長(zhǎng)輸油氣站場(chǎng)陰極保護(hù)

李軍龍　徐　星　鞏毅超　金劉偉　潘　媛

陜西宇陽(yáng)石油科技工程有限公司,　陜西　西安　710018

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長(zhǎng)輸油氣站場(chǎng)陰極保護(hù)

李軍龍徐星鞏毅超金劉偉潘媛

陜西宇陽(yáng)石油科技工程有限公司,陜西西安710018

摘要：為抑制大型油氣站場(chǎng)地下金屬構(gòu)筑物的腐蝕,確保企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng),有必要了解站場(chǎng)陰極保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn),明確應(yīng)用中影響保護(hù)效果的技術(shù)難點(diǎn)。基于施加在油氣站場(chǎng)管網(wǎng)密集區(qū)的陰極保護(hù)存在著保護(hù)電流需求大、陽(yáng)極床設(shè)計(jì)困難、對(duì)外部的干擾和屏蔽現(xiàn)象較為復(fù)雜等問(wèn)題,通過(guò)分析站場(chǎng)陰極保護(hù)實(shí)施中的關(guān)鍵技術(shù),明確了線性陽(yáng)極作為輔助陽(yáng)極有著其他傳統(tǒng)陽(yáng)極床所不具備的優(yōu)勢(shì),可以有效控制干擾、減緩屏蔽。站場(chǎng)陰極保護(hù)是保證大型油氣站場(chǎng)安全生產(chǎn)的重要防腐措施,線性陽(yáng)極對(duì)提高站場(chǎng)陰極保護(hù)的防護(hù)效果意義重大。

關(guān)鍵詞：油氣站場(chǎng)；站場(chǎng)陰極保護(hù)；線性陽(yáng)極；屏蔽；干擾

0前言

站場(chǎng)陰極保護(hù)技術(shù)是20世紀(jì)70年代后期石油工業(yè)的一項(xiàng)研究成果,目前正在石油系統(tǒng)全面推廣,并取得了顯著的防護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)效益[1]。站場(chǎng)管道管徑差異較大,閥門(mén)異構(gòu)件較多,防腐層大多難以工廠預(yù)制,只能現(xiàn)場(chǎng)涂覆,涂層質(zhì)量難以保證,加之保溫管線包覆的聚丙烯膠粘帶防水密封性較差,保溫材料進(jìn)水后,發(fā)生嚴(yán)重的保溫層下腐蝕,使得站場(chǎng)埋地管道具有較高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。站場(chǎng)防雷接地與陰極保護(hù)的矛盾突出,會(huì)造成大量保護(hù)電流無(wú)序漏失。較高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)加之陰極保護(hù)電流分布不均勻,給站場(chǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患,不但影響了企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng),還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

工藝站場(chǎng)是長(zhǎng)輸油氣管道必不可少的組成部分,其安全運(yùn)行是向管道下游平穩(wěn)、安全、足量輸油輸氣的重要前提。因此,對(duì)站場(chǎng)施加陰極保護(hù)是很有必要的,這對(duì)貫徹“完整性管理”理念要求,抑制站內(nèi)管網(wǎng)腐蝕意義重大,是確保站場(chǎng)安全運(yùn)營(yíng),降低生產(chǎn)成本的有效手段。

1站場(chǎng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)路線

1.1保護(hù)方法的選擇

站場(chǎng)陰極保護(hù)技術(shù)是防止埋地管道及金屬構(gòu)筑物腐蝕,保證工藝站場(chǎng)安全運(yùn)行的有效措施。該技術(shù)依靠輔助陽(yáng)極的合理布局、保護(hù)電流的合理分配以及相鄰近工作區(qū)的電絕緣措施[2-4]將站場(chǎng)某一區(qū)域內(nèi)的所有預(yù)保護(hù)對(duì)象作為一個(gè)整體,使得被保護(hù)對(duì)象陰極極化,極化電位處于陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求的范圍之內(nèi)。

