陰極保護(hù)技術(shù)在孤東油田聯(lián)合站的應(yīng)用實(shí)踐

朱益飛，張士杰，張恒鈺

（中國(guó)石化勝利油田孤東采油廠，山東 東營(yíng) 257061)

聯(lián)合站是油田油氣集輸過(guò)程中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是集油氣分離、原油脫水、污水處理、油田注水、原油穩(wěn)定、天然氣凈化和消防等多個(gè)環(huán)節(jié)于一體的綜合性生產(chǎn)過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)油田都已進(jìn)入高含水后期開(kāi)發(fā)階段，隨著油田采出液含水的增加，油田聯(lián)合站的來(lái)液量增大、負(fù)荷增加，部分設(shè)備已處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。由于油井產(chǎn)出液中含鹽、含硫、礦化度高、pH值偏堿，以及廢水中含有細(xì)菌（硫酸鹽還原菌SRB5-10μm）等物質(zhì)，導(dǎo)致站內(nèi)罐區(qū)的各種金屬管網(wǎng)及儲(chǔ)罐腐蝕嚴(yán)重，聯(lián)合站內(nèi)埋地管網(wǎng)及原油罐底的腐蝕穿孔泄漏現(xiàn)象頻繁，不僅增加了油田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)成本，而且給油田的安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響。原油儲(chǔ)罐和管道使用壽命的長(zhǎng)短直接關(guān)系到油田工業(yè)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定和正常生產(chǎn)，也關(guān)系到油田的經(jīng)濟(jì)效益和成本。而原油儲(chǔ)罐和管道的使用壽命主要受電化學(xué)腐蝕的影響，目前解決原油儲(chǔ)罐和管道電化學(xué)腐蝕的主要方法是對(duì)其采取陰極保護(hù)措施。

一、站內(nèi)罐區(qū)的各種金屬腐蝕原因分析

站內(nèi)埋地管網(wǎng)及原油罐底腐蝕情況受環(huán)境條件和腐蝕因素的影響很明顯，埋地管網(wǎng)埋藏深淺不同，承受溫度、壓力和各種化學(xué)腐蝕因素的濃度不同，腐蝕情況也不同。研究發(fā)現(xiàn)，地下管道的腐蝕呈如下規(guī)律：管道腐蝕情況同管道埋藏深度、地層溫度和各種化學(xué)腐蝕因素濃度成正比。在相同地層深度和相同化學(xué)腐蝕因素存在的情況下，溫度每升高約30℃，腐蝕就會(huì)加大1倍以上。地下水中的溶解O2、H2S、CO2、陰陽(yáng)離子、硫酸鹽還原菌，原油中所含O、S、N元素及氧化物構(gòu)成了地下復(fù)雜的多腐蝕因素環(huán)境，來(lái)自于地下油層的水、汽、油中化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，使浸漬在其中的金屬鋼管受到嚴(yán)重腐蝕破壞，輕者出現(xiàn)砂眼、穿孔，重者呈現(xiàn)出蜂窩狀穿孔和斷裂，導(dǎo)致最終報(bào)廢。

二、陰極防腐蝕技術(shù)工作原理及陰極保護(hù)系統(tǒng)

陰極防腐蝕技術(shù)在油田防腐蝕中應(yīng)用較多，可分為外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極保護(hù)兩種，其原理都是利用金屬在電解質(zhì)溶液中，由于表面電化學(xué)的不均勻而形成腐蝕原電池。當(dāng)陰、陽(yáng)兩極電流達(dá)到等電位時(shí)，管道腐蝕就被迫停止。圖1為陰極保護(hù)原理示意圖。

