典型站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)干擾的檢測及處理

方衛(wèi)林，李振軍，洪 娜，吳思憲，劉志達

(中國石油西部管道分公司，烏魯木齊 830011)

?

典型站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)干擾的檢測及處理

方衛(wèi)林，李振軍，洪 娜，吳思憲，劉志達

(中國石油西部管道分公司，烏魯木齊 830011)

為了消除區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)的干擾，使線路陰極保護系統(tǒng)能夠正常恒位運行,采用陰極保護電位分布數(shù)值模擬及干擾模擬計算的三維幾何模型對干擾進行了分析，并通過現(xiàn)場測試對模擬進行了驗證。根據(jù)模擬及現(xiàn)場測試的結(jié)果對干擾采取了有效的治理，消除了區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)的干擾，將線路恒電位儀的輸出參數(shù)恢復至干擾前的水平。

區(qū)域陰極保護；陽極干擾；數(shù)值模擬；現(xiàn)場檢測

壓氣站是天然氣生產(chǎn)和輸送中的一個重要環(huán)節(jié)，站內(nèi)一般包含了工藝管網(wǎng)、防雷接地網(wǎng)等在內(nèi)的多種埋地金屬構(gòu)筑物。為了保護站內(nèi)埋地管網(wǎng)及防雷接地網(wǎng)的安全長效運行，近年來區(qū)域陰極保護技術(shù)發(fā)展迅速[1-2]。由于站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)所保護的埋地構(gòu)筑物多為裸鋼或防腐蝕層較差的鋼結(jié)構(gòu)，而站外陰極保護系統(tǒng)所保護的干線防腐蝕層較好，站內(nèi)、外兩套陰極保護系統(tǒng)所需的保護電流存在較大差異，因此常采用絕緣接頭將站內(nèi)、外管線電隔離，即站場內(nèi)外各自采用獨立的陰極保護系統(tǒng)。由于站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)通常距離站外干線較近，如果設(shè)計不合理，站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)會對站外干線陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，引起干線陰極保護系統(tǒng)輸出異常，無法達到保護效果，目前國內(nèi)對于不同陰極保護系統(tǒng)間干擾問題的檢測和處理仍處于研究探索階段[3-4]。

某壓氣站區(qū)域陰極保護系統(tǒng)采用淺埋陽極地床的外加電流保護方式，通過3路淺埋陽極地床來保護站場內(nèi)的接地網(wǎng)、埋地工藝管線及壓縮機區(qū)域埋地金屬構(gòu)筑物。現(xiàn)場運行發(fā)現(xiàn)，站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)開啟后，引起該站所轄干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓電流為零，同時下游出站端管線極化電位較正常保護下管線的極化電位正移500 mV左右。通過開展現(xiàn)場測試和試驗明確了干線陰極保護系統(tǒng)的干擾源，并進行了有效治理，將干線恒電位儀的輸出參數(shù)恢復至干擾前的水平。

1 站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對站外干線陰極保護系統(tǒng)干擾排查

某壓氣站站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)主要由1套4路恒電位儀、柔性陽極地床、高硅鑄鐵淺埋輔助陽極地床、參比電極、饋流點和測試點、分流箱、連接電纜等構(gòu)成。每路的設(shè)計保護區(qū)域如下：第1回路保護站區(qū)接地系統(tǒng)；第2回路保護工藝裝置區(qū)、收發(fā)球筒區(qū)、放空區(qū)及其周圍管網(wǎng)；第3回路保護壓縮機區(qū)及其周圍管網(wǎng)；第4回路備用。設(shè)備采用福建三明PS-3F型恒電位儀，額定輸出功率為50 V/30 A。

站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)開啟后，干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓電流即為零，為確認是區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀的哪一路對線路陰極保護系統(tǒng)存在干擾，將3路區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀分別通斷，觀察線路陰極保護系統(tǒng)恒電位儀的輸出，見表1。

