解 靜 劉 超 李 軍 姜 旭

（1. 中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項(xiàng)目部，陜西 西安 710016；2. 中油國際管道有限公司，北京 102206；3. 國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741020；4. 中國石油天然氣銷售陜西分公司，陜西 西安 710000）

0 引言

長輸管道腐蝕控制技術(shù)成熟，普遍采用防腐層配合強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)的方式，有效提高管道系統(tǒng)性能和使用壽命[1]。大型天然氣站場設(shè)備設(shè)施集中布置（壓縮機(jī)、過濾分離器、閥門、工藝管道及匯管），站內(nèi)區(qū)域相對狹小，埋地、架空、管溝敷設(shè)方式多樣化，工藝、消防、排污、給排水多種管道，建筑、設(shè)備的地下接地系統(tǒng)，由于上述多種因素，天然氣站場陰極保護(hù)設(shè)計(jì)運(yùn)行技術(shù)還需完善提高，例如不同設(shè)備之間屏蔽和干擾，保護(hù)電位設(shè)計(jì)與實(shí)際差異較大，恒電位儀電流輸出過高等問題。天然氣站場管道和設(shè)備防腐層等級低于干線管道，如防腐層破損或者失效，如果缺乏可靠的陰極保護(hù)技術(shù)，天然氣站場產(chǎn)生較大的腐蝕泄漏風(fēng)險。分析天然氣站場陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)中的關(guān)鍵瓶頸問題，結(jié)合我國輸氣管道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了保證天然氣站場安全可靠運(yùn)行的實(shí)施建議。

1 天然氣站場陰極保護(hù)技術(shù)需求

天然氣站場陰極保護(hù)技術(shù)指將所有保護(hù)對象作為整體進(jìn)行防護(hù)，通過輔助陽極合理布局、保護(hù)電流平均分配，以及管道和設(shè)備之間的可靠絕緣措施，實(shí)現(xiàn)管道和設(shè)備處于特定陰極保護(hù)電位范圍。天然氣站場陰極保護(hù)技術(shù)需解決以下關(guān)鍵問題：

（1）保護(hù)對象、接地系統(tǒng)繁雜，防腐層等級較低，陰極保護(hù)電流消耗高；

（2）需妥善處理與管道干線陰極保護(hù)系統(tǒng)、地下金屬結(jié)構(gòu)、回路之間的干擾屏蔽問題；

（3）天然氣站場輸油易燃易爆高風(fēng)險區(qū)域，需解決大功率恒電位儀短路打火問題；

（4）需解決深井陽極設(shè)計(jì)選型以及受場地條件限制問題。

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相對管道干線采用三層聚乙烯涂層（3LPE），國內(nèi)部分天然氣站場管道和設(shè)備采用無溶劑環(huán)氧涂層現(xiàn)場涂裝方式，防腐層質(zhì)量不能完全保證[2]。該產(chǎn)品在潮濕環(huán)境中易產(chǎn)生破損和漏點(diǎn)，造成嚴(yán)重的局部點(diǎn)蝕，也是造成天然氣站場陰極保護(hù)電流輸出較高的重要原因。天然氣站場接地系統(tǒng)除設(shè)備防雷接地，還包括廠房、建筑的混凝土鋼筋網(wǎng)，大部分保護(hù)電流在此流失，也是造成陰極保護(hù)電流幾十安甚至一百安的原因。

結(jié)合國內(nèi)天然氣管道工程實(shí)踐，降低陰極保護(hù)電流的可行措施是保證管道涂層完整性，定期檢測維修破損點(diǎn)；接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)隔離，接地裝置采用鍍鋅扁鋼，定期檢查接地裝置銹蝕狀況。天然氣站場陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要參數(shù)是電流密度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0088-2016《鋼質(zhì)儲罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定輸油站或油庫區(qū)域性陰極保護(hù)電流密度為5mA/m2～10mA/m2。但針對天然氣站場陰極保護(hù)電流密度缺少規(guī)定，建議新建天然氣站場設(shè)計(jì)中該數(shù)值選取應(yīng)考慮土壤類型、電阻率、含水量、含氧量，以及深井陽極型式、工藝管道防腐層狀況等因素合理選取，并對站內(nèi)接地系統(tǒng)電流流失情況進(jìn)行評估，必要時進(jìn)行饋電試驗(yàn)、建立臨時陽極地床、計(jì)算結(jié)構(gòu)對地電阻，估算天然氣站場陰極保護(hù)電流量級，合理選擇陰極保護(hù)電流密度參數(shù)。

