保溫材料進水后,發(fā)生嚴重的保溫層下腐蝕,使得站場埋地管道具有較高的腐蝕風險。站場防雷接地與陰極保護的矛盾突出,會造成大量保護電流無序漏失。較高的腐蝕風險加之陰極保護電流分布不均勻,給站場的安全運行帶來隱患,不但影響了企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營活動,還造成了嚴重的環(huán)境污染。

工藝站場是長輸油氣管道必不可少的組成部分,其安全運行是向管道下游平穩(wěn)、安全、足量輸油輸氣的重要前提。因此,對站場施加陰極保護是很有必要的,這對貫徹“完整性管理”理念要求,抑制站內(nèi)管網(wǎng)腐蝕意義重大,是確保站場安全運營,降低生產(chǎn)成本的有效手段。

1站場陰極保護設(shè)計路線

1.1保護方法的選擇

站場陰極保護技術(shù)是防止埋地管道及金屬構(gòu)筑物腐蝕,保證工藝站場安全運行的有效措施。該技術(shù)依靠輔助陽極的合理布局、保護電流的合理分配以及相鄰近工作區(qū)的電絕緣措施[2-4]將站場某一區(qū)域內(nèi)的所有預(yù)保護對象作為一個整體,使得被保護對象陰極極化,極化電位處于陰極保護準則要求的范圍之內(nèi)。

站場陰極保護有強制電流保護和犧牲陽極保護兩種形式。犧牲陽極在高電阻率環(huán)境不宜使用，保護電流不可調(diào)，對防腐層質(zhì)量要求高,需要定期更換,投產(chǎn)調(diào)試工作和后期管理運行較為麻煩,因此,只適用于保護電流需求量小、地質(zhì)條件適宜的站場或?qū)Υ笮驼緢鰪娭齐娏飨到y(tǒng)屏蔽點的補充保護。強制電流系統(tǒng)輸出電流連續(xù)可調(diào),保護范圍大,一次性投入高,但保護年限長達30 a 以上,主要應(yīng)用于壓氣站、輸油泵站、油庫罐區(qū)及油氣集輸聯(lián)合站的陰極保護[5-6]。強制電流系統(tǒng)主要由恒電位儀、陽極地床和被保護金屬構(gòu)筑物(陰極)組成,此外還有參比電極、檢測站、連接電纜和絕緣裝置等。

1.2輔助陽極的選擇

輔助陽極是保障陰極保護有效性的工程性結(jié)構(gòu)單元,其作用是將保護電流經(jīng)介質(zhì)傳遞到被保護結(jié)構(gòu)物表面。陽極床的設(shè)計原則：能夠使被保護體獲得足夠保護電流,避免陽極與被保護體之間產(chǎn)生電屏蔽,且避免對線路管道和其他系統(tǒng)外構(gòu)筑物產(chǎn)生干擾,故輔助陽極的類型選擇和位置分布是陰極保護有效性的關(guān)鍵[7]。根據(jù)站場保護對象的分布情況,采用大量分布式小輸出陽極,通過模擬軟件優(yōu)化陽極床的設(shè)計、均衡保護電流分布、控制雜散電流干擾等措施,達到預(yù)期的效果。目前國內(nèi)用于站場陰極保護的地床形式主要有深井陽極、淺埋陽極和線性陽極,三種陽極的優(yōu)缺點見表1。

表1輔助陽極布置形式優(yōu)缺點對比

形式優(yōu)點缺點淺埋陽極施工簡單,可根據(jù)工程需要分布式埋設(shè);費用低,容易檢查地床各部分的工作情況保護電流電位分布不均,易產(chǎn)生干擾和屏蔽現(xiàn)象;存在氣阻問題,影響保護電流的輸出;占用較多土地空間,可能限制站場的改造與擴建深井陽極不受地形限制、占地小;陽極地床接地電阻小;電流分散性好,保護范圍大;與淺埋陽極相比降低地表電位梯度,減輕對周圍其他金屬構(gòu)筑物的干擾無法進行定量計算,完全憑經(jīng)驗;施工復雜,受地質(zhì)條件限制,不可預(yù)見因素較多,存在較大風險;可能影響站外管道陰極保護系統(tǒng)線性陽極輸出電流分布均勻,保護電位分布均勻;適用于不同土壤電阻率環(huán)境;能有效解決復雜管網(wǎng)區(qū)域內(nèi)屏蔽和干擾問題;保護管網(wǎng),可以弱化電絕緣條件要求;敷設(shè)安裝較為方便單位長度成本高;施工中陽極發(fā)生斷裂不易查找斷裂位置

由表1可以看出,線性陽極的應(yīng)用可以較好地解決復雜管網(wǎng)、儲罐的屏蔽問題,還可以解決傳統(tǒng)輔助陽極在陰極保護技術(shù)應(yīng)用中的難點,如對外部結(jié)構(gòu)的干擾、高電阻率環(huán)境介質(zhì)中實施陰極保護及儲罐底部的陰極保護電流分布等問題。