表1 干線陰保恒電位儀輸出值

由上表可以看出，第2路區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀開啟后，干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓電流變?yōu)榱?，這是因為線路控制參比電極一般放置在出站絕緣接頭站外側(cè)附近，且處于第2路區(qū)域陰極保護系統(tǒng)陽極地床的陽極電場影響區(qū)，導致有雜散電流從該段管道上流入，雜散電流的流入導致極化增大，恒電位儀為維持設(shè)定的控制電位，輸出電壓和輸出電流自動降低為零。干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀無輸出，最終導致站場上下游管線實際得不

到陰極保護，增大了管線發(fā)生腐蝕的風險。

2 干擾及緩解措施的數(shù)值模擬分析

根據(jù)該站的平面布置圖、埋地管網(wǎng)分布圖、接地網(wǎng)分布圖情況建立了陰極保護電位分布數(shù)值模擬及干擾模擬計算的三維幾何模型，通過計算控制參比電極的可能移動位置來保證線路陰極保護系統(tǒng)能以恒電位模式正常工作，為下一步的調(diào)整和現(xiàn)場試驗測試提供一定的借鑒指導作用。其計算過程如下。

根據(jù)資料建立了該站區(qū)域陰極保護數(shù)值模擬及干擾模擬計算的三維模型，并進行了邊界元網(wǎng)格劃分，如圖1和2所示。

圖1 壓氣站站內(nèi)外干擾三維計算模型Fig. 1 Interference three-dimensional calculation model of compressed natural gas station

利用軟件對站內(nèi)外干擾模型進行數(shù)值模擬計算，研究陽極干擾區(qū)的距離。

首先模擬計算了不存在干擾時，站場附近線路的陰極保護電位分布，如圖3所示。由圖3可見，不存在干擾時，站場附近線路能受到良好的陰極保護，且保護電位能達到-1 000 mV左右，對應(yīng)云圖中AB段和CD段。

當存在干擾時，即站場區(qū)域陰保系統(tǒng)輸出電流為30 A時，站場附近出站和進站線路的陰極保護電位分布見圖4。由圖可見，存在干擾時，站場附近線路由于受到陽極干擾的影響而發(fā)生電位負移，但未發(fā)生過保護的情況。由該陽極干擾的影響距離可能達到200～300 m，此時應(yīng)將參比電極移動到300 m以外。

圖2 壓氣站站內(nèi)外干擾三維計算模型的網(wǎng)格分布Fig. 2 Distribution network of interference three-dimensional calculation model

圖3 不存在干擾時站場附近線路陰極保護電位分布Fig. 3 Cathodic protection potential distribution of pipeline near the station without interference

(a) 出站線路(b) 進站線路圖4 存在干擾時站場附近出站線路和進站線路的陰極保護電位分布Fig. 4 Cathodic protection potential distribution of the outbound (a) and inbound (b) pipeline near the station with interference

3 干擾程度及范圍

3.1 干擾程度

為保證站場上下游管線得到有效的陰極保護，需改變目前線路陰極保護系統(tǒng)控制參比電極的位置，使線路陰極保護系統(tǒng)的恒電位儀能夠正常恒電位工作。盡管改變控制參比電極的位置，能夠使恒電位儀能夠正常工作，但位于區(qū)域陰極保護系統(tǒng)陽極地床影響區(qū)的管線仍然受陽極干擾[5-6]，為考察影響區(qū)內(nèi)的管線受干擾的程度，調(diào)整區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀的輸出，見表2。

表2 區(qū)域陰保恒電位儀輸出參數(shù)表

同時調(diào)整干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀的輸出，使得其輸出電流維持在未受干擾的水平，然后與區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀同步通斷，測得干線進出站絕緣接頭兩端的電位如表3所示。

表3 進出站絕緣接頭兩端電位測量表

測試結(jié)果表明，若將干線陰極保護系統(tǒng)的控制參比電極移動到陽極干擾區(qū)之外，同時維持干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出電流在未受干擾的水平，測得干線出站絕緣接頭站外管段極化電位為-1 200 mV，干線未發(fā)生過保護的情況，這說明區(qū)域陰極保護系統(tǒng)未對站外管線的極化電位產(chǎn)生影響。