3 陰極保護(hù)干擾和屏蔽

由于天然氣站場保護(hù)對象繁多，地下金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布密集，站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)隊(duì)干線干擾影響嚴(yán)重，管道干線陰極保護(hù)系統(tǒng)裝置也位于站內(nèi)，兩套陰極保護(hù)系統(tǒng)在涂層狀況、電流需求和安全性方面存在差異，電位控制點(diǎn)（陰極通電點(diǎn)和零位點(diǎn)）、參比電極設(shè)置在出站端絕緣接頭外側(cè)2m處，該位置處于站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)范圍內(nèi)，強(qiáng)電流形成電磁場會對干線管道陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。可行措施是站場陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極地床盡可能遠(yuǎn)離管道干線陰極保護(hù)系統(tǒng)控制點(diǎn)，或者將控制點(diǎn)位置移至非影響區(qū)（站區(qū)外管道干線進(jìn)行密間隔電位測試評估干擾情況）；另一方面，恒電位儀控制點(diǎn)安裝排流電極，降低或消除干擾電流造成的附加極化或者去極化。此外天然氣站場區(qū)域有限，電源設(shè)備集中布置，通過接地線可能有較大電流流入成為雜散電流干擾源，交流干擾電壓大于15V會對金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生腐蝕問題。

屏蔽問題在天然氣站場陰極保護(hù)系統(tǒng)中比較普遍，一般的工藝管道與接地系統(tǒng)、鋼筋基礎(chǔ)、電氣裝置和排水管道的密集區(qū)，該區(qū)域保護(hù)電流在土壤中產(chǎn)生電位梯度，如位于區(qū)域中央屏蔽效應(yīng)達(dá)到最大。如管道防腐層質(zhì)量較差或存在破損點(diǎn)，屏蔽問題更嚴(yán)重，導(dǎo)致陰極保護(hù)效果不足。針對該問題只依靠遠(yuǎn)陽極系統(tǒng)是不夠的，可采取在未達(dá)到保護(hù)效果的特定位置采用近陽極分散布置或者鎂鋅犧牲陽極方式是進(jìn)行補(bǔ)充保護(hù)，使得陽極影響區(qū)互相疊加，改善區(qū)域內(nèi)電流分布以消除屏蔽。從陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工采取分階段實(shí)施，先完成主保護(hù)回路（遠(yuǎn)陽極系統(tǒng)）通電調(diào)試，再根據(jù)測試結(jié)果布置近陽極型式，也能起到減緩屏蔽的效果。

4 天然氣站場安全防護(hù)

天然氣站場屬于一級防火區(qū)域。陰極保護(hù)系統(tǒng)電流通常達(dá)到幾十安甚至上百安，如設(shè)備故障或短路，可能發(fā)生電擊打火問題。一般的，陰極保護(hù)設(shè)備因?yàn)楸举|(zhì)安全型防爆設(shè)備，供電設(shè)備應(yīng)滿足GB 50058-2014《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》。調(diào)研國內(nèi)天然氣站場陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)置滑動變阻器用于調(diào)節(jié)陽極輸出電流值，存在不同程度的燒蝕問題，主要原因是滑動變阻器產(chǎn)品質(zhì)量和大電流熱作用，從而隊(duì)天然氣站場安全運(yùn)行造成風(fēng)險隱患。新建天然氣站場是否采用該做法值得商榷，從調(diào)整控制保護(hù)電流分布均衡角度出發(fā)，本質(zhì)方法是陽極型式選型、埋設(shè)位置和數(shù)量等因素。