圖1 陰極保護(hù)原理示意圖

油田陰極保護(hù)系統(tǒng)通常是犧牲陽(yáng)極法和強(qiáng)制電流法的綜合應(yīng)用，以下介紹該系統(tǒng)的主要組成部分。

恒電位儀：在強(qiáng)制電流法中，給需保護(hù)金屬體提供連續(xù)可調(diào)的陰極保護(hù)電流。

輔助陽(yáng)極：主要有深井陽(yáng)極和陽(yáng)極床，在強(qiáng)制電流法中，用來(lái)使恒電位儀所提供的陰極保護(hù)電流形成回路。

犧牲陽(yáng)極：常用的主要有三大類，鎂基（包括高純鎂）犧牲陽(yáng)極、鋅基（包括高純鋅）犧牲陽(yáng)極、鋁基犧牲陽(yáng)極。主要用于強(qiáng)制電流不宜和不能使用的地方，如鋼質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)等。

參比電極：是進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)的參照極。油田用參比電極的主要種類有飽和甘汞參比電極（電極構(gòu)成為Hg/HgCL2、飽和KCL）、飽和氯化銀參比電極（電極構(gòu)成為Ag/AgCL2、飽和KCL）、飽和硫酸銅參比電極（電極構(gòu)成為Cu/CuSO4、飽和CuSO4）等。

電纜：主要有陰極電纜、陽(yáng)極電纜、接零電纜、均壓電纜、參比電纜、接陰電纜等，主要用于連接陰極保護(hù)系統(tǒng)的各組成環(huán)節(jié)。

控制臺(tái)：主要是對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和集中控制。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：是陰極保護(hù)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，主要對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括腐蝕信號(hào)檢測(cè)探頭、腐蝕信號(hào)接收裝置、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)等。

測(cè)試樁：是在巡查陰極保護(hù)系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，提供電氣接線的裝置。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果及應(yīng)注意的問(wèn)題

1.應(yīng)用情況及效果

孤東油田一號(hào)聯(lián)合站于1989年12月建成投產(chǎn)，該站在實(shí)施陰極保護(hù)技術(shù)防腐蝕措施前，站內(nèi)埋地管網(wǎng)及大罐的腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重。2003年10月在孤東油田一號(hào)聯(lián)合站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用陰極保護(hù)系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和控制臺(tái)設(shè)在一號(hào)聯(lián)合站污水處理站外輸泵配電控制室內(nèi)。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，該系統(tǒng)運(yùn)行平衡，可靠性和穩(wěn)定性好，站內(nèi)埋地管網(wǎng)及大罐的腐蝕穿孔頻率迅速下降，腐蝕穿孔發(fā)生次數(shù)由實(shí)施陰極保護(hù)防腐措施前的年平均63次下降到實(shí)施陰極保護(hù)防腐措施后的年平均6.7次，有效延緩了站內(nèi)埋地管網(wǎng)及大罐的腐蝕問(wèn)題，取得了良好的站區(qū)區(qū)域陰極保護(hù)效果。

2.應(yīng)用注意問(wèn)題

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)自然電位與設(shè)計(jì)電位不符的問(wèn)題。該問(wèn)題是油田陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的普遍問(wèn)題之一，若不能解決此問(wèn)題，則無(wú)法判定陰極保護(hù)系統(tǒng)是否有效。

因目前油田陰極保護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置和其他檢測(cè)儀表，均不帶智能溫度修正功能，而需保護(hù)金屬體相對(duì)于參比電極的自然電位，隨著溫度的不同偏移較大。故在不同溫度環(huán)境下，進(jìn)行監(jiān)測(cè)自然電位時(shí)，需進(jìn)行偏移電位修正。修正后的自然電位可按式（1）計(jì)算。

