王 成 ,師學(xué)良 ,陳雪峰 ,堯宗偉 ,葛彩剛 ,周 成

(1.國家管網(wǎng)西部管道塔里木輸油氣分公司,庫爾勒 841000;2.北京凱斯托普科技有限公司,北京 100029)

區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)作為一種有效防止輸油氣站場埋地金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕的措施,已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1-2]。區(qū)域性陰極保護(hù)是將站場內(nèi)的所有埋地金屬結(jié)構(gòu)物作為保護(hù)對象,依靠陽極地床的合理設(shè)計(jì)、保護(hù)電流的合理分配以及相鄰工作區(qū)的隔置,使得保護(hù)對象處于陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求的范圍之內(nèi)。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是區(qū)域陰極保護(hù)的主要方式[3],其陽極地床的形式和分布是決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵,在選擇輔助陽極地床形式時(shí),需要基于站場特點(diǎn),根據(jù)不同輔助陽極地床形式的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。目前,輔助陽極地床的形式主要有深井陽極、淺埋陽極和柔性陽極[1,3]。區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)對象繁多,陰極保護(hù)電流需求量大,地下金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜,干擾和屏蔽問題突出[4]。

本工作對比了不同輔助陽極地床形式的優(yōu)缺點(diǎn),測試和分析了不同陽極地床形式對站場區(qū)域陰極保護(hù)效果和干線管道干擾的影響,提出了本案例中區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)存在的問題和治理措施,并進(jìn)一步測試治理后站場區(qū)域的陰極保護(hù)效果和干線管道受干擾情況。

1 不同陽極地床形式的優(yōu)缺點(diǎn)

深井陽極的優(yōu)點(diǎn)有占地小、保護(hù)范圍大、接地電阻小、保護(hù)電流分布均勻和引起的地表電位梯度小。其缺點(diǎn)包括對地質(zhì)條件有要求、施工較復(fù)雜、要求一次施工成功和維修更換困難[5],對于電流需求量大的結(jié)構(gòu)物密集區(qū),無法提供足夠的陰極保護(hù)電流,造成結(jié)構(gòu)密集區(qū)極化效果差[6]。深井陽極影響范圍大,區(qū)域陰極保護(hù)電流容易流入干線管道,對干線管道造成雜散電流干擾。

淺埋陽極地床的優(yōu)點(diǎn)有施工簡單、維修更換容易、保護(hù)電流分布范圍小以及可用于外圍接地系統(tǒng)或鄰近屏蔽區(qū)域的金屬結(jié)構(gòu)物[6],其缺點(diǎn)是不適用于地表土壤電阻率較高的環(huán)境、用量多、占地面積大、地表電位梯度大,且存在明顯的電流分布不均勻的問題。

柔性陽極地床的優(yōu)點(diǎn)有電流分布均勻、不存在密集管網(wǎng)屏蔽問題[5],在土壤電阻率較大時(shí)依舊能夠有效保護(hù)管道,對站外陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾小,其缺點(diǎn)是需要沿管線敷設(shè)、開挖工作量大、線電流較小、輸出電流有限和區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)電流需求量大,容易造成陽極失效,陽極擊穿電壓小,施工要求高,不規(guī)范操作或不合理的敷設(shè)方式常會(huì)導(dǎo)致鈦絲斷開,使得部分陽極失效[1]。

2 天然氣壓氣站陰極保護(hù)狀況及存在的問題

某壓氣站站場內(nèi)有埋地管道的區(qū)域劃分為分離器區(qū)、收發(fā)球區(qū)、壓縮機(jī)區(qū)、循環(huán)空冷區(qū)和后置空冷器。站場在2009年投運(yùn)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng),共有6臺恒電位儀,4臺運(yùn)行2臺備用。4臺恒電位儀分別對應(yīng)的保護(hù)區(qū)域?yàn)?號分離器區(qū)、2號放空管線、3號收發(fā)球區(qū)和4號壓縮機(jī)及循環(huán)空冷區(qū),見圖1,恒電位儀的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)見表1,表1中的參比電位相對于銅/硫酸銅參比電極(CSE)。站場內(nèi)有兩個(gè)80 m 的深井陽極,位于站場的西南側(cè)和南側(cè),分別連接2號和4號恒電位儀,兩路恒電位儀保護(hù)站場內(nèi)的埋地管道。分離器區(qū)和收發(fā)球區(qū)埋設(shè)柔性陽極進(jìn)行保護(hù),分別連接1號和3號恒電位儀,柔性陽極與埋地管道并行敷設(shè),壓縮機(jī)區(qū)埋設(shè)分布式淺埋陽極進(jìn)行保護(hù),連接4號恒電位儀,陽極位于空冷區(qū)北側(cè)。

