電位衰減計(jì)算在埋地鋼制管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

崔進(jìn)杰，劉高生，宋章喜

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國(guó)石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 鄭州

1. 引言

沙特拉斯坦努拉管道工程項(xiàng)目是沙特阿美為了最大限度地維持產(chǎn)能、增強(qiáng)管線運(yùn)行靈活性、降低對(duì)沿線城鎮(zhèn)環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn)，而實(shí)施地在役管道改造項(xiàng)目。項(xiàng)目新建φ30 英寸、φ40 英寸、φ42 英寸、φ46英寸到φ48 英寸陸上管道10 條，管線位于4 個(gè)正在運(yùn)行的管廊帶內(nèi)。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)需統(tǒng)一考慮新建管線和已有管線，對(duì)已有的陰極保護(hù)系統(tǒng)的容量、狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和升級(jí)。陰極保護(hù)站采用整流器，將利用阿美的供電系統(tǒng)，在閥室附近設(shè)置。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)比往常更為復(fù)雜，保護(hù)范圍有效覆蓋全部管線尤為重要。

外加電流法陰極保護(hù)是埋地鋼制管道防止腐蝕的主要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道[1]。按照國(guó)內(nèi)外通常的設(shè)計(jì)思路，管線的保護(hù)范圍在選擇橫電位儀或整流器時(shí)已經(jīng)考慮進(jìn)去，即：根據(jù)管線規(guī)格、長(zhǎng)度和保護(hù)電流密度等進(jìn)行工藝計(jì)算，結(jié)合效率等因素，選擇橫電位儀或整流器。具體公式為：

其中：

Ir——陰極保護(hù)電流需求；

D——管道直徑；

L——管道保護(hù)長(zhǎng)度；

i——設(shè)計(jì)規(guī)范要求的電流保護(hù)密度。

本文所論述的方法，是根據(jù)管線外加電流，隨著管線長(zhǎng)度的增加，由于保護(hù)損耗和電流衰減，而達(dá)到最低規(guī)范保護(hù)電位時(shí)的管線長(zhǎng)度。

2. 電位衰減計(jì)算

衰減計(jì)算是對(duì)埋地鋼制管道施加外加電流陰極保護(hù)后，在滿足規(guī)范要求的保護(hù)參數(shù)下，根據(jù)衰減公式計(jì)算出最長(zhǎng)保護(hù)距離，將其與整流器或恒電位儀的保護(hù)距離進(jìn)行對(duì)比，從而判斷保護(hù)長(zhǎng)度是否滿足要求。

2.1. 電位變化計(jì)算

電流流出點(diǎn)的最大電位改變公式如下：

其中：

C1——電流流出點(diǎn)的最大電位改變；

C2——點(diǎn)X 處的電位改變；

α——為衰減常數(shù)；

Lmax——從陰極保護(hù)電流流出點(diǎn)到滿足規(guī)范保護(hù)電位下管道的最長(zhǎng)距離。

2.2. 最大保護(hù)長(zhǎng)度

在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范情況下，管道最大保護(hù)長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

2.2.1. 最大電位改變C1 的計(jì)算

其中：

P1——電流流出點(diǎn)最大電位；

P2——管道對(duì)土壤的自然電位。

2.2.2. 管線任一點(diǎn)X 的電位改變C2 的計(jì)算

其中：

P3——管道對(duì)土壤的最小電位；

P2——管道對(duì)土壤的自然電位。

2.3. 衰減常數(shù)

其中：

Rs——鋼管線性電阻率(Ω/km)；

RL——防腐層泄露電阻率(Ω/km)。

2.3.1. 鋼管線性電阻率RS的計(jì)算

其中：

ρs——鋼的電阻率(Ω/m)；

L——鋼管長(zhǎng)度(m)；

A——鋼管的橫截面積。

鋼管橫截面積按照下式計(jì)算

其中：

D——管道直徑；

t——鋼管壁厚。

2.3.2. 防腐層泄露電阻RL的計(jì)算

其中：

f——防腐層電導(dǎo)率(S/m2)；

D——鋼管直徑；

L——鋼管長(zhǎng)度(m)。

3. 應(yīng)用實(shí)例

3.1. QA 管廊陰極保護(hù)

QA 管廊跨度為61 km，包括QA-4 和QA-10，其中QA-4 新建2 條42 寸管線共計(jì)35.2 km，已存在42 寸管線12 km，已存在40 寸管線21 km；QA-10 新建2 條30 寸管線共計(jì)11.7 km，已存在30 寸管線53.7 km，已存在24 寸管線1.3 km。管線位于靠近海邊的沙漠地區(qū)(Subkha 地區(qū))，水位較淺，土壤電阻率小。

