站場(chǎng)接地材料對(duì)埋地管道腐蝕速率及陰極保護(hù)的影響規(guī)律研究

趙 康

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西部分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 前 言

隨著油氣輸送系統(tǒng)規(guī)模和自動(dòng)化水平的不斷提高，站場(chǎng)內(nèi)高低壓配電及控制系統(tǒng)不斷向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向發(fā)展，使得站場(chǎng)接地系統(tǒng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，站場(chǎng)內(nèi)管道、通信、電氣等系統(tǒng)聯(lián)合接地作為一種經(jīng)濟(jì)有效的接地防護(hù)措施已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的使用。站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)作為防止站場(chǎng)內(nèi)埋地金屬設(shè)施腐蝕的一種有效措施，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家也同樣已被強(qiáng)制使用。我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代[1]開始在部分站場(chǎng)實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)，取得了很好的保護(hù)效果。于敏等[2]在解決喇嘛甸油田地面設(shè)施腐蝕問(wèn)題時(shí)，對(duì)區(qū)域陰極保護(hù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，使鋼管的腐蝕速率降低了5 倍；蔡德強(qiáng)等[3]對(duì)岳106 井站已建站場(chǎng)補(bǔ)加區(qū)域陰極保護(hù)，使得站場(chǎng)受到保護(hù)。然而區(qū)域陰極保護(hù)由于保護(hù)對(duì)象繁多，陰極保護(hù)電流需求大，地下金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干擾和屏蔽問(wèn)題突出，導(dǎo)致陽(yáng)極地床設(shè)計(jì)難度大[4]。區(qū)域陰極保護(hù)存在以上特點(diǎn)的一個(gè)主要原因就是受站內(nèi)聯(lián)合接地和日益龐大的接地系統(tǒng)的影響。王飛等[5]認(rèn)為站場(chǎng)內(nèi)龐大的接地網(wǎng)會(huì)使區(qū)域陰極保護(hù)率很難達(dá)到100%，陳波等[6]發(fā)現(xiàn)哈四聯(lián)合站由于未考慮全裸接地網(wǎng)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響，投產(chǎn)初期陰極保護(hù)系統(tǒng)有效保護(hù)效率僅有60%。在美國(guó)、中國(guó)和巴基斯坦等國(guó)家大量報(bào)道了由于接地系統(tǒng)影響而導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生異常的事件[7-12]。

站場(chǎng)內(nèi)接地網(wǎng)的存在，不僅造成了大的陰極保護(hù)電流需求量，還帶來(lái)了嚴(yán)重的屏蔽與干擾問(wèn)題，嚴(yán)重影響了區(qū)域陰極保護(hù)的效果和系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。為了降低接地網(wǎng)對(duì)管網(wǎng)的影響，滕延平等[13]采用電流環(huán)法、鉗型電流表等電流測(cè)量方法及設(shè)備，對(duì)陰極保護(hù)存在絕緣故障的站場(chǎng)進(jìn)行了排查，找出了故障位置。朱加祥等[14]在設(shè)計(jì)大型已建油庫(kù)的陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，認(rèn)為確定管道的電流需求量和陽(yáng)極地床的設(shè)計(jì)十分重要，使用饋電試驗(yàn)確定了不同庫(kù)區(qū)所需要的保護(hù)電流密度，設(shè)計(jì)了合適的陽(yáng)極地床以避免接地的干擾。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，研究人員還能借助數(shù)值模擬技術(shù)研究接地系統(tǒng)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響[15-18]。劉瑤等[19]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)鈴S站進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝，實(shí)施后的陰極保護(hù)效果達(dá)到了理想效果。Cui 等[20]利用BEASY 軟件分別研究了管道集中區(qū)的陰極屏蔽效應(yīng)、陰極保護(hù)的影響以及直流雜散電流對(duì)管道腐蝕干擾的影響。本工作開展接地系統(tǒng)對(duì)埋地管道腐蝕危害及陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律研究，通過(guò)腐蝕電流及陰極保護(hù)電場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，研究確定接地網(wǎng)對(duì)埋地管道陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律，對(duì)制定埋地管道區(qū)域陰極保護(hù)與接地網(wǎng)設(shè)計(jì)布置技術(shù)措施具有重要意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 區(qū)域性陰極保護(hù)電位分布數(shù)學(xué)模型

