趙 康

(國家管網集團聯合管道有限責任公司西部分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 前 言

隨著油氣輸送系統規(guī)模和自動化水平的不斷提高，站場內高低壓配電及控制系統不斷向網絡化、智能化、集成化方向發(fā)展，使得站場接地系統規(guī)模龐大，結構錯綜復雜，站場內管道、通信、電氣等系統聯合接地作為一種經濟有效的接地防護措施已在國內外得到了廣泛的使用。站場區(qū)域陰極保護技術作為防止站場內埋地金屬設施腐蝕的一種有效措施，在西方發(fā)達國家也同樣已被強制使用。我國從20 世紀70 年代[1]開始在部分站場實施區(qū)域陰極保護，取得了很好的保護效果。于敏等[2]在解決喇嘛甸油田地面設施腐蝕問題時，對區(qū)域陰極保護進行參數優(yōu)選，使鋼管的腐蝕速率降低了5 倍；蔡德強等[3]對岳106 井站已建站場補加區(qū)域陰極保護，使得站場受到保護。然而區(qū)域陰極保護由于保護對象繁多，陰極保護電流需求大，地下金屬結構復雜，干擾和屏蔽問題突出，導致陽極地床設計難度大[4]。區(qū)域陰極保護存在以上特點的一個主要原因就是受站內聯合接地和日益龐大的接地系統的影響。王飛等[5]認為站場內龐大的接地網會使區(qū)域陰極保護率很難達到100%，陳波等[6]發(fā)現哈四聯合站由于未考慮全裸接地網對陰極保護系統的影響，投產初期陰極保護系統有效保護效率僅有60%。在美國、中國和巴基斯坦等國家大量報道了由于接地系統影響而導致陰極保護系統發(fā)生異常的事件[7-12]。

站場內接地網的存在，不僅造成了大的陰極保護電流需求量，還帶來了嚴重的屏蔽與干擾問題，嚴重影響了區(qū)域陰極保護的效果和系統的長期穩(wěn)定運行。為了降低接地網對管網的影響，滕延平等[13]采用電流環(huán)法、鉗型電流表等電流測量方法及設備，對陰極保護存在絕緣故障的站場進行了排查，找出了故障位置。朱加祥等[14]在設計大型已建油庫的陰極保護系統時，認為確定管道的電流需求量和陽極地床的設計十分重要，使用饋電試驗確定了不同庫區(qū)所需要的保護電流密度，設計了合適的陽極地床以避免接地的干擾。隨著計算機的發(fā)展，研究人員還能借助數值模擬技術研究接地系統對陰極保護系統的影響[15-18]。劉瑤等[19]結合現場饋電試驗和數值模擬計算，對城鎮(zhèn)燃氣廠站進行陰極保護設計，并現場實際安裝，實施后的陰極保護效果達到了理想效果。Cui 等[20]利用BEASY 軟件分別研究了管道集中區(qū)的陰極屏蔽效應、陰極保護的影響以及直流雜散電流對管道腐蝕干擾的影響。本工作開展接地系統對埋地管道腐蝕危害及陰極保護效果的影響規(guī)律研究，通過腐蝕電流及陰極保護電場的數值模擬計算，研究確定接地網對埋地管道陰極保護效果的影響規(guī)律，對制定埋地管道區(qū)域陰極保護與接地網設計布置技術措施具有重要意義。

1 數值模擬

1.1 區(qū)域性陰極保護電位分布數學模型

針對陰極保護系統電場的分布情況，構建西部地區(qū)某站場的區(qū)域性陰極保護的數學模型，數學模型如式(1)所示:

式(1)中，V為計算求解的電解質區(qū)域，φ為求解區(qū)域內各處的電位，x、y、z為空間坐標；ΓA為包圍輔助陽極體的電解質邊界，φa為輔助/犧牲陽極體電位，Δφa/s為輔助/犧牲陽極對電解質電位，即通常所說的陽極極化電位，Ja為輔助陽極表面極化電流密度，σa為輔助陽極附近電解質的電導率；ΓC為包圍陰極體的電解質邊界，φc為陰極體電位，σc為陰極附近電解質的電導率；ΓI為電解質絕緣邊界；Δφpower為外加電源電壓。