管道陰極保護(hù)采用外加電流法，設(shè)計(jì)壽命20 年，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)要求對(duì)管廊內(nèi)的平行管線同時(shí)施加。按照沙特阿美企業(yè)規(guī)范(SAES-X-40)，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)如表1：

Table 1. Cathodic protection criteria for berried pipeline 表1. 埋地管道陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)陰極保護(hù)工藝計(jì)算及材料選擇，最終確定采用50 V/300 A 的整流器和混和金屬氧化物陽(yáng)極地床，采用深井陽(yáng)極，對(duì)管廊內(nèi)的并行管道同時(shí)進(jìn)行保護(hù)，每20 km 設(shè)置一處陰保站(安裝整流器)。

按照上述設(shè)計(jì)，如何從不同的角度，判定陰極保護(hù)能否覆蓋全部管道，采用電位衰減計(jì)算，是較為有效的方法。

3.2. 保護(hù)范圍計(jì)算

3.2.1. 電位的計(jì)算

按照沙特阿美公司陰極保護(hù)規(guī)范，運(yùn)行的最大電位不能高于?1.15 V，通過(guò)測(cè)量管道對(duì)土壤的自然電位為0.6 V。

電流流出點(diǎn)的最大電位改變C1為：

通過(guò)測(cè)量，管道對(duì)土壤的最小電位P3為0.85 V，則管線任一點(diǎn)X 的電位改變C2為：

3.2.2. 衰減常數(shù)的計(jì)算

管道規(guī)格為42 英寸，壁厚為11.1125 mm 管道橫截面積計(jì)算

鋼的電阻率為0.18 × 10?6Ω/m，鋼管長(zhǎng)度取1 km，則鋼管線性電阻率RS為

鋼管直徑1.016 m，長(zhǎng)度取1 km，防腐層電導(dǎo)率30 S/m，防腐層泄露電阻RL為

由已求得的RS和RL，計(jì)算衰減常數(shù)為：

3.2.3. 最長(zhǎng)保護(hù)距離

根據(jù)已求得的C1、C2和α，最長(zhǎng)保護(hù)距離(衰減長(zhǎng)度) Lmax為

直徑為42 英寸的鋼管長(zhǎng)度為47.2 km，陰保站設(shè)計(jì)的跨度為20 km，而計(jì)算的保護(hù)范圍64.49 km 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 km，按照陰保設(shè)計(jì)，陰極保護(hù)的范圍完全滿足要求。

按照同樣的方法，計(jì)算其它幾種并行管道，結(jié)果均能滿足保護(hù)要求。所以，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)選定的保護(hù)方案、整流器、陽(yáng)極地床等滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全部管道的有效保護(hù)。

3.3. 影響應(yīng)用效果的因素

影響計(jì)算效果的因素為管線路由內(nèi)的土壤環(huán)境、規(guī)范要求的保護(hù)電位、土壤自然電位和土壤最小電位、防腐層電導(dǎo)率、鋼管規(guī)格等，其中規(guī)范保護(hù)電位在設(shè)計(jì)選定規(guī)范時(shí)，就已經(jīng)確定；鋼管規(guī)格在管線水力計(jì)算確定后，即可確定；防腐層電導(dǎo)率根據(jù)選擇的防腐材料類型，能夠確定。因此，影響的主要因素是土壤環(huán)境、土壤電位測(cè)量方式、土壤自然電位和土壤最小電位。

該算法主要適用于土壤電阻率相對(duì)較小的環(huán)境，案例所在的沙特沿海Subkha 和沙漠地區(qū)，地下1.5 m的電阻率最小處為0.01 Ω，最大處為1.23 Ω。土壤自然電位和最小電位是計(jì)算使用的重要數(shù)據(jù)，其測(cè)定采用4 支CU/CuSO4參比電極溫納測(cè)量方法，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，求平均值，以獲得高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到好的計(jì)算效果。

4. 結(jié)束語(yǔ)

在埋地鋼制管道外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，通過(guò)電位衰減計(jì)算，對(duì)判斷能否全部覆蓋整條管線具有較多優(yōu)點(diǎn)。一是，采用與陰極保護(hù)工藝計(jì)算不同的角度，驗(yàn)證保護(hù)范圍，增加了設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性；二是，計(jì)算步驟清晰、簡(jiǎn)單快速，使用方便；三是，計(jì)算所需的數(shù)據(jù)容易獲得。