圖1 區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域和陽極地床分布圖Fig.1 Distribution map of protection area and anode bed of regional cathodic protection system

表1 恒電位儀的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)Tab.1 Parameters and operating status of potentiostat

站場內(nèi)各個(gè)區(qū)域管道的極化電位和自然電位的測試結(jié)果見圖2,圖2中的電位均相對于CSE,對應(yīng)的測試點(diǎn)分布位置見圖3,站場的極化電位為-1.17～-0.38 V,自然電位為-0.62～-0.31 V,其中,24 處管道的極化電位不滿足保護(hù)電位負(fù)于-0.85 V(相對于CSE,下同)的準(zhǔn)則,陰極極化值為40～590 mV(見圖4),6處管道的電位不滿足陰極電位負(fù)移至少100 mV 的準(zhǔn)則,陰極保護(hù)率為82.35%。欠保護(hù)的區(qū)域分布在放空管線的7號測試點(diǎn)、收發(fā)球區(qū)的10號測試點(diǎn)、壓縮機(jī)區(qū)和循環(huán)空冷區(qū)的21號測試點(diǎn)和25號～27號測試點(diǎn)。對比不同區(qū)域的極化電位可以看出,采用柔性陽極保護(hù)的分離器區(qū)、收發(fā)球區(qū)和靠近分布式淺埋陽極區(qū)域的循環(huán)空冷區(qū)的測試點(diǎn)(如18號,20號,23號),管道極化效果較好,極化電位偏負(fù),而緊靠深井陽極保護(hù)的壓縮機(jī)區(qū)域附近的測試點(diǎn)(如24號～28號),極化電位偏正,極化值小于100 mV,處于欠保護(hù)狀態(tài),主要是附近接地網(wǎng)較密集,造成電流屏蔽,使得深井陽極的電流無法達(dá)到此位置管道的表面,同時(shí)壓縮機(jī)區(qū)和循環(huán)空冷區(qū)接地網(wǎng)密集,因此測得的電位偏正。

圖2 站場埋地管道極化電位和自然電位測試結(jié)果Fig.2 Test results of polarization potentials and natural potentials of buried pipelines in the station

圖3 區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)測試點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution map of regional cathodic protection system test points

圖4 站場埋地管道極化值測試結(jié)果Fig.4 Test results of polarization values of buried pipelines in the station

逐個(gè)開啟站內(nèi)恒電位儀,測試進(jìn)出站絕緣接頭外側(cè)電位,分析區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外管道的雜散電流干擾情況,測試結(jié)果見表2,表中電位均相對于CSE。由表2可知:2號和4號恒電位儀開啟后,進(jìn)出站管道電位均明顯正移;在2號恒電位儀開啟后,進(jìn)站管道電位正移1.153 V,出站管道電位正移1.030 V;4號恒電位儀開啟后,進(jìn)站管道電位正移0.87 V,出站管道電位正移0.651 V;1號和3號恒電位儀開啟后,對管道電位的影響不明顯,表明2號和4號恒電位儀對站外管道造成雜散電流干擾。2號和4號恒電位儀連接兩個(gè)深井陽極,深井陽極保護(hù)范圍廣[7],電流從遠(yuǎn)離站場的干線管道流入,沿管道向站場方向流動(dòng),在絕緣接頭處流出,再流回區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng),如圖5所示[8],對干線管道造成陰極干擾,使絕緣接頭外側(cè)管道存在腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。以上測試結(jié)果表明,柔性陽極地床對干線管道造成的雜散電流干擾較小,深井陽極對線路管道造成的雜散電流干擾較大。

表2 站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外管道干擾測試結(jié)果Tab.2 Interference test results of cathodic protection system in the station to the pipeline outside the station

圖5 站外管道受區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)造成的陰極干擾示意圖Fig.5 Schematic diagram of cathodic interference caused by regional cathodic protection system to pipelines outside the station

根據(jù)以上測試結(jié)果和基礎(chǔ)資料可知,天然氣站場的陰極保護(hù)存在以下問題:(1) 放空管線、收發(fā)球區(qū)、壓縮機(jī)區(qū)和循環(huán)空冷區(qū)存在欠保護(hù)點(diǎn),尤其是壓縮機(jī)區(qū)的電位偏正;(2) 區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對干線管道造成陰極干擾,絕緣接頭處存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn);(3) 分離器區(qū)和收發(fā)球區(qū)的柔性陽極地床使用時(shí)間較長,存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 天然氣壓氣站陰極保護(hù)治理措施及效果測試