1.2 幾何模型建立

本工作對該站場進行了調研，收集了整個站場內所有埋地構件的幾何尺寸、分布位置、表面狀況，土壤電阻率分布等基本信息，根據現場勘測與圖檔資料對比，確定了管網和接地網位置以及幾何尺寸，如圖1 所示。建立了區(qū)域陰極保護數值模擬計算幾何模型，如圖2 所示。站場區(qū)域中的埋地金屬結構物為工藝管道、水平接地體和垂直接地極。

圖1 站場埋地管網和接地系統1 ∶1 模型Fig.1 The 1 ∶1 models of the underground pipe network and grounding system

圖2 站場埋地管網和接地系統建模及網格劃分Fig.2 Modeling and grid division of underground pipe network and grounding system

1.3 邊界條件

本數值模擬中涉及輔助陽極、接地系統和管網等結構的邊界條件。其中，輔助陽極采用恒電流密度邊界條件，即陽極輸出電流/陽極表面積；接地系統和管網均采用極化邊界條件。

1.3.1 土壤電阻率

土壤電阻率是陰極保護建模中重要的參數，在站場中，采用溫納四電極交流電法來測量站場土壤電阻率，測試所得土壤電阻率為80 Ω·m。

1.3.2 極化曲線

使用站場的土壤，測試低碳鋼(扁鐵)、低電阻模塊(碳)、鋅接地(鋅包鋼)、銅接地在該站場土壤環(huán)境的極化曲線，獲得管道和接地網邊界條件，如圖3 所示。

圖3 管道和不同接地材料在土壤中的極化曲線Fig.3 Polarization curves of pipes and different ground materials in soil

2 計算結果與分析

2.1 無陰極保護時垂直接地極材料對管道電位和腐蝕速率的影響規(guī)律

由于垂直接地極全裸暴露于土壤中，與管線電連接，垂直接地極材料將影響管道的腐蝕行為。當垂直接地極材料的自然電位相對于管道自然電位正時，垂直接地極將作為陰極，管線成為陽極，管道將面臨很大風險腐蝕。

設置不同垂直接地極材料均距離管道0.68 m。垂直接地極有26 支，水平接地體采用扁鐵材料，不同垂直接地極材料對埋地金屬結構物電位和腐蝕速率的影響如表1 所示。

表1 垂直接地極對管道電位和管道腐蝕速率的影響Table 1 Effect of vertical grounding pole on potential and corrosion rate of the network

當選用低電阻模塊垂直接地極材料時，管道電位分布在-0.560～-0.752 V(vs CSE，下同)，靠近垂直接地極的管道電位正向偏移190 mV，其腐蝕速率為32.130 mm/a，影響范圍為3 m，管道面臨嚴重的腐蝕風險；當垂直接地極采用銅材料時，管道電位分布在-0.631～-0.754 V，靠近垂直接地極的管道電位正向偏移120 mV，影響范圍為3 m，其腐蝕速率為3.548 mm/a，與垂直接地極采用低電阻模塊一樣，銅接地材料會對附近管道造成嚴重的腐蝕；當垂直接地極和水平接地體均采用扁鐵材料時，電位未發(fā)生偏移，管道發(fā)生自腐蝕，自腐蝕速率為0.065 mm/a。

2.2 有陰極保護時接地對管道陰極保護效果的影響規(guī)律

當垂直接地極材料自然電位正于管道的自然電位時，接地系統將對陰極保護系統造成影響。為此，考察了管道之間存在低電阻模塊垂直接地極時對管道陰極保護效果的影響，垂直接地極與管道之間的間距很小，僅為0.2 m，如圖4 所示。

圖4 選取管網9 個(1～9 號)有代表性位置點，記錄低電阻模塊垂直接地極位于管網中間時，管網在陽極地床保護下的陰極保護電位分布Fig.4 Protection potential distribution of the network under the protection of the anode ground bed of the 9 representative position points (1～9) when the vertical grounding pole of the low-resistance module was located in the middle of the network

