在運(yùn)天然氣站場追加區(qū)域陰極保護(hù)措施的難點(diǎn)及對策

延旭博

（河北省天然氣有限責(zé)任公司管道分公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

我國自20世紀(jì)70年代末在油田集輸站首次應(yīng)用區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)，目前已在長輸管道站場內(nèi)已全面應(yīng)用。而據(jù)國內(nèi)長輸管道站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)，站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的一次設(shè)計(jì)的成功率遠(yuǎn)低于干線管道，投產(chǎn)后的有效保護(hù)率達(dá)到100%的站場不足20%。主要是由于站場埋地金屬結(jié)構(gòu)物復(fù)雜，接地系統(tǒng)龐大，干擾屏蔽問題突出，輔助陽極床施工受區(qū)域限制較大，系統(tǒng)回路較多，調(diào)試和測試較困難等系列問題，制約了區(qū)域陰極保護(hù)的應(yīng)用效果。

1 區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)概述

站場區(qū)域陰極保護(hù)，是以保護(hù)站內(nèi)埋地管道為目的，采用強(qiáng)制電流或犧牲陽極的方法，對站內(nèi)埋地管道進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)。施加區(qū)域陰極保護(hù)后，站內(nèi)埋地輸氣管道由防腐層被動防護(hù)轉(zhuǎn)為陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)，大大提高了安全性。

1.1 區(qū)域陰極保護(hù)的必要性

在鋼制管道腐蝕控制方面，陰極保護(hù)的有效性和必要性是經(jīng)過長期試驗(yàn)和實(shí)踐檢驗(yàn)的。雖然，有些未設(shè)置區(qū)域陰極保護(hù)的輸氣站安全運(yùn)行了20年以上，但這并不意味著僅靠噴漆的被動手段是可靠的，原因如下。

（1）出于防雷和防靜電的需要，站內(nèi)設(shè)置了與管道及其設(shè)備連接的龐大接地系統(tǒng)，且一般采用鍍鋅鋼帶等電位較高的金屬，如果埋地管道防腐存在缺陷，就會發(fā)生電偶腐蝕；

（2）輸氣站在較為密集的空間內(nèi)布置了大量的輸氣管道，且彎頭、三通等管件較多，這些均需要進(jìn)行現(xiàn)場防腐，其防腐質(zhì)量與工廠預(yù)制成品相比有一定的差距，且現(xiàn)場防腐還受作業(yè)條件、作業(yè)工序、氣象條件及施工人員本身技術(shù)水平的影響，其可靠性遠(yuǎn)低于干線管道。

因此有必要對管道進(jìn)行陰極保護(hù)，強(qiáng)化站內(nèi)埋地管道的薄弱環(huán)節(jié)，消除腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 區(qū)域陰極保護(hù)的方法

陰極保護(hù)系統(tǒng)可采用犧牲陽極法或外加電流法，而目前外加電流法應(yīng)用較為廣泛，其突出優(yōu)點(diǎn)是輸出電流可條件，適應(yīng)不同的工況條件；陽極消耗低，壽命較長。采用強(qiáng)制電流法的輸氣站區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)一般由直流電源（恒電位儀）、輔助陽極（分布式淺埋或深井埋設(shè)）及參比電極、電纜等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)示意圖

2 在運(yùn)站場追加區(qū)域陰極保護(hù)的難點(diǎn)

2.1 原始資料缺失

對于在運(yùn)站場，特別是一些運(yùn)行年代較長的站場，往往經(jīng)過多次改造、維修，原有的設(shè)計(jì)圖紙已無法全面反映站場的現(xiàn)狀，且經(jīng)過電氣化、智能化改造后，地下除了埋地管道外，還分布了大量的接地扁鐵、電纜、信號線等，不僅影響設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)對施工中的風(fēng)險(xiǎn)控制帶來不利。特別是影響較大的接地系統(tǒng)，與區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)分屬兩個(gè)專業(yè)，設(shè)計(jì)人員往往只能估計(jì)接地網(wǎng)的分布，估算接地網(wǎng)的規(guī)模，在設(shè)計(jì)時(shí)往往由于缺少充分的資料，而嚴(yán)重制約了設(shè)計(jì)的成功率。

