天然氣站場陰極保護設計運行關鍵技術探討

解 靜 劉 超 李 軍 姜 旭

（1. 中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項目部，陜西 西安 710016；2. 中油國際管道有限公司，北京 102206；3. 國家管網集團西南管道有限責任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741020；4. 中國石油天然氣銷售陜西分公司，陜西 西安 710000）

0 引言

長輸管道腐蝕控制技術成熟，普遍采用防腐層配合強制電流陰極保護技術的方式，有效提高管道系統(tǒng)性能和使用壽命[1]。大型天然氣站場設備設施集中布置（壓縮機、過濾分離器、閥門、工藝管道及匯管），站內區(qū)域相對狹小，埋地、架空、管溝敷設方式多樣化，工藝、消防、排污、給排水多種管道，建筑、設備的地下接地系統(tǒng)，由于上述多種因素，天然氣站場陰極保護設計運行技術還需完善提高，例如不同設備之間屏蔽和干擾，保護電位設計與實際差異較大，恒電位儀電流輸出過高等問題。天然氣站場管道和設備防腐層等級低于干線管道，如防腐層破損或者失效，如果缺乏可靠的陰極保護技術，天然氣站場產生較大的腐蝕泄漏風險。分析天然氣站場陰極保護設計、施工、運行和維護中的關鍵瓶頸問題，結合我國輸氣管道工程實踐經驗，提出了保證天然氣站場安全可靠運行的實施建議。

1 天然氣站場陰極保護技術需求

天然氣站場陰極保護技術指將所有保護對象作為整體進行防護，通過輔助陽極合理布局、保護電流平均分配，以及管道和設備之間的可靠絕緣措施，實現(xiàn)管道和設備處于特定陰極保護電位范圍。天然氣站場陰極保護技術需解決以下關鍵問題：

（1）保護對象、接地系統(tǒng)繁雜，防腐層等級較低，陰極保護電流消耗高；

（2）需妥善處理與管道干線陰極保護系統(tǒng)、地下金屬結構、回路之間的干擾屏蔽問題；

（3）天然氣站場輸油易燃易爆高風險區(qū)域，需解決大功率恒電位儀短路打火問題；

（4）需解決深井陽極設計選型以及受場地條件限制問題。

2 陰極保護系統(tǒng)設計

相對管道干線采用三層聚乙烯涂層（3LPE），國內部分天然氣站場管道和設備采用無溶劑環(huán)氧涂層現(xiàn)場涂裝方式，防腐層質量不能完全保證[2]。該產品在潮濕環(huán)境中易產生破損和漏點，造成嚴重的局部點蝕，也是造成天然氣站場陰極保護電流輸出較高的重要原因。天然氣站場接地系統(tǒng)除設備防雷接地，還包括廠房、建筑的混凝土鋼筋網，大部分保護電流在此流失，也是造成陰極保護電流幾十安甚至一百安的原因。

結合國內天然氣管道工程實踐，降低陰極保護電流的可行措施是保證管道涂層完整性，定期檢測維修破損點；接地系統(tǒng)與陰極保護系統(tǒng)隔離，接地裝置采用鍍鋅扁鋼，定期檢查接地裝置銹蝕狀況。天然氣站場陰極保護設計中一項重要參數是電流密度。行業(yè)標準SY/T 0088-2016《鋼質儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》規(guī)定輸油站或油庫區(qū)域性陰極保護電流密度為5mA/m2～10mA/m2。但針對天然氣站場陰極保護電流密度缺少規(guī)定，建議新建天然氣站場設計中該數值選取應考慮土壤類型、電阻率、含水量、含氧量，以及深井陽極型式、工藝管道防腐層狀況等因素合理選取，并對站內接地系統(tǒng)電流流失情況進行評估，必要時進行饋電試驗、建立臨時陽極地床、計算結構對地電阻，估算天然氣站場陰極保護電流量級，合理選擇陰極保護電流密度參數。

3 陰極保護干擾和屏蔽

由于天然氣站場保護對象繁多，地下金屬結構復雜、分布密集，站內陰極保護系統(tǒng)隊干線干擾影響嚴重，管道干線陰極保護系統(tǒng)裝置也位于站內，兩套陰極保護系統(tǒng)在涂層狀況、電流需求和安全性方面存在差異，電位控制點（陰極通電點和零位點）、參比電極設置在出站端絕緣接頭外側2m處，該位置處于站內陰極保護系統(tǒng)范圍內，強電流形成電磁場會對干線管道陰極保護系統(tǒng)產生干擾?？尚写胧┦钦緢鲫帢O保護系統(tǒng)的陽極地床盡可能遠離管道干線陰極保護系統(tǒng)控制點，或者將控制點位置移至非影響區(qū)（站區(qū)外管道干線進行密間隔電位測試評估干擾情況）；另一方面，恒電位儀控制點安裝排流電極，降低或消除干擾電流造成的附加極化或者去極化。此外天然氣站場區(qū)域有限，電源設備集中布置，通過接地線可能有較大電流流入成為雜散電流干擾源，交流干擾電壓大于15V會對金屬構筑物產生腐蝕問題。