5 輔助陽極設(shè)計(jì)選型

輔助陽極選型、埋深、數(shù)量、布置形式是天然氣站場陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的輔助陽極設(shè)計(jì)可以保證保護(hù)電流均勻分布，同時有效避免或限制干擾和屏蔽影響，保證陰極保護(hù)電位滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。國內(nèi)天然氣站場一般選用深井陽極、淺埋陽極和柔性陽極三種。

深井陽極可有效釋放保護(hù)電流，保護(hù)范圍廣，針對站場區(qū)域小和土壤電阻率高的情形，地質(zhì)條件要求被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)與深井陽極之間不能含高電阻率的巖石層。為保證陰極保護(hù)電流均勻流至保護(hù)體，考慮經(jīng)濟(jì)性和施工難度，深井陽極埋深應(yīng)大于20m。國內(nèi)某天然氣站場采用兩路深井陽極地床，經(jīng)測試站區(qū)邊緣保護(hù)電位較高（放空區(qū)），站區(qū)中心區(qū)仍不滿足保護(hù)要求（壓縮機(jī)區(qū)），分析原因?yàn)榻拥伢w密集屏蔽問題，采取補(bǔ)充犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)?？煽闯?，深井陽極側(cè)重將保護(hù)體整體極化，保護(hù)邊緣極化程度較高，中心區(qū)域可能存在屏蔽而極化程度較低，需要采用輔助陽極保護(hù)措施。

高硅鑄鐵淺埋陽極埋入地表下1～5m長期濕潤土層中，分為集中式和分布式埋設(shè)兩種型式。集中式也稱遠(yuǎn)陽極，距離被保護(hù)體較遠(yuǎn)，陽極成組埋設(shè)于含回填料的陽極溝，通過陽極地床輸出大功率電流，將站場管道設(shè)備整體極化。國內(nèi)某天然氣站場集中式陽極設(shè)計(jì)形式為4組、每組5支，分別設(shè)置在站場東西南北方向邊緣處。分布式也稱近陽極，采用單只或多支陽極沿被保護(hù)體2～3m安裝。集中式陽極施工方便，無需單只陽極電流調(diào)整，但因大電流輸出整體極化，存在站內(nèi)屏蔽問題；靠近遠(yuǎn)陽極管道電位較高，站場中心區(qū)域可能不滿足保護(hù)要求，集中式陽極對于站場規(guī)模較大可能不適用，或者采用遠(yuǎn)陽極分散布置并與近陽極相結(jié)合的方式，例如在中心區(qū)域、管道接地體密集區(qū)設(shè)置近陽極，遠(yuǎn)陽極和近陽極分別電流調(diào)節(jié)分配的做法。

柔性陽極具有保護(hù)電位分布均勻、電流密度高、壽命長、可靠性高特點(diǎn)，柔性陽極廣泛應(yīng)用于大型儲罐底板以及密集管網(wǎng)陰極保護(hù)，解決深井陽極電位不均勻和干擾屏蔽問題。柔性陽極安裝要求是與被保護(hù)體距離約300mm；柔性樣機(jī)如與管道交叉，應(yīng)采用套管予以隔離；陽極上方300mm回填土進(jìn)行細(xì)篩。但目前天然氣站場應(yīng)用還不廣泛，原因是柔性陽極安裝施工要求高，需要緊貼管道設(shè)備安裝，如管道設(shè)備檢修維護(hù)可能造成與柔性陽極短接，且施工檢測難度大。

6 結(jié)語

（1）采用深井陽極、淺埋輔助陽極等強(qiáng)制電流保護(hù)方式，系統(tǒng)需要較大電流輸出。新建天然氣站場，應(yīng)對接地系統(tǒng)泄漏電流進(jìn)行評估，合理選定保護(hù)電流密度；

（2）為防止站區(qū)和管道干線陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾問題，陽極地床應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離參比電極；

（3）采用深井陽極，應(yīng)考慮管道及接地密集區(qū)、站區(qū)中心區(qū)域設(shè)備犧牲陽極補(bǔ)充保護(hù)問題；

（4）天然氣站場陰極保護(hù)不能依靠一種陽極方式解決，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)體性質(zhì)、數(shù)量、規(guī)模進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，多種陽極布置方式即可獲得均勻電流分布，也能減緩干擾和屏蔽影響。