針對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)電場(chǎng)的分布情況，構(gòu)建西部地區(qū)某站場(chǎng)的區(qū)域性陰極保護(hù)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型如式(1)所示:

式(1)中，V為計(jì)算求解的電解質(zhì)區(qū)域，φ為求解區(qū)域內(nèi)各處的電位，x、y、z為空間坐標(biāo)；ΓA為包圍輔助陽(yáng)極體的電解質(zhì)邊界，φa為輔助/犧牲陽(yáng)極體電位，Δφa/s為輔助/犧牲陽(yáng)極對(duì)電解質(zhì)電位，即通常所說(shuō)的陽(yáng)極極化電位，Ja為輔助陽(yáng)極表面極化電流密度，σa為輔助陽(yáng)極附近電解質(zhì)的電導(dǎo)率；ΓC為包圍陰極體的電解質(zhì)邊界，φc為陰極體電位，σc為陰極附近電解質(zhì)的電導(dǎo)率；ΓI為電解質(zhì)絕緣邊界；Δφpower為外加電源電壓。

1.2 幾何模型建立

本工作對(duì)該站場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研，收集了整個(gè)站場(chǎng)內(nèi)所有埋地構(gòu)件的幾何尺寸、分布位置、表面狀況，土壤電阻率分布等基本信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與圖檔資料對(duì)比，確定了管網(wǎng)和接地網(wǎng)位置以及幾何尺寸，如圖1 所示。建立了區(qū)域陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算幾何模型，如圖2 所示。站場(chǎng)區(qū)域中的埋地金屬結(jié)構(gòu)物為工藝管道、水平接地體和垂直接地極。

圖1 站場(chǎng)埋地管網(wǎng)和接地系統(tǒng)1 ∶1 模型Fig.1 The 1 ∶1 models of the underground pipe network and grounding system

圖2 站場(chǎng)埋地管網(wǎng)和接地系統(tǒng)建模及網(wǎng)格劃分Fig.2 Modeling and grid division of underground pipe network and grounding system

1.3 邊界條件

本數(shù)值模擬中涉及輔助陽(yáng)極、接地系統(tǒng)和管網(wǎng)等結(jié)構(gòu)的邊界條件。其中，輔助陽(yáng)極采用恒電流密度邊界條件，即陽(yáng)極輸出電流/陽(yáng)極表面積；接地系統(tǒng)和管網(wǎng)均采用極化邊界條件。

1.3.1 土壤電阻率

土壤電阻率是陰極保護(hù)建模中重要的參數(shù)，在站場(chǎng)中，采用溫納四電極交流電法來(lái)測(cè)量站場(chǎng)土壤電阻率，測(cè)試所得土壤電阻率為80 Ω·m。

1.3.2 極化曲線

使用站場(chǎng)的土壤，測(cè)試低碳鋼(扁鐵)、低電阻模塊(碳)、鋅接地(鋅包鋼)、銅接地在該站場(chǎng)土壤環(huán)境的極化曲線，獲得管道和接地網(wǎng)邊界條件，如圖3 所示。

圖3 管道和不同接地材料在土壤中的極化曲線Fig.3 Polarization curves of pipes and different ground materials in soil

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 無(wú)陰極保護(hù)時(shí)垂直接地極材料對(duì)管道電位和腐蝕速率的影響規(guī)律

由于垂直接地極全裸暴露于土壤中，與管線電連接，垂直接地極材料將影響管道的腐蝕行為。當(dāng)垂直接地極材料的自然電位相對(duì)于管道自然電位正時(shí)，垂直接地極將作為陰極，管線成為陽(yáng)極，管道將面臨很大風(fēng)險(xiǎn)腐蝕。