屏蔽問題在天然氣站場陰極保護系統(tǒng)中比較普遍，一般的工藝管道與接地系統(tǒng)、鋼筋基礎、電氣裝置和排水管道的密集區(qū)，該區(qū)域保護電流在土壤中產生電位梯度，如位于區(qū)域中央屏蔽效應達到最大。如管道防腐層質量較差或存在破損點，屏蔽問題更嚴重，導致陰極保護效果不足。針對該問題只依靠遠陽極系統(tǒng)是不夠的，可采取在未達到保護效果的特定位置采用近陽極分散布置或者鎂鋅犧牲陽極方式是進行補充保護，使得陽極影響區(qū)互相疊加，改善區(qū)域內電流分布以消除屏蔽。從陰極保護系統(tǒng)設計施工采取分階段實施，先完成主保護回路（遠陽極系統(tǒng)）通電調試，再根據測試結果布置近陽極型式，也能起到減緩屏蔽的效果。

4 天然氣站場安全防護

天然氣站場屬于一級防火區(qū)域。陰極保護系統(tǒng)電流通常達到幾十安甚至上百安，如設備故障或短路，可能發(fā)生電擊打火問題。一般的，陰極保護設備因為本質安全型防爆設備，供電設備應滿足GB 50058-2014《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》。調研國內天然氣站場陰極保護系統(tǒng)設計中設置滑動變阻器用于調節(jié)陽極輸出電流值，存在不同程度的燒蝕問題，主要原因是滑動變阻器產品質量和大電流熱作用，從而隊天然氣站場安全運行造成風險隱患。新建天然氣站場是否采用該做法值得商榷，從調整控制保護電流分布均衡角度出發(fā)，本質方法是陽極型式選型、埋設位置和數量等因素。

5 輔助陽極設計選型

輔助陽極選型、埋深、數量、布置形式是天然氣站場陰極保護系統(tǒng)設計的關鍵環(huán)節(jié)，合理的輔助陽極設計可以保證保護電流均勻分布，同時有效避免或限制干擾和屏蔽影響，保證陰極保護電位滿足標準規(guī)范。國內天然氣站場一般選用深井陽極、淺埋陽極和柔性陽極三種。

深井陽極可有效釋放保護電流，保護范圍廣，針對站場區(qū)域小和土壤電阻率高的情形，地質條件要求被保護金屬結構與深井陽極之間不能含高電阻率的巖石層。為保證陰極保護電流均勻流至保護體，考慮經濟性和施工難度，深井陽極埋深應大于20m。國內某天然氣站場采用兩路深井陽極地床，經測試站區(qū)邊緣保護電位較高（放空區(qū)），站區(qū)中心區(qū)仍不滿足保護要求（壓縮機區(qū)），分析原因為接地體密集屏蔽問題，采取補充犧牲陽極進行保護?？煽闯觯罹枠O側重將保護體整體極化，保護邊緣極化程度較高，中心區(qū)域可能存在屏蔽而極化程度較低，需要采用輔助陽極保護措施。

高硅鑄鐵淺埋陽極埋入地表下1～5m長期濕潤土層中，分為集中式和分布式埋設兩種型式。集中式也稱遠陽極，距離被保護體較遠，陽極成組埋設于含回填料的陽極溝，通過陽極地床輸出大功率電流，將站場管道設備整體極化。國內某天然氣站場集中式陽極設計形式為4組、每組5支，分別設置在站場東西南北方向邊緣處。分布式也稱近陽極，采用單只或多支陽極沿被保護體2～3m安裝。集中式陽極施工方便，無需單只陽極電流調整，但因大電流輸出整體極化，存在站內屏蔽問題；靠近遠陽極管道電位較高，站場中心區(qū)域可能不滿足保護要求，集中式陽極對于站場規(guī)模較大可能不適用，或者采用遠陽極分散布置并與近陽極相結合的方式，例如在中心區(qū)域、管道接地體密集區(qū)設置近陽極，遠陽極和近陽極分別電流調節(jié)分配的做法。

柔性陽極具有保護電位分布均勻、電流密度高、壽命長、可靠性高特點，柔性陽極廣泛應用于大型儲罐底板以及密集管網陰極保護，解決深井陽極電位不均勻和干擾屏蔽問題。柔性陽極安裝要求是與被保護體距離約300mm；柔性樣機如與管道交叉，應采用套管予以隔離；陽極上方300mm回填土進行細篩。但目前天然氣站場應用還不廣泛，原因是柔性陽極安裝施工要求高，需要緊貼管道設備安裝，如管道設備檢修維護可能造成與柔性陽極短接，且施工檢測難度大。

6 結語

（1）采用深井陽極、淺埋輔助陽極等強制電流保護方式，系統(tǒng)需要較大電流輸出。新建天然氣站場，應對接地系統(tǒng)泄漏電流進行評估，合理選定保護電流密度；

（2）為防止站區(qū)和管道干線陰極保護系統(tǒng)干擾問題，陽極地床應盡可能遠離參比電極；

（3）采用深井陽極，應考慮管道及接地密集區(qū)、站區(qū)中心區(qū)域設備犧牲陽極補充保護問題；

（4）天然氣站場陰極保護不能依靠一種陽極方式解決，應根據被保護體性質、數量、規(guī)模進行針對性設計，多種陽極布置方式即可獲得均勻電流分布，也能減緩干擾和屏蔽影響。