站場(chǎng)陰極保護(hù)有強(qiáng)制電流保護(hù)和犧牲陽(yáng)極保護(hù)兩種形式。犧牲陽(yáng)極在高電阻率環(huán)境不宜使用，保護(hù)電流不可調(diào)，對(duì)防腐層質(zhì)量要求高,需要定期更換,投產(chǎn)調(diào)試工作和后期管理運(yùn)行較為麻煩,因此,只適用于保護(hù)電流需求量小、地質(zhì)條件適宜的站場(chǎng)或?qū)Υ笮驼緢?chǎng)強(qiáng)制電流系統(tǒng)屏蔽點(diǎn)的補(bǔ)充保護(hù)。強(qiáng)制電流系統(tǒng)輸出電流連續(xù)可調(diào),保護(hù)范圍大,一次性投入高,但保護(hù)年限長(zhǎng)達(dá)30 a 以上,主要應(yīng)用于壓氣站、輸油泵站、油庫(kù)罐區(qū)及油氣集輸聯(lián)合站的陰極保護(hù)[5-6]。強(qiáng)制電流系統(tǒng)主要由恒電位儀、陽(yáng)極地床和被保護(hù)金屬構(gòu)筑物(陰極)組成,此外還有參比電極、檢測(cè)站、連接電纜和絕緣裝置等。

1.2輔助陽(yáng)極的選擇

輔助陽(yáng)極是保障陰極保護(hù)有效性的工程性結(jié)構(gòu)單元,其作用是將保護(hù)電流經(jīng)介質(zhì)傳遞到被保護(hù)結(jié)構(gòu)物表面。陽(yáng)極床的設(shè)計(jì)原則：能夠使被保護(hù)體獲得足夠保護(hù)電流,避免陽(yáng)極與被保護(hù)體之間產(chǎn)生電屏蔽,且避免對(duì)線路管道和其他系統(tǒng)外構(gòu)筑物產(chǎn)生干擾,故輔助陽(yáng)極的類(lèi)型選擇和位置分布是陰極保護(hù)有效性的關(guān)鍵[7]。根據(jù)站場(chǎng)保護(hù)對(duì)象的分布情況,采用大量分布式小輸出陽(yáng)極,通過(guò)模擬軟件優(yōu)化陽(yáng)極床的設(shè)計(jì)、均衡保護(hù)電流分布、控制雜散電流干擾等措施,達(dá)到預(yù)期的效果。目前國(guó)內(nèi)用于站場(chǎng)陰極保護(hù)的地床形式主要有深井陽(yáng)極、淺埋陽(yáng)極和線性陽(yáng)極,三種陽(yáng)極的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1輔助陽(yáng)極布置形式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

形式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)淺埋陽(yáng)極施工簡(jiǎn)單,可根據(jù)工程需要分布式埋設(shè);費(fèi)用低,容易檢查地床各部分的工作情況保護(hù)電流電位分布不均,易產(chǎn)生干擾和屏蔽現(xiàn)象;存在氣阻問(wèn)題,影響保護(hù)電流的輸出;占用較多土地空間,可能限制站場(chǎng)的改造與擴(kuò)建深井陽(yáng)極不受地形限制、占地小;陽(yáng)極地床接地電阻小;電流分散性好,保護(hù)范圍大;與淺埋陽(yáng)極相比降低地表電位梯度,減輕對(duì)周?chē)渌饘贅?gòu)筑物的干擾無(wú)法進(jìn)行定量計(jì)算,完全憑經(jīng)驗(yàn);施工復(fù)雜,受地質(zhì)條件限制,不可預(yù)見(jiàn)因素較多,存在較大風(fēng)險(xiǎn);可能影響站外管道陰極保護(hù)系統(tǒng)線性陽(yáng)極輸出電流分布均勻,保護(hù)電位分布均勻;適用于不同土壤電阻率環(huán)境;能有效解決復(fù)雜管網(wǎng)區(qū)域內(nèi)屏蔽和干擾問(wèn)題;保護(hù)管網(wǎng),可以弱化電絕緣條件要求;敷設(shè)安裝較為方便單位長(zhǎng)度成本高;施工中陽(yáng)極發(fā)生斷裂不易查找斷裂位置

