大型復(fù)雜在運輸氣站區(qū)域陰極保護設(shè)計和應(yīng)用

延旭博

（河北省天然氣有限責任公司管道分公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著站內(nèi)管道完整性管理理念的普及，對在運輸氣站場追加區(qū)域陰極保護已成為腐蝕控制的必要手段。對于運行多年、經(jīng)過多次擴建的站場，其工藝流程及接地系統(tǒng)復(fù)雜、新舊管道互聯(lián)互通，且地下的各類電纜位置、埋深情況不明，區(qū)域陰極保護的設(shè)計和實施存在一定難度。單純的理論計算已無法滿足其設(shè)計的需求，在詳細調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合饋電試驗和數(shù)值仿真的方法，對區(qū)域陰極保護系統(tǒng)進行設(shè)計，并檢驗其效果。

1 概述

1.1 輸氣站基本情況

輸氣站Z位于華北平原地區(qū)，占地面積40畝，涵蓋三條輸氣主管線以及兩條支線管道，基本參數(shù)如表1所示。

站內(nèi)工藝管道建成年代不一，材質(zhì)不同，早期站內(nèi)工藝及接地系統(tǒng)圖紙已無法參考，另外經(jīng)過多次改造，如加手動閥門更換為電動閥門、就地壓力表、溫度表更換為壓變、溫變等，新增大量接地。近年隨著輸氣量增加和管網(wǎng)互聯(lián)實施，在老舊工藝區(qū)東側(cè)新建工藝區(qū)。廠區(qū)平面圖如圖1所示。

圖1 輸氣站Z平面圖

1.2 資料調(diào)查

在資料收集和調(diào)查階段，主要調(diào)研站場工藝管道管徑、埋地管道基礎(chǔ)參數(shù)、現(xiàn)場測量土壤環(huán)境條件、接地網(wǎng)的規(guī)模、材料類型以及區(qū)域的分布情況，以便充分掌握站場的相關(guān)資料，分析實施區(qū)域陰極保護的可行性條件及需要注意的問題。

（1） 現(xiàn)場埋地管道調(diào)研情況

站內(nèi)區(qū)域陰保的對象包括站內(nèi)埋地工藝管線、放空管線、排污管線等。埋地管道規(guī)格有Φ20～Φ1219等多種，總長度約2641m，總表面積約2502m2，統(tǒng)計表如表2所示；

表2 站內(nèi)埋地管道規(guī)格統(tǒng)計表

（2）土壤電阻率調(diào)研

經(jīng)使用ZC-8接地電阻測量儀實地測量，Z輸氣站的土壤電阻率調(diào)研數(shù)值如表3所示；

表3 站內(nèi)土壤電阻率調(diào)查表

（3）其他資料收集

收集Z輸氣站的工藝流程圖、新建工藝區(qū)的設(shè)計資料、接地系統(tǒng)資料、與管道連接的放空、排污管道資料及所在區(qū)域的地質(zhì)勘查報告等。

2 Z輸氣站區(qū)域陰極保護系統(tǒng)設(shè)計

2.1 保護方式選擇

對于工藝簡單、規(guī)模較小的站場，可以考慮采用犧牲陽極法保護，但該方法電流輸出量小，對于大型場站很難實現(xiàn)有效保護。結(jié)合GB/T 35508-2017《場站內(nèi)區(qū)域性陰極保護》等規(guī)范要求，采用強制電流法，同時輸氣站X工藝較為復(fù)雜，陰極保護電流消耗量大， 采用多回路設(shè)計，避免單回路負荷過大、電流分布不均勻等問題。

2.2 陽極布置方式

在已建成的站場追加區(qū)域陰保系統(tǒng)，陽極布置方式可以采用分布式淺埋陽極地床、深井陽極地床或兩種方式結(jié)合[1]。

（1）分布陽極多用于地表空間較大，且土壤電阻率不高的情況下。分布式淺埋陽極地床在合理布置的前提下，自身干擾較小，可以使被保護體擁有更為均勻的電位分布。分布式淺埋陽極對站內(nèi)空間的要求較高，站內(nèi)開挖工程量大，特別是補加區(qū)域陰保的站場，在開挖中難免與已有的接地系統(tǒng)、各類動力、通訊的強弱電的電纜交叉，增加施工風險。此外，在間距較近的情況下，分布式淺埋陽極會產(chǎn)生比較大的干擾問題，屏蔽現(xiàn)象也很突出，遠離陽極的被保護體不能被保護[2]；