設(shè)置不同垂直接地極材料均距離管道0.68 m。垂直接地極有26 支，水平接地體采用扁鐵材料，不同垂直接地極材料對(duì)埋地金屬結(jié)構(gòu)物電位和腐蝕速率的影響如表1 所示。

表1 垂直接地極對(duì)管道電位和管道腐蝕速率的影響Table 1 Effect of vertical grounding pole on potential and corrosion rate of the network

當(dāng)選用低電阻模塊垂直接地極材料時(shí)，管道電位分布在-0.560～-0.752 V(vs CSE，下同)，靠近垂直接地極的管道電位正向偏移190 mV，其腐蝕速率為32.130 mm/a，影響范圍為3 m，管道面臨嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)垂直接地極采用銅材料時(shí)，管道電位分布在-0.631～-0.754 V，靠近垂直接地極的管道電位正向偏移120 mV，影響范圍為3 m，其腐蝕速率為3.548 mm/a，與垂直接地極采用低電阻模塊一樣，銅接地材料會(huì)對(duì)附近管道造成嚴(yán)重的腐蝕；當(dāng)垂直接地極和水平接地體均采用扁鐵材料時(shí)，電位未發(fā)生偏移，管道發(fā)生自腐蝕，自腐蝕速率為0.065 mm/a。

2.2 有陰極保護(hù)時(shí)接地對(duì)管道陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律

當(dāng)垂直接地極材料自然電位正于管道的自然電位時(shí)，接地系統(tǒng)將對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)造成影響。為此，考察了管道之間存在低電阻模塊垂直接地極時(shí)對(duì)管道陰極保護(hù)效果的影響，垂直接地極與管道之間的間距很小，僅為0.2 m，如圖4 所示。

圖4 選取管網(wǎng)9 個(gè)(1～9 號(hào))有代表性位置點(diǎn)，記錄低電阻模塊垂直接地極位于管網(wǎng)中間時(shí)，管網(wǎng)在陽(yáng)極地床保護(hù)下的陰極保護(hù)電位分布Fig.4 Protection potential distribution of the network under the protection of the anode ground bed of the 9 representative position points (1～9) when the vertical grounding pole of the low-resistance module was located in the middle of the network

計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。在低電阻模塊垂直接地極的影響下，管道電位分布為-0.224 ～ -0.694 V(vs CSE)，管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕；在距離管道0.80 m 補(bǔ)加1支輔助陽(yáng)極，額外輸出電流為0.16 A，管道的陰極保護(hù)電流密度為20.4 mA/m2，管道電位分布為-0.685～-1.224 V，4 號(hào)測(cè)試點(diǎn)位置過(guò)保護(hù)，5 號(hào)測(cè)試點(diǎn)為欠保護(hù)區(qū)域，垂直接地極對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，靠近接地極的管道未能受到保護(hù)；在距離管道0.80 m 處左右兩次各補(bǔ)加一支輔助陽(yáng)極，額外輸出電流為0.16 A，管道的陰極保護(hù)電流密度為20.4 mA/m2，陰極保護(hù)電位為-0.791～-1.228 V，管道在2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)存在過(guò)保護(hù)，5 號(hào)位置存在欠保護(hù)，補(bǔ)加2 支輔助陽(yáng)極無(wú)法使管網(wǎng)受到保護(hù)。

圖5 補(bǔ)加1 支、2 支和不補(bǔ)加輔助陽(yáng)極時(shí)管道測(cè)試點(diǎn)的陰極保護(hù)電位Fig.5 Cathodic protection potential at the test point of the pipeline when 0，1 and 2 auxiliary anodes are added

以上計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，若低電阻模塊垂直接地極位于密集管網(wǎng)中間，且與管道距離較小時(shí)，無(wú)法通過(guò)增加輔助陽(yáng)極數(shù)量，使管道受到保護(hù)，為防止陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，應(yīng)將低電阻模塊垂直接地極從管網(wǎng)中移除。