1.3站場陰極保護技術(shù)特點

與管道干線的陰極保護相比,工藝站場陰極保護的技術(shù)要求更高[8]。兩個系統(tǒng)的主要保護特點對比見表2。

針對工藝站場地下金屬構(gòu)筑物所面臨的腐蝕和安全性問題,應(yīng)根據(jù)站場的現(xiàn)場條件實施安全、有效、經(jīng)濟的陰極保護。在確保保護區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)獲得充分保護的同時,最大限度地避免對其他結(jié)構(gòu)的干擾。

2站場陰極保護的技術(shù)難點

2.1線性陽極的敷設(shè)

當采用線性陽極時,埋深應(yīng)低于被保護體200 mm,因為埋地管道的腐蝕多發(fā)生在管體中心線下面。另外,保護罐底板外壁的線性陽極埋深為距離罐底板約600 mm,并根據(jù)罐基礎(chǔ)砂墊層的設(shè)計坡度進行“環(huán)形”或“蛇形”敷設(shè)。線性陽極還可選配“Ⅰ”型和“T”型連接接頭和陽極封頭,可根據(jù)管道的走向任意截取和相互連接。線性陽極沿被保護構(gòu)筑物敷設(shè),間距不小于300 mm；當線性陽極與管道、接地極、或其他線性陽極交叉時,應(yīng)采用隔離網(wǎng)套予以隔離保護。

表2站場陰極保護與管道干線陰極保護特點對比

項目站場陰極保護管道干線陰極保護保護對象埋地鋼質(zhì)管道、儲罐底板多為單一管道保護回路非常復雜簡單接地系統(tǒng)除管網(wǎng)、罐底板外,還包括接地網(wǎng)管道本身安全要求易燃易爆場所,要求高管道通常敷設(shè)在野外,要求相對較低保護電流需求站內(nèi)設(shè)施與龐大接地網(wǎng)相連通,電流消耗量大小不易準確估計,只有小部分電流消耗在保護對象上主要消耗在防腐層破損處,需求量小,約為幾安培陰極保護站設(shè)置在站場內(nèi),相對集中沿管道走向布置,需滿足保護距離要求陽極地床設(shè)計非常困難,陽極類型的選擇及安裝位置在一定程度上受到限制陽極位置與管道的垂直距離不宜小于50m,選擇余地較大干擾屏蔽干擾較多且難以控制,埋地金屬構(gòu)筑物緊密鄰近導致區(qū)域內(nèi)屏蔽干擾較少且容易控制,短路套管、涂層剝離等導致管道保護屏蔽運行調(diào)試對各回路進行綜合調(diào)試,調(diào)整各回路的輸出電流,使保護電流盡可能分布均勻,后期調(diào)整必不可少運行調(diào)試簡單,一般不需后期整改

由于管道防腐層有差異,使得線性陽極在不同部位其輸出電流不同。當線性陽極輸出電流大時,會造成線性陽極附近有較高的陽極電壓場,如果參比電極正好位于該電壓場內(nèi),結(jié)構(gòu)對地的電位值就會大于管道的實際保護電位,且電位讀數(shù)極不均勻。因此,安裝時要把參比電極和線性陽極分別安裝在管道的兩側(cè),盡量靠近被保護結(jié)構(gòu)[9]。

2.2通電點和測試點的設(shè)置

由于站場設(shè)備較多,接地復雜,保護電流需求量大,通過多路恒電位儀、多通電點、多饋電點來滿足保護準則要求。通電點位置應(yīng)分區(qū)域設(shè)置在復雜管網(wǎng)的主管道上,同時要遠離接地系統(tǒng),調(diào)整通電點位置對控制各陽極床的輸出和平衡各回路保護電流分布起著重要作用[10]。通電點包括恒電位儀陰極輸出電纜與管道的連接點,以及為恒電位儀反饋信號的測試點,包括陰極電纜、零位接陰電纜和參比電纜。

測試點用于了解管道的保護效果,掌握陰極保護設(shè)施的運行情況。設(shè)置位置為距通電點最遠的管道處、絕緣裝置處、管道的折點處、跨接裝置處以及接地系統(tǒng)中有必要設(shè)置測試點的地方等。

2.3干擾問題及預(yù)防措施

由于保護區(qū)域內(nèi)對象繁多,地下金屬結(jié)構(gòu)復雜,線路管道常處于站場陰極保護系統(tǒng)陽極影響區(qū)內(nèi),受到站場陰極保護系統(tǒng)的干擾[11]。

