陳濤濤,趙 茜,杜艷霞,濮春明

(1. 北京市燃氣集團有限責(zé)任公司，北京 100011； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083;3. 國家管網(wǎng)西氣東輸分公司蘇浙滬輸氣分公司，南京 210002)

區(qū)域陰極保護是將指定區(qū)域范圍內(nèi)所有需要保護的對象作為一個整體，依靠輔助陽極的合理布局、保護電流的自由分配等，使被保護對象處于規(guī)定的保護電位范圍之內(nèi)。與傳統(tǒng)的陰極保護不同，區(qū)域陰極保護的保護對象是一定區(qū)域內(nèi)的埋地金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合體[1-2]。該方法所需投資較少，能夠有效減緩被保護對象的腐蝕速率[3]。區(qū)域陰極保護起源于20世紀(jì)50年代，最早應(yīng)用于油田內(nèi)部管道、套管、船舶等[4]。我國從20世紀(jì)70年代才開始區(qū)域性陰極保護技術(shù)的研究探索[5]，區(qū)域陰極保護起先僅用于油田的單井保護，但目前已廣泛應(yīng)用于長輸管道油氣輸送站場的防護[6-7]。

與干線陰極保護系統(tǒng)相比，區(qū)域陰極保護具有保護對象繁多、保護回路復(fù)雜、保護電流消耗較高、屏蔽與干擾等問題[8-9]，因此在有限空間內(nèi)陽極地床設(shè)計的難度較大。為了解決這些問題，基于陰極保護數(shù)值模擬技術(shù)及現(xiàn)場饋電試驗方法得到發(fā)展和應(yīng)用，使區(qū)域陰極保護的設(shè)計水平大幅提升。該方法能夠節(jié)省大量的人力、物力，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，國內(nèi)外許多學(xué)者[10-13]利用數(shù)值模擬技術(shù)對陰極保護陽極地床進行優(yōu)化設(shè)計，有效解決現(xiàn)場測試難度大以及依靠經(jīng)驗設(shè)計無法保證陰極保護效果的全覆蓋等問題。目前，區(qū)域陰極保護技術(shù)在長輸管道以及部分保護對象簡單的站場中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，而在城鎮(zhèn)燃氣門站尚未得到應(yīng)用，技術(shù)相對落后[10,14-17]。

由于城鎮(zhèn)燃氣門站所處地下環(huán)境復(fù)雜，站場內(nèi)埋地管網(wǎng)繁多，腐蝕失效案例時有發(fā)生，有必要對其進行區(qū)域陰極保護。本工作通過資料調(diào)研、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬，確定某燃氣門站區(qū)域陰極保護的最優(yōu)方案，為區(qū)域陰極保護在燃氣門站的應(yīng)用提供參考。

1 某燃氣門站基本情況及資料調(diào)研

某燃氣門站站內(nèi)工藝區(qū)主要由過濾計量區(qū)、調(diào)壓區(qū)、加臭區(qū)和生產(chǎn)區(qū)四個部分組成。站內(nèi)需要保護的對象主要是埋地管道，同時站內(nèi)大量防雷接地與管道相連，且無法與埋地管道進行電隔離，故將防雷接地的埋地部分也列入保護對象[1]。為保證實施方案的精準(zhǔn)，在設(shè)計區(qū)域陰極保護方案之前，對該門站進行資料調(diào)研，并現(xiàn)場實地檢驗管道分布圖的準(zhǔn)確性，了解埋地管道結(jié)構(gòu)的分布情況，確保位置的準(zhǔn)確性。圖1為該門站內(nèi)管道及測試點分布圖。由于埋地管道較多且分布復(fù)雜，故管道分布圖可以為下一步開展現(xiàn)場饋電試驗及數(shù)值模擬提供參考。

2 現(xiàn)場測試與試驗

2.1 土壤電阻率

土壤電阻率是進行陰極保護設(shè)計的一個基本的參數(shù)。采用Wenner四極法對該燃氣門站地下1.0～1.5 m的土壤進行電阻率測試,得到平均土壤電阻率約為39 Ω·m。