2.2 接地系統(tǒng)的影響

隨著輸氣站自動化、智能化水平的不斷進(jìn)步，其工藝管道、電氣、自控、通信系統(tǒng)均與防雷防靜電接地網(wǎng)連接，構(gòu)成了龐大的接地網(wǎng)，且接地電阻很?。ǚ览紫嚓P(guān)規(guī)范要求小于4歐姆）。區(qū)域陰極保護(hù)以站內(nèi)埋地管道為保護(hù)對象，但其很難實(shí)現(xiàn)與接地系統(tǒng)等的徹底絕緣，在已建成區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸氣站實(shí)測發(fā)現(xiàn)，通過接地網(wǎng)流失的陰極保護(hù)電流可達(dá)恒電位儀輸出電流的80%以上[1]，且由于接地系統(tǒng)電阻很小，極易造成對埋地管道的保護(hù)電流屏蔽和干擾。

2.3 地質(zhì)條件的影響

輸氣站的地質(zhì)條件對區(qū)域陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行均有影響。對于經(jīng)過多年運(yùn)行的站場，土壤經(jīng)過自然沉降，不同土層的土壤電阻率、含水量及微生物活動情況均會有所不同，在設(shè)計(jì)階段單一的考慮土壤電阻率的影響是不充分的。

2.4 測試點(diǎn)設(shè)計(jì)

在區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)測試點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，還存在設(shè)計(jì)不合理的問題，一般在大型的站場設(shè)計(jì)10～12個(gè)，中小型站場只有4～8個(gè)。根據(jù)長輸管道區(qū)域陰極保護(hù)測試的結(jié)果分析認(rèn)為[2]，以上的測試點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到全面測試評估陰極保護(hù)效果的水平，或者測試點(diǎn)設(shè)計(jì)的位置不能反映出保護(hù)效果較差的區(qū)域。從表1可以看出，站場管道的保護(hù)電位存在明顯不均勻的問題，僅通過有限數(shù)量的測量點(diǎn)無法反映其整體保護(hù)水平。

表1 某在運(yùn)輸氣站饋電試驗(yàn)記錄

2.5 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)方面，由于站場管道分多個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域管道的規(guī)模不同，因此一般采用多個(gè)回路分區(qū)域保護(hù)[3]，而目前各個(gè)回路的通電點(diǎn)、區(qū)域的劃分尚無相關(guān)的規(guī)定和要求。當(dāng)一個(gè)回路的通電點(diǎn)，或管道靠近其他系統(tǒng)的保護(hù)管道或陽極，則會受其他系統(tǒng)干擾，導(dǎo)致該回路的輸出偏低，管道保護(hù)電位就偏低。這也是目前站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)中常見的問題。

2.6 運(yùn)行管理方面

在區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行管理方面，日常的保護(hù)電位測試是直接反映其保護(hù)效果的指標(biāo)，而站場管道不同于干線管道，按測試樁的位置測量保護(hù)電位就能全面反映其整體保護(hù)效果。對于站場管道，其呈網(wǎng)狀分布，各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)回路的輸出參數(shù)都存在差異，且各回路之間干擾問題突出，保護(hù)電位分布不均的情況較為普遍，和準(zhǔn)確地測量和判斷出保護(hù)不足的區(qū)域是關(guān)鍵，而目前還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。目前的一些長輸管道站場采用在管道周圍埋設(shè)長效參比電極，或安裝參比管、試片等多種方式進(jìn)行測量。

3 在運(yùn)站場追究區(qū)域陰極保護(hù)的對策

3.1 現(xiàn)場調(diào)研收資

在開展區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的前期，需要調(diào)研輸氣站的基本情況，包括各類埋地管道的管徑、長度、位置和接地極的分布等資料；對于圖紙不齊全的，可以在現(xiàn)場進(jìn)行小范圍、多點(diǎn)開挖，驗(yàn)證管道及接地的分布。

3.2 饋電試驗(yàn)和數(shù)值仿真模型技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

近年來，數(shù)值模擬技術(shù)已成為區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的有效手段。即通過建立站場管道金屬、土壤及陰極保護(hù)系統(tǒng)回路的數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合各種金屬筑構(gòu)物的極化特性，計(jì)算出陰極保護(hù)電流及電位的分布，并以此來指導(dǎo)和優(yōu)化陽極地床的選型、布局及回路的設(shè)置[4]。數(shù)值模擬技術(shù)對區(qū)域陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提升有一定的促進(jìn)作用，但其計(jì)算精度往往也受限于多種因素，特別是邊界條件的確定，尤其是被保護(hù)管道的陰極極化邊界條件、接地網(wǎng)金屬的陰極極化特性及埋地金屬結(jié)構(gòu)的分布和規(guī)模，這些對計(jì)算結(jié)果有較大的影響。