由表1可以看出,線性陽(yáng)極的應(yīng)用可以較好地解決復(fù)雜管網(wǎng)、儲(chǔ)罐的屏蔽問(wèn)題,還可以解決傳統(tǒng)輔助陽(yáng)極在陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用中的難點(diǎn),如對(duì)外部結(jié)構(gòu)的干擾、高電阻率環(huán)境介質(zhì)中實(shí)施陰極保護(hù)及儲(chǔ)罐底部的陰極保護(hù)電流分布等問(wèn)題。

1.3站場(chǎng)陰極保護(hù)技術(shù)特點(diǎn)

與管道干線的陰極保護(hù)相比,工藝站場(chǎng)陰極保護(hù)的技術(shù)要求更高[8]。兩個(gè)系統(tǒng)的主要保護(hù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

針對(duì)工藝站場(chǎng)地下金屬構(gòu)筑物所面臨的腐蝕和安全性問(wèn)題,應(yīng)根據(jù)站場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)條件實(shí)施安全、有效、經(jīng)濟(jì)的陰極保護(hù)。在確保保護(hù)區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)獲得充分保護(hù)的同時(shí),最大限度地避免對(duì)其他結(jié)構(gòu)的干擾。

2站場(chǎng)陰極保護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)

2.1線性陽(yáng)極的敷設(shè)

當(dāng)采用線性陽(yáng)極時(shí),埋深應(yīng)低于被保護(hù)體200 mm,因?yàn)槁竦毓艿赖母g多發(fā)生在管體中心線下面。另外,保護(hù)罐底板外壁的線性陽(yáng)極埋深為距離罐底板約600 mm,并根據(jù)罐基礎(chǔ)砂墊層的設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行“環(huán)形”或“蛇形”敷設(shè)。線性陽(yáng)極還可選配“Ⅰ”型和“T”型連接接頭和陽(yáng)極封頭,可根據(jù)管道的走向任意截取和相互連接。線性陽(yáng)極沿被保護(hù)構(gòu)筑物敷設(shè),間距不小于300 mm；當(dāng)線性陽(yáng)極與管道、接地極、或其他線性陽(yáng)極交叉時(shí),應(yīng)采用隔離網(wǎng)套予以隔離保護(hù)。

表2站場(chǎng)陰極保護(hù)與管道干線陰極保護(hù)特點(diǎn)對(duì)比

項(xiàng)目站場(chǎng)陰極保護(hù)管道干線陰極保護(hù)保護(hù)對(duì)象埋地鋼質(zhì)管道、儲(chǔ)罐底板多為單一管道保護(hù)回路非常復(fù)雜簡(jiǎn)單接地系統(tǒng)除管網(wǎng)、罐底板外,還包括接地網(wǎng)管道本身安全要求易燃易爆場(chǎng)所,要求高管道通常敷設(shè)在野外,要求相對(duì)較低保護(hù)電流需求站內(nèi)設(shè)施與龐大接地網(wǎng)相連通,電流消耗量大小不易準(zhǔn)確估計(jì),只有小部分電流消耗在保護(hù)對(duì)象上主要消耗在防腐層破損處,需求量小,約為幾安培陰極保護(hù)站設(shè)置在站場(chǎng)內(nèi),相對(duì)集中沿管道走向布置,需滿足保護(hù)距離要求陽(yáng)極地床設(shè)計(jì)非常困難,陽(yáng)極類(lèi)型的選擇及安裝位置在一定程度上受到限制陽(yáng)極位置與管道的垂直距離不宜小于50m,選擇余地較大干擾屏蔽干擾較多且難以控制,埋地金屬構(gòu)筑物緊密鄰近導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)屏蔽干擾較少且容易控制,短路套管、涂層剝離等導(dǎo)致管道保護(hù)屏蔽運(yùn)行調(diào)試對(duì)各回路進(jìn)行綜合調(diào)試,調(diào)整各回路的輸出電流,使保護(hù)電流盡可能分布均勻,后期調(diào)整必不可少運(yùn)行調(diào)試簡(jiǎn)單,一般不需后期整改