圖1 某燃氣門站站內(nèi)埋地管道及測試點分布圖Fig. 1 Distribution diagram of buried pipelines and test points in a gas gate station

2.2 自腐蝕電位測量

選取具有代表性的管道位置作為測試點，利用fluke萬用表測量各測試點的自腐蝕電位Vn，參比電極為飽和硫酸銅參比電極(CSE)。

2.3 饋電試驗

饋電試驗即采用臨時性陰極保護系統(tǒng)(電源和陽極地床)對擬保護對象進行通電極化試驗，在此基礎(chǔ)上獲得不同區(qū)域的保護電流需求，并對比不同區(qū)域保護的難易[18]。

2.3.1 饋電試驗過程

根據(jù)站內(nèi)空間、管道分布位置和保護電位分布情況，確定陽極地床預(yù)埋位置和數(shù)量。針對該燃氣門站的特點，設(shè)置了4個臨時陽極地床。陽極地床的埋設(shè)位置見圖1，材料為1 500 mm×50 mm×4 mm的鍍鋅扁鐵。陽極地床埋設(shè)完成后，回土填埋，壓實土壤，澆水潤濕，以降低陽極附近的土壤電阻率。

對設(shè)備通電，通過調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出將管道電位調(diào)整到理想的電位后，開始極化。4個陽極地床輸出如表1所示。

表1 4個陽極地床的輸出設(shè)置Tab. 1 Output setting of four anode ground beds

待管道極化穩(wěn)定后，開始進行管道陰極保護通、斷電電位測試(簡稱通、斷電電位)。在回路中串接斷路器，通過對陰極保護電源進行通、斷電來實現(xiàn)通、斷電電位測試。在之前選取的自腐蝕電位測試點處測試并記錄對應(yīng)的通電電位Von、斷電電位Voff，計算電位極化量ΔV(斷電電位與自腐蝕電位之差)。文中電位如無特指均相對于參比電極CSE。

2.3.2 饋電試驗結(jié)果

通過饋電試驗得到4個陽極地床保護下各測試點處管道通、斷電電位和電位極化量數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2～5所示。按照-850 mV電位準(zhǔn)則和100 mV極化準(zhǔn)則對管道陰極保護進行評估[19]。

由表2可見，在1#陽極地床保護下，管道通電電位位于-2.86～-0.52 V，管道斷電電位分布在-1.2～-0.48 V，電位極化量為-610～-30 mV。由于饋電試驗條件限制，極化時間較短，以及防雷接地材料較多并吸收了大部分陰保電流，管道極化不完全。編號為1、28、32、33、34 的測試點沒有滿足100 mV極化準(zhǔn)則，未得到有效保護。

由表3可見，在2#陽極地床保護下，管道通電電位位于-1.38～-0.44 V，管道斷電電位分布在-0.83～-0.42 V，電位極化量為-320～0 mV。編號為15、16、19、24、28、29、30、31的測試點沒有滿足極化準(zhǔn)則，處于欠保護狀態(tài)，其他的測試點得到良好保護。

由表4可見，在3#陽極地床保護下，管道通電電位位于2.32～-0.62 V，管道斷電電位分布在-0.94～-0.48 V，電位極化量為-450～-60 mV。編號為13、31、37的測試點沒有得到有效保護。

表2 1#陽極地床饋電試驗數(shù)據(jù)Tab. 2 Feed test data of 1# anode ground bed

表3 2#陽極地床饋電試驗數(shù)據(jù)Tab. 3 Feed test data of 2# anode ground bed

由表5可見，在4#陽極地床保護下，管道通電電位位于-2.45～-0.7 V，管道斷電電位分布在-0.97～-0.63 V，電位極化量為-370～-60 mV。除位置較遠的23、15測試點外，所有生產(chǎn)區(qū)埋地管道極化量均滿足要求，管道得到有效保護。