3.2 干擾范圍

為考察區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)的影響范圍，將區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀調(diào)整為通斷運行，沿管線出站下游方向測量干線不同點的通電電位，見表4。

表4 站內(nèi)外干擾影響范圍測量表

由上表可以看出，當便攜式參比電極放置在距出站絕緣接頭下游350 m處時，站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀通斷電運行不會引起干線通電電位的變化，說明區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)的影響范圍為出站350 m以內(nèi)，與模擬計算結(jié)果相一致。

4 干擾問題處理

根據(jù)前期測試及模擬計算結(jié)果，為消除區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)的干擾，需將線路控制參比電極沿出站管線下游方向移動350 m，并重新敷設(shè)參比電纜，與原有參比電纜連接。由于原有參比電纜出站后無法準確定位埋深及走向，且站內(nèi)外落差有6 m，因此不宜在站外開挖查找電纜。在站內(nèi)管線出站位置，沿管線開挖便于查找原有參比電纜。

線路控制參比電極遷移前后，區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀及線路陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出參數(shù)見表5。線路控制參比遷移后，區(qū)域陰保恒電位儀通斷運行，線路電位波動小于5 mV。

表5 恒電位儀輸出統(tǒng)計表

由表5可見，線路控制參比遷移后，線路陰極保護系統(tǒng)恒電位儀基本不受區(qū)域陰保系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)論

(1) 第2路區(qū)域陰極保護系統(tǒng)恒電位儀開啟后，干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓電流為零，說明第2路區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對線路陰極保護系統(tǒng)存在陽極干擾。

(2) 區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對站外陰極保護系統(tǒng)的陽極干擾未引起站外管線的極化電位過負的現(xiàn)象。

(3) 經(jīng)過數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場實際測試，區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對干線陰極保護系統(tǒng)的影響范圍為出站350 m以內(nèi)。

(4) 干線控制參比遷移后，干線陰極保護系統(tǒng)恒電位儀基本不受區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的影響。

[1] 王燕. 某油庫區(qū)域陰極保護實踐[J]. 腐蝕與防護,2011,32(7):562-566.

[2] 張俊義,劉志剛,張永盛,等. 區(qū)域性陰極保護實施過程中的幾個問題[J]. 油氣儲運,2000,19(2):51-52.

[3] 陳航. 長輸油氣管道工藝站場的區(qū)域性陰極保護[J]. 腐蝕與防護,2008,29(8):485-487.

[4] 劉玲莉,陳洪源,劉明輝,等. 輸油氣站區(qū)陰極保護中的干擾與屏蔽[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2005,2:31-33.

[5] METWALLY I A,AL-MANDHARI H M,GASTLI A,et al. Factors affecting cathodic-protection interference[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements,2007,31:485-493.

[6] BRICHAU F,DECONINCK J,DRIESENS T. Modeling of underground cathodic protection stray currents[J]. Corrosion Engineering,1996,52(6):480-488.

[7] GB/T 21246-2007 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法[S].

[8] GB/T 21447-2008 鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范[S].

[9] GB/T 21448-2008 埋地鋼制管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S].

Detection and Handing of Interference Between Regional Cathodic Protection and Line Cathodic Protection in a Typical Station

FANG Wei-lin, LI Zhen-jun, HONG Na, WU Si-xian, LIU Zhi-da

(West Pipeline Company, PetroChina, Urumqi 830011, China)

In order to eliminate the interference of regional cathodic protection system to line cathodic protection system, make the line cathodic protection system normally operate with constant potentials, numerical simulation of cathodic protection potential distribution and interference simulation calculation of three-dimensional geometric model were used to analyze the interference, and the simulation was verified by field test. The interference was managed effectively through the results of simulation and field test, the interference between regional cathodic protection system and line cathodic protection system was elimited, the output parameters of line constant potential rectifier were recovered to the level before interference.

regional cathodic protection; anode interference; numerical modeling; field test

2014-04-14

方衛(wèi)林(1986-)，助理工程師，學士,從事管道腐蝕與防護管理工作，18699117950，dszfwl@petrochina.com.cn

TG174; TE88

B

1005-748X(2015)03-0272-04