由于管道防腐層有差異,使得線性陽(yáng)極在不同部位其輸出電流不同。當(dāng)線性陽(yáng)極輸出電流大時(shí),會(huì)造成線性陽(yáng)極附近有較高的陽(yáng)極電壓場(chǎng),如果參比電極正好位于該電壓場(chǎng)內(nèi),結(jié)構(gòu)對(duì)地的電位值就會(huì)大于管道的實(shí)際保護(hù)電位,且電位讀數(shù)極不均勻。因此,安裝時(shí)要把參比電極和線性陽(yáng)極分別安裝在管道的兩側(cè),盡量靠近被保護(hù)結(jié)構(gòu)[9]。

2.2通電點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置

由于站場(chǎng)設(shè)備較多,接地復(fù)雜,保護(hù)電流需求量大,通過(guò)多路恒電位儀、多通電點(diǎn)、多饋電點(diǎn)來(lái)滿足保護(hù)準(zhǔn)則要求。通電點(diǎn)位置應(yīng)分區(qū)域設(shè)置在復(fù)雜管網(wǎng)的主管道上,同時(shí)要遠(yuǎn)離接地系統(tǒng),調(diào)整通電點(diǎn)位置對(duì)控制各陽(yáng)極床的輸出和平衡各回路保護(hù)電流分布起著重要作用[10]。通電點(diǎn)包括恒電位儀陰極輸出電纜與管道的連接點(diǎn),以及為恒電位儀反饋信號(hào)的測(cè)試點(diǎn),包括陰極電纜、零位接陰電纜和參比電纜。

測(cè)試點(diǎn)用于了解管道的保護(hù)效果,掌握陰極保護(hù)設(shè)施的運(yùn)行情況。設(shè)置位置為距通電點(diǎn)最遠(yuǎn)的管道處、絕緣裝置處、管道的折點(diǎn)處、跨接裝置處以及接地系統(tǒng)中有必要設(shè)置測(cè)試點(diǎn)的地方等。

2.3干擾問(wèn)題及預(yù)防措施

由于保護(hù)區(qū)域內(nèi)對(duì)象繁多,地下金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜,線路管道常處于站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)陽(yáng)極影響區(qū)內(nèi),受到站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的干擾[11]。

某站場(chǎng)陰極保護(hù)輔助陽(yáng)極采用淺埋陽(yáng)極,站區(qū)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行后,干線陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀輸出即為零,同時(shí)下游出站端管線的極化電位較正常情況下偏移-500 mV左右。后期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試明確了干線陰極保護(hù)系統(tǒng)的控制參比電極(或通電點(diǎn))處于站場(chǎng)陽(yáng)極床的電壓場(chǎng)影響區(qū)。由于干線保護(hù)系統(tǒng)以通電點(diǎn)附近管道的極化電位作為反饋進(jìn)行恒電位調(diào)節(jié),來(lái)自站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)的雜散電流流入該管道引起控制點(diǎn)極化增大,干線陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出將自動(dòng)下降為零[12],最終導(dǎo)致干線通電點(diǎn)附近過(guò)保護(hù),而站場(chǎng)上下游管線無(wú)保護(hù),增大了管線腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)防干擾的主要措施有：

1)提高站內(nèi)埋地金屬構(gòu)筑物的防腐等級(jí),減少陰極保護(hù)電流需求,優(yōu)先選用大量分布式小輸出陽(yáng)極,如線性陽(yáng)極；

2)根據(jù)平面布置圖、埋地管網(wǎng)分布圖合理設(shè)置通電點(diǎn)和基準(zhǔn)信號(hào)點(diǎn)位置；

3)通過(guò)輔助陽(yáng)極床的方式選擇及位置設(shè)計(jì),盡量降低站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)與線路管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的干擾[13]；

4)當(dāng)采用深井陽(yáng)極時(shí),干線通電點(diǎn)附近應(yīng)設(shè)置排流防護(hù)措施來(lái)避免受到站內(nèi)的干擾；

5)干線陰極保護(hù)系統(tǒng)采用恒電流輸出,將站外控制參比移動(dòng)至受站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)干擾小的位置[14]。