2.3 扁鐵接地系統(tǒng)對(duì)陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律

當(dāng)水平采用鍍鋅扁鐵材料，垂直接地采用低電阻模塊時(shí)，考察了遠(yuǎn)陽(yáng)極和近陽(yáng)極2 種地床形式對(duì)管道陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律，測(cè)試點(diǎn)位置如圖6 所示。

圖6 選取管網(wǎng)24 個(gè)(1～24 號(hào))有代表性位置點(diǎn)，記錄遠(yuǎn)陽(yáng)極地床和近陽(yáng)極地床對(duì)管網(wǎng)的陰極保護(hù)電位分布的影響Fig.6 The effects of the far anode ground bed and the near anode ground bed on the distribution of cathodic protection potential of the 24 representative position points (1～24)

設(shè)置遠(yuǎn)陽(yáng)極地床為4 組，每組1 支，長(zhǎng)1 m，埋深1 m，距離管道15 m，計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，地床總輸出電流為20 A，管道附近沒(méi)有接地網(wǎng)存在的地方處于過(guò)保護(hù)；其他管道由于有接地系統(tǒng)的存在，有部分陰極保護(hù)電流流入接地系統(tǒng)，管道處于欠保護(hù)，說(shuō)明在存在低電阻模塊接地極時(shí)，遠(yuǎn)陽(yáng)極地床形式很難實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)內(nèi)埋地管網(wǎng)各處達(dá)到理想的保護(hù)效果。

圖7 遠(yuǎn)陽(yáng)極和近陽(yáng)極對(duì)管道測(cè)試點(diǎn)陰極保護(hù)電位的影響Fig.7 Effect of far anode and near anode on cathodic protection potential of pipeline test point

近陽(yáng)極優(yōu)化方案選用陽(yáng)極4 組，每組3 支，長(zhǎng)1 m，埋深1 m，距離管道1 m，總輸出電流2.4 A，所有管線都在保護(hù)準(zhǔn)則要求的范圍內(nèi)，達(dá)到了良好的保護(hù)效果，說(shuō)明通過(guò)近陽(yáng)極的優(yōu)化分布，可以實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)埋地管網(wǎng)各處達(dá)到理想的保護(hù)效果。

綜上可以看到，站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)中，由于受到接地網(wǎng)的影響，若使用遠(yuǎn)陽(yáng)極地床形式，接地網(wǎng)會(huì)對(duì)陰極保護(hù)電流產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，造成管道存在欠保護(hù)區(qū)域，僅通過(guò)遠(yuǎn)陽(yáng)極形式難以消除；而近陽(yáng)極的優(yōu)化分布能夠減少接地網(wǎng)對(duì)管道的干擾，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)埋地管道各處達(dá)到理想的保護(hù)效果。

3 結(jié) 論

本工作針對(duì)接地系統(tǒng)對(duì)站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)影響規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下:

(1)垂直接地極材料對(duì)管道腐蝕速率有較大的影響，當(dāng)垂直接地材料為低電阻模塊(石墨)或銅時(shí)，當(dāng)垂直接地極與管道距離為0.68 m 時(shí)，管道的腐蝕速率可高達(dá)3.548～32.130 mm/a，大大加速管道腐蝕，同時(shí)使得附近的管道無(wú)法達(dá)到理想的保護(hù)效果。當(dāng)垂直接地極材料為低碳鋼時(shí)，管道電位未發(fā)生偏移，垂直接地極不會(huì)引起管道電偶腐蝕，管道腐蝕為自腐蝕；

(2)站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)中，遠(yuǎn)陽(yáng)極地床無(wú)法消除密集管網(wǎng)與接地影響造成的電流屏蔽，通過(guò)近陽(yáng)極的優(yōu)化分布可以消除電流屏蔽影響，使各個(gè)區(qū)域達(dá)到理想的保護(hù)效果。