表4 3#陽極地床饋電試驗數(shù)據(jù)Tab. 4 Feed test data of 3# anode ground bed

表5 4#陽極地床饋電試驗數(shù)據(jù)Tab. 5 Feed test data of 4# anode ground bed

從4個陽極地床饋電試驗結(jié)果可以看到，該燃氣門站埋地管道電流衰減過快，陽極地床保護范圍較小，不能對站內(nèi)所有管道起到很好的保護。

以現(xiàn)場測試結(jié)果計算得到的電位極化量最小值為電位極化量的測試值ΔVtest，同時根據(jù)陰保設(shè)計目標(biāo)和被保護結(jié)構(gòu)物自腐蝕電位，計算出所需極化量的最大值ΔVreq，然后根據(jù)式(1)計算所需的陰保電流Ireq。

(1)

式中：Itest為陰保電流測試值，與電位極化量測試值對應(yīng)。

由于極化特性是非線性的，利用式(1)計算的所需陰保電流可能會存在誤差，為了降低該公式的計算誤差，以下將利用數(shù)值模擬方法對電流需求量進行計算，并采用被保護結(jié)構(gòu)物在實際土壤環(huán)境中的極化特性作為數(shù)值模擬的邊界條件。

3 電流需求量的數(shù)值模擬及方案確定

該燃氣門站內(nèi)空間狹小，地下管道縱橫交錯且會相互發(fā)生屏蔽干擾，這給保護性預(yù)測帶來一定的困難[18]。數(shù)值模擬方法則可以通過數(shù)學(xué)建模在陰極保護中調(diào)整或者確定陽極數(shù)量、分布等參數(shù)，計算出保護電位的范圍，預(yù)測出保護效果，得到最優(yōu)的陰極保護方案[1,20-21]。

3.1 模型建立

根據(jù)對某門站的資料查詢和現(xiàn)場信息核實，建立了該門站區(qū)域性陰極保護系統(tǒng)的三維幾何模型，如圖2所示。

圖2 燃氣門站的三維模型Fig. 2 3D model of a gas gate station

3.2 極化邊界確定

采用實驗室測試和邊界反演方法確定埋地管道防腐蝕涂層的狀況。邊界反演是指通過對陰極保護電場分布規(guī)律的研究來反演出管道極化邊界條件，從而準(zhǔn)確獲得模擬陽極地床保護下管道陰極保護電位的分布情況。

采用Reference 3000型電化學(xué)工作站和三電極體系測量X42鋼在土壤中的極化曲線。工作電極為尺寸10 mm×10 mm×5 mm的X42鋼，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為混合金屬氧化物(MMO)，介質(zhì)為現(xiàn)場帶回的土壤。掃描速率為1 mV/s，掃描范圍為-1 200～200 mV(相對于開路電位)。調(diào)整面電阻率和破損率的取值，獲得不同位置涂層極化的邊界條件，如圖3～4所示。

圖3 X42鋼在土壤中的極化曲線Fig. 3 Polarization curve of X42 steel in soil

圖4 根據(jù)饋電試驗反演獲得不同區(qū)域的極化曲線Fig. 4 Polarization curves of different regions obtained by inversion of feed test

3.3 陽極地床優(yōu)化方案

利用反演計算得到的陰極邊界對陽極地床進行設(shè)計優(yōu)化。分別計算獲得了外加電流淺埋分布式輔助陽極地床、深井與淺埋陽極地床共同防護以及犧牲陽極三種情況下的優(yōu)化方案。

3.3.1 方案1

方案1為外加電流淺埋分布式輔助陽極地床分布優(yōu)化方案。在采用6組淺埋分布式輔助陽極地床情況下，通過數(shù)值模擬對方案進行優(yōu)化，使站內(nèi)埋地管道能得到有效保護。6組陽極具體位置如圖5所示，陽極輸出電流分別為-2.30，-6.80，-1.20，-2.45，-2.85，-2.15 A，共-17.75 A。采用-850 mV的陰保準(zhǔn)則對數(shù)值模擬結(jié)果進行評價。根據(jù)數(shù)值計算得到外加電流陰極保護電位范圍為-1 199～-851 mV，如圖6所示。由圖6可知，所有站內(nèi)外管道得到有效保護，但管道電位衰減較快，站外電位較正。