某站場陰極保護輔助陽極采用淺埋陽極,站區(qū)陰極保護系統(tǒng)運行后,干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出即為零,同時下游出站端管線的極化電位較正常情況下偏移-500 mV左右。后期現(xiàn)場測試明確了干線陰極保護系統(tǒng)的控制參比電極(或通電點)處于站場陽極床的電壓場影響區(qū)。由于干線保護系統(tǒng)以通電點附近管道的極化電位作為反饋進行恒電位調(diào)節(jié),來自站內(nèi)保護系統(tǒng)的雜散電流流入該管道引起控制點極化增大,干線陰極保護系統(tǒng)輸出將自動下降為零[12],最終導致干線通電點附近過保護,而站場上下游管線無保護,增大了管線腐蝕的風險。

預(yù)防干擾的主要措施有：

1)提高站內(nèi)埋地金屬構(gòu)筑物的防腐等級,減少陰極保護電流需求,優(yōu)先選用大量分布式小輸出陽極,如線性陽極；

2)根據(jù)平面布置圖、埋地管網(wǎng)分布圖合理設(shè)置通電點和基準信號點位置；

3)通過輔助陽極床的方式選擇及位置設(shè)計,盡量降低站場陰極保護系統(tǒng)與線路管道陰極保護系統(tǒng)的干擾[13]；

4)當采用深井陽極時,干線通電點附近應(yīng)設(shè)置排流防護措施來避免受到站內(nèi)的干擾；

5)干線陰極保護系統(tǒng)采用恒電流輸出,將站外控制參比移動至受站內(nèi)保護系統(tǒng)干擾小的位置[14]。

2.4屏蔽問題及預(yù)防措施

站場陰極保護的屏蔽問題主要是由區(qū)域內(nèi)埋地金屬構(gòu)筑物緊密鄰近造成的。由于站內(nèi)管道、閥、大型設(shè)備等與接地極、鋼筋混凝土基礎(chǔ)鄰近且存在電性接觸,流向該區(qū)域的保護電流會在土壤中產(chǎn)生電位梯度造成結(jié)構(gòu)分流。當出現(xiàn)密集區(qū)屏蔽時,密集區(qū)外圍的金屬結(jié)構(gòu)易對中央金屬結(jié)構(gòu)造成屏蔽,可采用多組陽極分散布置,遠近陽極互為補充,使陽極周圍的影響區(qū)相互充分疊加,改善整個區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的保護電位[15]。

2.5接地系統(tǒng)的影響及預(yù)防措施

有效的電絕緣是保證陰極保護系統(tǒng)正常運作和有效性的前提,但油氣站場一般均設(shè)置聯(lián)合接地網(wǎng),陰極保護和電力接地相互矛盾。為彌補非保護對象對保護電流的消耗,確保保護結(jié)構(gòu)都能充分極化,只能提高陰保設(shè)備的輸出功率,這樣既消耗過多電能又不利于站場安全,同時使陽極體消耗過快,不能保證陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計壽命。

某管道采用涂層與陰極保護聯(lián)合保護,站場原設(shè)計僅采用涂層防護,后期因腐蝕嚴重補加了陰極保護。該站遠陽極投運后,站場外圍測點電位均滿足陰極保護準則要求,但中央測點因屏蔽效應(yīng)未達到設(shè)計要求；增加近陽極后,保護效果有所改善[16],但仍未徹底解決,主要是該站裸鋼接地系統(tǒng)的屏蔽作用造成的；將接地體更換為鋅合金,站場區(qū)域全部達到保護要求。測試結(jié)果見表3,表中電位數(shù)據(jù)相對銅/飽和硫酸銅參比電極測得,系統(tǒng)輸出電壓16.1 V,輸出電流17.3 A,給定電位-1.25 V。

表3某輸氣管道站場陰極保護分步施工測試表

mV

對于大型油氣站場接地系統(tǒng),必須在設(shè)計階段采取措施保證電力接地系統(tǒng)與陰極保護系統(tǒng)的兼容,采用鋅合金等具有比管道更負電位的金屬材料作接地材料可以起到陰極保護和防雷接地的雙重作用。

3結(jié)論

站場陰極保護是保證大型油氣站場安全生產(chǎn)的重要防腐措施,采用以分散式淺埋陽極+線性陽極為主的強制電流陰極保護,在主保護系統(tǒng)未達到保護準則的部位輔以犧牲陽極來實現(xiàn)。由于區(qū)域陰極保護所需電流量很大,深井陽極和淺埋陽極的電壓場存在著對干線陰極保護的干擾,以及站內(nèi)難以克服的電流屏蔽問題。而線性陽極可靠近被保護結(jié)構(gòu)物敷設(shè),提供均勻、有效的保護,干擾和屏蔽問題基本上不存在。建議以后國內(nèi)大型油氣站場陰極保護在設(shè)計中積極引入線性陽極技術(shù),進一步推動我國站場陰極保護技術(shù)的發(fā)展。

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收稿日期：2016-02-27

作者簡介：李軍龍(1990-)，男，陜西渭南人，助理工程師，學士，主要從事油氣田地面工程腐蝕與防護設(shè)計工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.016