饋電試驗(yàn)計(jì)算是在現(xiàn)場設(shè)置臨時(shí)陰極保護(hù)站并埋設(shè)一定數(shù)量的陽極，組成簡易的區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)，對管道進(jìn)行通道并測量各點(diǎn)電位，通過對輸出電流的調(diào)整實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的陰極保護(hù)電位達(dá)標(biāo)，從而得到埋地管道所需保護(hù)電流密度，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。這種基于試驗(yàn)的方法彌補(bǔ)了理論計(jì)算的不足，特別是與數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合，可以彌補(bǔ)前期收資中的不足和錯誤。

基于上述兩種技術(shù)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段可以將兩者聯(lián)合使用，即在輸氣站站場建模階段，因接地系統(tǒng)的各類扁鐵等分布、尺寸等很難準(zhǔn)確測量，采用預(yù)估的方法。建模完成后，設(shè)置與饋電試驗(yàn)相同的邊界條件，對比模型中的電位分布于饋電試驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和修正[5]。經(jīng)過修正完善的模塊可以良好的反映輸氣站的管道電位分布，是數(shù)值模擬計(jì)算成功的關(guān)鍵。

3.3 多回路智能測試設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用

智能陰極保護(hù)參數(shù)測試遠(yuǎn)傳設(shè)備在輸氣管道的干線上已廣泛應(yīng)用。配套各種試片，其可以按設(shè)定的頻率采集多種陰極保護(hù)參數(shù)，包括通電電位、斷電電位、自然電位、交直流電流密度等參數(shù)。在區(qū)域陰極保護(hù)領(lǐng)域，以往通過人工測試，一方面測試點(diǎn)有限，無法反映真實(shí)的陰極保護(hù)電位分布；另一方面，占用大量的人力和時(shí)間，測試的頻率無法很高，在陰極保護(hù)系統(tǒng)因環(huán)境等因素變化時(shí)，電位隨之變化，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整恒電位儀的運(yùn)行狀態(tài)。此外，人工測量往往具有隨機(jī)性和人為操作習(xí)慣帶來的誤差。

隨著智能測試技術(shù)的發(fā)展，多回路智能測試設(shè)備已經(jīng)可以應(yīng)用在區(qū)域陰極保護(hù)測試樁領(lǐng)域[6]，其可同時(shí)具備多達(dá)5個(gè)以上的測試回路，在設(shè)定的時(shí)間采集不同位置的陰極保護(hù)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以為恒電位儀的運(yùn)行調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

3.4 土壤環(huán)境監(jiān)測儀的應(yīng)用

管道的電化學(xué)腐蝕全程都發(fā)生在土壤當(dāng)中，土壤的性質(zhì)如電阻率、含水量、微生物、溫度、沉降速度等受環(huán)境影響而不斷變化，因此對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和研究，有助于掌握不同地質(zhì)條件下的區(qū)域陰極保護(hù)分布規(guī)律和地質(zhì)條件變化對電位、電流的影響，進(jìn)一步從本質(zhì)對區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全面有效性評價(jià)。

3.5 電絕緣的應(yīng)用

實(shí)踐和數(shù)值仿真的結(jié)果表明接地系統(tǒng)對區(qū)域陰極保護(hù)的影響是巨大的。對龐大的、低電阻的接地系統(tǒng)進(jìn)行有效的直流電絕緣可以有效減少陽極用量和恒電位儀直流電流輸出。

對于接地系統(tǒng)相對簡單的輸氣站場，可以采用固態(tài)去耦合器等設(shè)備，在隔離直流的同時(shí)保證交流通過性，確保接地的安全可靠。對于接地系統(tǒng)較為復(fù)雜，無法全面做到直流電絕緣的輸氣站場，可以對接地系統(tǒng)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)部分絕緣[7]。

4 結(jié)束語

（1）對于站內(nèi)埋地管道，實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)是消減腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，確保本質(zhì)安全的有效手段。鑒于區(qū)域陰極保護(hù)的復(fù)雜性，必須進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和合理的設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；

（2）通過多種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以很好的克服在運(yùn)輸氣站場追加區(qū)域陰極保護(hù)的問題，并提高管道保護(hù)率，優(yōu)化恒電位儀的運(yùn)行。