計算結果如圖5 所示。在低電阻模塊垂直接地極的影響下，管道電位分布為-0.224 ～ -0.694 V(vs CSE)，管道發(fā)生嚴重腐蝕；在距離管道0.80 m 補加1支輔助陽極，額外輸出電流為0.16 A，管道的陰極保護電流密度為20.4 mA/m2，管道電位分布為-0.685～-1.224 V，4 號測試點位置過保護，5 號測試點為欠保護區(qū)域，垂直接地極對陰極保護系統產生屏蔽效應，靠近接地極的管道未能受到保護；在距離管道0.80 m 處左右兩次各補加一支輔助陽極，額外輸出電流為0.16 A，管道的陰極保護電流密度為20.4 mA/m2，陰極保護電位為-0.791～-1.228 V，管道在2 號、3 號、4 號存在過保護，5 號位置存在欠保護，補加2 支輔助陽極無法使管網受到保護。

圖5 補加1 支、2 支和不補加輔助陽極時管道測試點的陰極保護電位Fig.5 Cathodic protection potential at the test point of the pipeline when 0，1 and 2 auxiliary anodes are added

以上計算結果說明，若低電阻模塊垂直接地極位于密集管網中間，且與管道距離較小時，無法通過增加輔助陽極數量，使管道受到保護，為防止陰極保護系統失效，應將低電阻模塊垂直接地極從管網中移除。

2.3 扁鐵接地系統對陰極保護效果的影響規(guī)律

當水平采用鍍鋅扁鐵材料，垂直接地采用低電阻模塊時，考察了遠陽極和近陽極2 種地床形式對管道陰極保護效果的影響規(guī)律，測試點位置如圖6 所示。

圖6 選取管網24 個(1～24 號)有代表性位置點，記錄遠陽極地床和近陽極地床對管網的陰極保護電位分布的影響Fig.6 The effects of the far anode ground bed and the near anode ground bed on the distribution of cathodic protection potential of the 24 representative position points (1～24)

設置遠陽極地床為4 組，每組1 支，長1 m，埋深1 m，距離管道15 m，計算結果如圖7 所示，地床總輸出電流為20 A，管道附近沒有接地網存在的地方處于過保護；其他管道由于有接地系統的存在，有部分陰極保護電流流入接地系統，管道處于欠保護，說明在存在低電阻模塊接地極時，遠陽極地床形式很難實現站場內埋地管網各處達到理想的保護效果。

圖7 遠陽極和近陽極對管道測試點陰極保護電位的影響Fig.7 Effect of far anode and near anode on cathodic protection potential of pipeline test point

近陽極優(yōu)化方案選用陽極4 組，每組3 支，長1 m，埋深1 m，距離管道1 m，總輸出電流2.4 A，所有管線都在保護準則要求的范圍內，達到了良好的保護效果，說明通過近陽極的優(yōu)化分布，可以實現站場埋地管網各處達到理想的保護效果。

綜上可以看到，站場區(qū)域陰極保護中，由于受到接地網的影響，若使用遠陽極地床形式，接地網會對陰極保護電流產生屏蔽效應，造成管道存在欠保護區(qū)域，僅通過遠陽極形式難以消除；而近陽極的優(yōu)化分布能夠減少接地網對管道的干擾，通過優(yōu)化設計能夠實現埋地管道各處達到理想的保護效果。

3 結 論

本工作針對接地系統對站場區(qū)域陰極保護影響規(guī)律進行了數值模擬研究，結論如下:

(1)垂直接地極材料對管道腐蝕速率有較大的影響，當垂直接地材料為低電阻模塊(石墨)或銅時，當垂直接地極與管道距離為0.68 m 時，管道的腐蝕速率可高達3.548～32.130 mm/a，大大加速管道腐蝕，同時使得附近的管道無法達到理想的保護效果。當垂直接地極材料為低碳鋼時，管道電位未發(fā)生偏移，垂直接地極不會引起管道電偶腐蝕，管道腐蝕為自腐蝕；

(2)站場區(qū)域陰極保護中，遠陽極地床無法消除密集管網與接地影響造成的電流屏蔽，通過近陽極的優(yōu)化分布可以消除電流屏蔽影響，使各個區(qū)域達到理想的保護效果。