式中：Rzr——修正后的自然電位；

Rsc——實(shí)測(cè)自然電位；

Rqb——?dú)錁?biāo)參比電極25℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電位；

K——溫度修正系數(shù)；

t——環(huán)境溫度。

（2）當(dāng)電力系統(tǒng)有較大負(fù)荷啟停時(shí)，部分本來(lái)正常的陰極保護(hù)電位跳變?yōu)椴徽５膯?wèn)題。

電力系統(tǒng)相對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)從電的角度而言，前者屬高電壓、大電流的交流電系統(tǒng)，后者屬低電壓、小電流的直流電系統(tǒng)；從施工角度而言，前者的接地系統(tǒng)屬埋地鋪設(shè)，后者的犧牲陽(yáng)極、輔助陽(yáng)極、輸油管道、腐蝕信號(hào)檢測(cè)探頭也屬埋地安裝。電力系統(tǒng)中較大負(fù)荷的啟停，必將出現(xiàn)不平衡電流，且通過(guò)其接地系統(tǒng)排入大地，而電力接地系統(tǒng)在自然地坪以下排流，以半球狀形式散流，且其散流半徑達(dá)15～20m。如果陰極保護(hù)系統(tǒng)的犧牲陽(yáng)極、輔助陽(yáng)極、輸油管道、腐蝕信號(hào)檢測(cè)探頭，有一項(xiàng)處于電力接地系統(tǒng)散流區(qū)內(nèi)，由于雜散電流的影響和干擾，必將導(dǎo)致陰極保護(hù)電位的跳變。

為了使陰極保護(hù)系統(tǒng)避免電力接地系統(tǒng)排流的影響和干擾，必須使陰極保護(hù)系統(tǒng)的埋地部分，處于電力接地系統(tǒng)排流區(qū)以外，即在電力系統(tǒng)接地裝置半徑20m以外埋設(shè)犧牲陽(yáng)極、輔助陽(yáng)極、輸油管道、腐蝕信號(hào)檢測(cè)探頭等陰極保護(hù)系統(tǒng)的埋地部分。

（3）單臺(tái)恒電位儀在調(diào)試時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)電位均正常，當(dāng)同時(shí)投運(yùn)多臺(tái)恒電位儀時(shí)，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)電位跳變?yōu)椴徽５膯?wèn)題。

當(dāng)恒電位儀單獨(dú)調(diào)試時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的保護(hù)電位均正常，當(dāng)任意投運(yùn)一臺(tái)恒電位儀，調(diào)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)處保護(hù)電位正常后，在投運(yùn)另一臺(tái)恒電位儀時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的保護(hù)電位突然跳變?yōu)椴徽?。運(yùn)用電荷基本性質(zhì)不難發(fā)現(xiàn)，雖然兩臺(tái)恒電位儀所提供的陰極保護(hù)電流有各自的電氣回路，但在兩個(gè)電氣回路相接近處，因同性電荷相斥，形成了陰極保護(hù)電流不能到達(dá)的“盲區(qū)”，若監(jiān)測(cè)點(diǎn)正處于該“盲區(qū)”內(nèi)，則會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。要解決這一問(wèn)題，就要使陰極保護(hù)電流“盲區(qū)”不覆蓋監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)有兩種辦法：一是將監(jiān)測(cè)點(diǎn)從陰極保護(hù)電流“盲區(qū)”移開(kāi)；二是調(diào)節(jié)恒電位儀的輸出電流，使陰極保護(hù)電流“盲區(qū)”偏移。

四、結(jié)束語(yǔ)

油田聯(lián)合站是油田生產(chǎn)重點(diǎn)保護(hù)單位，站內(nèi)的埋地管網(wǎng)及大罐底板因使用環(huán)境惡劣，腐蝕嚴(yán)重，罐區(qū)的各種金屬管道的防腐問(wèn)題一直是石油行業(yè)的重要課題。石油開(kāi)采行業(yè)期待更多新的防腐技術(shù)為石油化工管道提供更多防腐性能好、適于油田集輸泵站的防腐蝕技術(shù)，用于油氣集輸泵站站內(nèi)的埋地管網(wǎng)及金屬儲(chǔ)罐的防腐蝕，延長(zhǎng)地下管道及設(shè)備的使用壽命，降低維修費(fèi)用，最終降低石油開(kāi)采生產(chǎn)成本。