（2）深井陽極地床是通過鉆井技術(shù)，將陽極豎向布置的形式。該布置方式占地小，可以避免大面積開挖，可最大程度的遠離工藝區(qū)施工，地下隱蔽工程破壞風險低，因此較為適用在運輸氣站追加區(qū)域陰極保護措施時使用。但深井陽極的電流覆蓋區(qū)域較大，如果站場周邊存在其他金屬構(gòu)建物，如化工廠、修理廠等，保護電流容易流向站場外的其他金屬構(gòu)建物，因此在工業(yè)企業(yè)較為密集的開發(fā)區(qū)、工業(yè)區(qū)等位置應(yīng)慎重使用。此外，深井陽極地床在工作中，受保護的管道作為一個整體被極化，保護區(qū)域內(nèi)部管道及接地系統(tǒng)間容易發(fā)生屏蔽。即接地較為密集的區(qū)域保護電流大量流向接地系統(tǒng)，管道保護不足，因此需要結(jié)合分布式陽極進行調(diào)整和優(yōu)化；

（3）輸氣站X的陽極地床布置方式

結(jié)合上述情況，為減少工藝區(qū)內(nèi)施工，降低風險，同時兼顧經(jīng)濟性和保障區(qū)域陰保系統(tǒng)效果，輸氣站X的陰極保護系統(tǒng)在設(shè)計中以深井陽極為主，同時采用分布式淺埋陽極補充陰極保護系統(tǒng)中屏蔽嚴重的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化整體電流分布。

2.3 保護回路設(shè)計和恒電位儀選型

（1）保護回路設(shè)計

由于區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的復(fù)雜性，為了提供更好的保護效果，一般將站場分為多個保護區(qū)域，進行多保護回路設(shè)計[3]。在輸氣站X的陰極保護系統(tǒng)中，根據(jù)其埋地管道的特點，為其設(shè)計4各回路，在原工藝區(qū)和新建工藝區(qū)分布設(shè)置1個深井陽極地床回路、1個分布式淺埋陽極回路；

（2）恒電位儀選型

根據(jù)回路設(shè)計，區(qū)域陰極保護的電源設(shè)備選用1機5回路交流恒電位儀，4用1備。為了確定其具體輸出功率等參數(shù)，還要對輸氣站X陰極保護系統(tǒng)的電流需求量進行進一步的研究。

1）理論計算

依據(jù)《GB/T 21448-2017 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范要求，輸氣站X區(qū)域陰保系統(tǒng)對電流要求計算如下：

根據(jù)圖紙及現(xiàn)場調(diào)研涿州站埋地管道規(guī)格有Φ20-Φ1219等多種，總長度約2641m，總表面積約2502m2，埋地管道防腐為冷纏帶防腐層，采用保守電流密度0.8mA/m2。根據(jù)管道表面積計算陰保電流需求I1=2502m2×0.8mA/m2=2A。

考慮到輸氣站內(nèi)龐大的接地系統(tǒng)影響，大量的陰極保護電流將通過接地系統(tǒng)流失，相關(guān)研究表明這部分流失電流可達整個陰極保護系統(tǒng)的85%以上。設(shè)計過程中，接地體表面積的大小會直接影響所需提供保護電流的大小。而接地體面積的統(tǒng)計往往比較困難，為保證足夠的系統(tǒng)余量，在計算保護電流大小時，需要在管道（以裸管對待）表面積的基礎(chǔ)上乘以一個系數(shù)來表征接地體消耗的陰保電流。此次設(shè)計中系數(shù)取1.5。裸金屬采用電流密度按10mA/m2計算，接地極陰保電流需求I2=2502m2×1.5×10mA/m2=37.53A。

管道加接地極的總陰保陰保電流需求為I=I1+I2=39.53A。如果電流平均分配到4路恒電位儀，每路恒電位儀輸出電流10A；考慮電流分布中一定的不均勻性，考慮2倍的裕量，選型為恒電位儀規(guī)格定為40V/20A；

2）饋電試驗

可以看到，上述理論中對于接地系統(tǒng)的影響，采用了基于經(jīng)驗和參考同類項目進行估算的方法計算其電流消耗，具有一定的誤差風險。為此，采用現(xiàn)場饋電試驗的方法對上述計算進行驗證。

在該輸氣站現(xiàn)場進行饋電試驗，饋電總電流10A，新舊工藝區(qū)內(nèi)的工藝管道、排污管道、放空管道的出入土點斷電電位均負于-850mVcse。通過饋電試驗，同樣證明40V/20A恒電位儀可以滿足需求。

2.4 陽極材料選擇

站內(nèi)區(qū)域陰極保護的陽極可采用的陽極材料有石墨陽極、高硅鑄鐵陽極、混合金屬氧化物陽極（MMO）、柔性陽極等[4]。石墨陽極雖然造價較低，但容易損壞，近年逐步被淘汰。柔性陽極一般用于新建站場與埋地管道同溝敷設(shè)，保護效果較好，但如果用于在運站場改造，工程量較大。因此，在運輸氣站場追加區(qū)域陰極保護使用高硅鑄鐵陽極或者MMO陽極較為適宜，兩種陽極材料均由良好的導(dǎo)電性能、穩(wěn)定耐用。對比高硅鑄鐵陽極消耗率≤0.45kg/（A·a）和MMO陽極消耗率＜1mg/（A·a），考慮到場站區(qū)域陰保所需陰保電流較大，從消耗率、使用年限角度來對比，采用MMO陽極可保證隱蔽工程較長的運行年限，避免后期陽極失效導(dǎo)致的再次開挖。