根據(jù)天然氣站場陰極保護(hù)存在的問題,天然氣壓氣站采取相應(yīng)的治理措施:(1) 停用深井陽極;(2) 廢棄分離器區(qū)和收發(fā)球區(qū)的柔性陽極地床;(3) 在站場各區(qū)域增設(shè)分布式淺埋高硅鑄鐵陽極,分離器區(qū)埋設(shè)21支,收發(fā)球區(qū)埋設(shè)25支,壓縮機(jī)區(qū)埋設(shè)20支,后置空冷區(qū)埋設(shè)15支,放空管線區(qū)域埋設(shè)11支,埋設(shè)的分布式陽極距離管道約為2m,陽極之間的間距為5～9 m。

治理措施實(shí)施后,恒電位儀的運(yùn)行狀態(tài)和管道的極化電位見表3和圖6,表3中的參比電位和圖6中的電位均相對于CSE。由表3和圖6可知:站場的極化電位為-1.20～-0.67 V,其中,6處管道的極化電位不滿足保護(hù)電位負(fù)于-0.85 V 的準(zhǔn)則,陰極極化值為140～770 mV(見圖7),管道的電位均滿足陰極電位負(fù)移至少100 mV 的準(zhǔn)則,陰極保護(hù)率為100%。對比治理措施實(shí)施前后管道的極化電位可以看出,滿足-0.85 V 電位準(zhǔn)則的測試點(diǎn)數(shù)量明顯上升,站場內(nèi)的極化電位有明顯地提升,在壓縮機(jī)區(qū)增設(shè)淺埋高硅鑄鐵陽極后,25號～28號測試點(diǎn)的電位明顯負(fù)移,陰極極化值從70～110 mV 提升至310～520 mV,表明在電流屏蔽的區(qū)域,采用淺埋高硅鑄鐵陽極,可以有效提升屏蔽區(qū)域的管道極化電位,由于靠近25號～28號測試點(diǎn)的區(qū)域未設(shè)置淺埋高硅鑄鐵陽極,該區(qū)域的電位較其他區(qū)域的偏正。

圖6 治理措施實(shí)施后站場埋地管道極化電位測試結(jié)果Fig.6 Test results of polarization potentials of buried pipelines in the station after implementation of control measures

圖7 治理措施實(shí)施后站場埋地管道極化值測試結(jié)果Fig.7 Test results of polarization values of buried pipelines in the station after implementation of control measures

表3 治理措施實(shí)施后恒電位儀的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)Tab.3 Parameters and operating status of potentiostat after implementation of control measures

逐個(gè)開啟站內(nèi)恒電位儀,測試進(jìn)出站絕緣接頭外側(cè)電位,分析治理措施實(shí)施后區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外管道的雜散電流干擾情況,測試結(jié)果見表4,表4中的電位均相對于CSE。由表4可知,在開啟站內(nèi)4個(gè)恒電位儀后,進(jìn)出站管道的電位變化不明顯,表明采用分布式淺埋陽極對干線管道的雜散電流干擾較小。

表4 治理措施實(shí)施后陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外管道干擾的測試結(jié)果Tab.4 Interference test results of cathodic protection system to the pipeline outside the station after implementation of treatment measures

4 結(jié)論

區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果和對干線管道的雜散電流干擾主要由陽極地床的分布形式?jīng)Q定。本案例研究結(jié)果顯示,區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)采用深井陽極地床時(shí),在埋地金屬結(jié)構(gòu)物密集區(qū)域,由于接地網(wǎng)的電流屏蔽作用,使得埋地管道很難達(dá)到有效的保護(hù)效果。分布式淺埋陽極地床可以有效解決接地網(wǎng)的電流屏蔽作用,提升屏蔽區(qū)域管道的陰極保護(hù)有效性,采用分布式淺埋陽極能讓整個(gè)站場均達(dá)到較好的保護(hù)狀態(tài)。深井陽極地床電流分布廣,電流容易流入干線管道的遠(yuǎn)端,然后通過站場絕緣接頭外側(cè)流入站內(nèi),對干線管道的絕緣接頭外側(cè)造成陰極干擾,分布式淺埋陽極和柔性陽極電流分布較為集中,能降低干線管道的雜散電流干擾風(fēng)險(xiǎn)。