2.4屏蔽問(wèn)題及預(yù)防措施

站場(chǎng)陰極保護(hù)的屏蔽問(wèn)題主要是由區(qū)域內(nèi)埋地金屬構(gòu)筑物緊密鄰近造成的。由于站內(nèi)管道、閥、大型設(shè)備等與接地極、鋼筋混凝土基礎(chǔ)鄰近且存在電性接觸,流向該區(qū)域的保護(hù)電流會(huì)在土壤中產(chǎn)生電位梯度造成結(jié)構(gòu)分流。當(dāng)出現(xiàn)密集區(qū)屏蔽時(shí),密集區(qū)外圍的金屬結(jié)構(gòu)易對(duì)中央金屬結(jié)構(gòu)造成屏蔽,可采用多組陽(yáng)極分散布置,遠(yuǎn)近陽(yáng)極互為補(bǔ)充,使陽(yáng)極周?chē)挠绊憛^(qū)相互充分疊加,改善整個(gè)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位[15]。

2.5接地系統(tǒng)的影響及預(yù)防措施

有效的電絕緣是保證陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)作和有效性的前提,但油氣站場(chǎng)一般均設(shè)置聯(lián)合接地網(wǎng),陰極保護(hù)和電力接地相互矛盾。為彌補(bǔ)非保護(hù)對(duì)象對(duì)保護(hù)電流的消耗,確保保護(hù)結(jié)構(gòu)都能充分極化,只能提高陰保設(shè)備的輸出功率,這樣既消耗過(guò)多電能又不利于站場(chǎng)安全,同時(shí)使陽(yáng)極體消耗過(guò)快,不能保證陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命。

某管道采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù),站場(chǎng)原設(shè)計(jì)僅采用涂層防護(hù),后期因腐蝕嚴(yán)重補(bǔ)加了陰極保護(hù)。該站遠(yuǎn)陽(yáng)極投運(yùn)后,站場(chǎng)外圍測(cè)點(diǎn)電位均滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求,但中央測(cè)點(diǎn)因屏蔽效應(yīng)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；增加近陽(yáng)極后,保護(hù)效果有所改善[16],但仍未徹底解決,主要是該站裸鋼接地系統(tǒng)的屏蔽作用造成的；將接地體更換為鋅合金,站場(chǎng)區(qū)域全部達(dá)到保護(hù)要求。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,表中電位數(shù)據(jù)相對(duì)銅/飽和硫酸銅參比電極測(cè)得,系統(tǒng)輸出電壓16.1 V,輸出電流17.3 A,給定電位-1.25 V。

表3某輸氣管道站場(chǎng)陰極保護(hù)分步施工測(cè)試表

mV

對(duì)于大型油氣站場(chǎng)接地系統(tǒng),必須在設(shè)計(jì)階段采取措施保證電力接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)的兼容,采用鋅合金等具有比管道更負(fù)電位的金屬材料作接地材料可以起到陰極保護(hù)和防雷接地的雙重作用。

3結(jié)論

站場(chǎng)陰極保護(hù)是保證大型油氣站場(chǎng)安全生產(chǎn)的重要防腐措施,采用以分散式淺埋陽(yáng)極+線性陽(yáng)極為主的強(qiáng)制電流陰極保護(hù),在主保護(hù)系統(tǒng)未達(dá)到保護(hù)準(zhǔn)則的部位輔以犧牲陽(yáng)極來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于區(qū)域陰極保護(hù)所需電流量很大,深井陽(yáng)極和淺埋陽(yáng)極的電壓場(chǎng)存在著對(duì)干線陰極保護(hù)的干擾,以及站內(nèi)難以克服的電流屏蔽問(wèn)題。而線性陽(yáng)極可靠近被保護(hù)結(jié)構(gòu)物敷設(shè),提供均勻、有效的保護(hù),干擾和屏蔽問(wèn)題基本上不存在。建議以后國(guó)內(nèi)大型油氣站場(chǎng)陰極保護(hù)在設(shè)計(jì)中積極引入線性陽(yáng)極技術(shù),進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)站場(chǎng)陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

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收稿日期：2016-02-27

作者簡(jiǎn)介：李軍龍(1990-)，男，陜西渭南人，助理工程師，學(xué)士，主要從事油氣田地面工程腐蝕與防護(hù)設(shè)計(jì)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.016