2.5 陽極布置優(yōu)化

陽極的布置是否合理決定了陰極保護電流是否能夠均勻分布，有效的對全站埋地管道進行保護。以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的設(shè)計方法缺少科學的分析和計算，已無法滿足區(qū)域陰極保護系統(tǒng)設(shè)計的需要。結(jié)合基礎(chǔ)資料調(diào)查、饋電試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬軟件，對輸氣站的管道、接地系統(tǒng)等進行建模，并采用有限元計算法，優(yōu)化陽極的分布，同時可以直觀的看到電位的分布情況[5]，如圖2所示。

圖2 輸氣站X數(shù)值仿真電位分布圖

通過數(shù)值仿真的優(yōu)化，輸氣站內(nèi)所有埋地管道極化電位均達到-850mV～-1200mVcse。

3 應(yīng)用效果與分析

3.1 陰極保護有效率驗證

該輸氣站區(qū)域陰極保護實施完成后，對全站管道進行了密間隔點位測試，共計測試279處，極化電位全部在-0.85～-1.25V有效保護范圍內(nèi)，區(qū)域陰極保護系統(tǒng)合格，證明了本設(shè)計思路和方法的可行性。

3.2 數(shù)值仿真的準確性

通過對區(qū)域陰極保護系統(tǒng)投運后全部測試數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)：新工藝區(qū)部分符合率較高，誤差在5%以內(nèi)，舊工藝區(qū)的誤差較高，大部分在10%左右，部分數(shù)據(jù)誤差達到了15%。

究其原因，是因為新工藝區(qū)的圖紙等資料較為齊全，接地系統(tǒng)分布清晰；舊工藝區(qū)的接地系統(tǒng)只能靠經(jīng)驗、估計和少量開挖驗證，導(dǎo)致該部分區(qū)域在進行數(shù)值仿真時，邊界條件誤差較大，仿真結(jié)果誤差較高[6]。雖然通過了饋電試驗的數(shù)據(jù)進行了校準，但仍無法完全消除其影響。

3.3 與干線管道陰極保護干擾情況

因輸氣站的干線陰極保護的長效參比電極一般埋深在站場附近，容易受到站內(nèi)區(qū)域陰極保護電流的影響，導(dǎo)致反饋的干線保護電位不準。如圖3所示，如果干線參比電極處管道有站場區(qū)域陰極保護電流流入，反饋給干線恒電位儀的信號為線路電位偏負，干線恒電位儀輸出較少，導(dǎo)致干線陰極保護不足。反之，干線將產(chǎn)生過保護，管道有析氫風險。

圖3 站內(nèi)外陰極保護干擾成因圖

針對上述情況，本項目設(shè)計和實施中，采取以下措施最大限度避免干擾的發(fā)生：

（1）深井陽極地床在選址中盡可能遠離干線管道控制點，并合理接近保護對象。在數(shù)值模擬仿真計算中考慮其對干線陰極保護的影響，并結(jié)合仿真結(jié)果對深井陽極地床選址進行優(yōu)化；

（2）對干線陰極保護系統(tǒng)的控制點采取排流措施，消除干擾電流的影響[7]；

（3）在確保站內(nèi)管道陰極保護達標的前提下減小相應(yīng)回路輸出電流[8]。

通過陽極位置的優(yōu)化，站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)投用后，未對干線陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。測量干線陰極保護電位正常無波動。

4 結(jié)語

（1）通過饋電試驗和數(shù)值仿真技術(shù)優(yōu)化區(qū)域陰極保護系統(tǒng)設(shè)計的方法是有效可行的，同時通過優(yōu)化陽極布局，能有效避免復(fù)雜回路間的屏蔽和干擾，使得保護電流的均勻分布，保證系統(tǒng)的有效性。但實際投運后，各回路的輸出電流只有2A-5A恒電位儀選型偏大；

（2）由于原始資料的缺失、站場工藝本身的復(fù)雜性、土壤電阻的變化等原因，在數(shù)值仿真中邊界條件無法完全與現(xiàn)場一致，會降低仿真結(jié)果的準確性。因此，一方面，在設(shè)計中應(yīng)盡量準確收集現(xiàn)場資料，并結(jié)合開挖等方法明確接地系統(tǒng)的規(guī)模；另一方面，恒電位儀選型時要留有一定的裕量，方便后期調(diào)節(jié)；

（3）對于已運行多年、又經(jīng)過多次擴建的站場，其工藝區(qū)內(nèi)不同材質(zhì)的管道極化特性不同，根據(jù)不同材料的性質(zhì)確定適當?shù)年帢O保護電流，是后期運行管理的重點。