3.3.2 方案2

方案2為深井與淺埋陽極地床分布優(yōu)化方案。通過數(shù)值模擬優(yōu)化獲得當(dāng)采用1組深井+4組淺埋陽極聯(lián)合保護方式時，深井與淺埋陽極地床的具體位置如圖7所示。陽極輸出分別為-6.65，-2.20，-6.10，-1.10，-2.00 A，共-18.05 A。根據(jù)數(shù)值計算得管道保護電位分布云圖，如圖8所示。由圖8可知，管道保護電位分布范圍為-1 199～-852 mV，所有站內(nèi)外管道得到有效保護，站外電位較負。

圖5 方案1中陽極地床分布Fig. 5 Distribution of anode ground beds in scheme 1

圖6 方案1保護電位分布云圖Fig. 6 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 1

圖7 方案2中陽極地床分布Fig. 7 Distribution of anode ground beds in scheme 2

3.3.3 方案3

方案3為犧牲陽極地床分布優(yōu)化方案。在站內(nèi)設(shè)置了17組犧牲陽極地床，具體位置如圖9所示，這些陽極幾乎覆蓋了站場所有沿線管道。陽極設(shè)置恒電位為-1.55 V，計算得到管道保護電位分布云圖,如圖10所示。由圖10可以看到，管道保護電位分布范圍為-967～-561 mV，站內(nèi)外少數(shù)管道得到有效保護，大部分管道沒有得到有效保護。因此犧牲陽極保護不適應(yīng)于該燃氣門站的陰極保護。

圖8 方案2保護電位分布云圖Fig. 8 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 2

圖9 方案3陽極地床分布圖Fig. 9 Distribution of anode ground beds in scheme 3

圖10 方案3保護電位云圖Fig. 10 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 3

將不同情況下的陰極保護方案及保護效果進行對比，如表6所示。由表6可見，犧牲陽極地床形式使用的陽極數(shù)量遠遠超過另外兩種方案，但只有少量的管道可以得到保護，多數(shù)管道無法得到保護；而淺埋陽極地床和深井+淺埋陽極地床形式可以使所有管道都得到保護，但采用深井+淺埋陽極地床形式時，站外電位較負，綜合考慮現(xiàn)場的實施條件和保護效果，最終選擇了外加電流淺埋分布式輔助陽極陰極保護方案。

表6 燃氣門站陽極優(yōu)化方案匯總Tab. 6 Summary of anode optimization scheme of a gas gate station

4 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場饋電試驗，對保護對象進行極化測試，可獲得門站不同區(qū)域的電流需求量，通過檢測埋地管道的陰極保護通、斷電電位分布情況，可以確定各個區(qū)域保護的難易程度，為陽極分布以及保護電流需求量的最終確定提供非常有價值的參考。

(2) 數(shù)值模擬結(jié)合饋電試驗數(shù)據(jù)，可以有效地預(yù)測不同陰極保護陽極地床分布方案下擬保護對象的電位分布，通過對陽極數(shù)量、分布、保護效果等參數(shù)進行對比，優(yōu)化陰極保護陽極分布方案。

(3) 利用數(shù)值模擬技術(shù)對燃氣門站區(qū)域陰極保護中外加電流淺埋分布式輔助陽極地床、深井與淺埋陽極共同防護以及犧牲陽極三種方案進行了計算和效果對比。結(jié)果表明，犧牲陽極方案中使用了大量陽極，但大部分管道仍未得到有效保護，外加電流淺埋分布式輔助陽極地床和深井與淺埋陽極共同防護都可以使管道得到有效保護。綜合考慮現(xiàn)場的實施條件和保護效果，最終選擇了外加電流淺埋分布式輔助陽極陰極保護方案。