柔性陽極在玉門原油儲備庫區(qū)域陰極保護(hù)中的應(yīng)用

賈光猛，趙常英，秦海燕，付立欣

（中國石油工程設(shè)計有限公司華北分公司，河北任丘 062552）

柔性陽極在玉門原油儲備庫區(qū)域陰極保護(hù)中的應(yīng)用

賈光猛，趙常英，秦海燕，付立欣

（中國石油工程設(shè)計有限公司華北分公司，河北任丘 062552）

玉門油田原油儲備庫在區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計中首次采用柔性陽極，由于該技術(shù)是近兩年新引進(jìn)的，因此在柔性陽極的布置、匯流點(diǎn)的設(shè)置、恒電位儀輸出等方面存在一些尚待解決的問題，文章結(jié)合原油儲備庫區(qū)的現(xiàn)場監(jiān)測工作，分析了檢測結(jié)果并提出了改進(jìn)建議。

柔性陽極；區(qū)域陰極保護(hù)；保護(hù)電位

0 引言

玉門油田原油儲備庫位于甘肅省玉門市赤金鎮(zhèn)清泉鄉(xiāng)西側(cè)約3 km處，緊鄰西部原油管道玉門原油中間分輸泵站，建設(shè)規(guī)模20萬m3，儲存西部原油管道輸送的原油，工程總投資為2.5億元。新區(qū)地上不保溫管道及設(shè)備采用丙烯酸聚氨酯防腐；地上保溫管道及設(shè)備采用無溶劑環(huán)氧防腐；埋地不保溫管道采用聚乙烯防腐膠帶特加強(qiáng)級防腐；埋地保溫管道采用無溶劑環(huán)氧防腐。

陰極保護(hù)技術(shù)一般分為犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)和強(qiáng)制電流 （外加電流）陰極保護(hù)系統(tǒng)。其中，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀、輔助陽極、陽極接線箱、陰極接線箱、長效參比電極、電纜等組成，輔助陽極是整個陰極保護(hù)系統(tǒng)的核心部件，它已由最初單純的廢鋼或鑄鐵陽極發(fā)展到長壽命的高硅鑄鐵陽極、石墨陽極、金屬氧化物陽極以及近些年才出現(xiàn)的具有優(yōu)異輸出電流特性的柔性陽極。玉門油田原油儲備庫工程采用以柔性陽極為基礎(chǔ)的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。

柔性陽極是一種線型的、柔韌的繞線式碳基陽極系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在管道、油罐或其他被保護(hù)結(jié)構(gòu)附近，并連接到外接電源的正極上，而油罐、管道等被保護(hù)體則連接到外接電源的負(fù)極上，這樣就形成一個回路。通電后，適量的陰極防護(hù)電流（CP）就可以通過導(dǎo)線均勻地分散到每一個部位，使被保護(hù)體得到完整的保護(hù)。

1 區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計

1.1 前期調(diào)研

土壤電阻率綜合反映了土壤理化性質(zhì)，是判斷埋地管道腐蝕與防護(hù)技術(shù)狀態(tài)必不可少的重要指標(biāo)，土壤電阻率和土壤腐蝕性呈反相關(guān)系，與土壤的質(zhì)地、松緊程度、有機(jī)質(zhì)含量、土壤溫度、含水量、含鹽量等有密切關(guān)系。通過ZC-8接地電阻測試儀測試，庫區(qū)土壤電阻率基本處于28～35 Ω·m，屬于中等腐蝕。

土壤的pH值是土壤的酸堿度的體現(xiàn)，土壤中氫離子的活度和總含量首先會影響金屬的電極電位。在強(qiáng)酸性的土壤中，它通過H+的去極化過程直接影響陰極極化。在氧的陰極去極化占主導(dǎo)的一般土壤中，土壤的酸度是通過OH-而影響陰極極化的。庫區(qū)土壤酸堿度為7.5，為中性土壤。

1.2 設(shè)計計算

1.2.1 總保護(hù)電流的確定

式中I——管道所需總保護(hù)電流/A；

S——管道總面積/m2；

JS——管道所需最小保護(hù)電流密度/（A/m2）。

1.2.2 所需柔性陽極的長度

式中Lf——所需柔性陽極長度/m；

I0——最大輸出線電流密度/（A/m）。

1.2.3 確定從陽極接線點(diǎn)算起的陽極最大長度

利用埋地管道的陽極設(shè)計曲線，同時根據(jù)柔性陽極的線電流密度，查出未加修正的陽極長度Lf；然后根據(jù)土壤電阻率及土壤電阻率修正系數(shù)表，確定每年度土壤電阻率的最小值ρ，從而得出修正系數(shù)F。

由Lmax=L×F，最終確定最大陽極長度。L為被保護(hù)管道長度，Lmax為確保均勻電流輸出的從陽極接線點(diǎn)算起的陽極最大長度。

設(shè)計時應(yīng)特別注意，Lmax一定要大于被保護(hù)管道長度L，否則，會產(chǎn)生部分管道欠保護(hù)的現(xiàn)象，如保護(hù)范圍內(nèi)被保護(hù)管道多條并行，則L為單根管道長度。

1.2.4 確定陽極接線點(diǎn)位置

柔性陽極平行敷設(shè)在被保護(hù)管道長度L內(nèi)。如果管道長度L短于最大陽極長度Lmax，則只需要一個陽極接線點(diǎn)，如果管道長度超過最大陽極長度Lmax，就需要增加陽極接線點(diǎn)，根據(jù)陽極接線點(diǎn)位置，從而確定陽極接線箱的位置。

陽極接線位置可以為陽極的一端，也可以為陽極的另一端，還可以是陽極中間的某個位置，利用柔性陽極特有的接頭或端部密封件，可以靈活應(yīng)用。

1.2.5 確定恒電位儀或整流器設(shè)備規(guī)格

設(shè)備輸出電壓：U=I×R+U1回路電阻：R=R1+R2+R3

式中I——管道所需總保護(hù)電流/A；

U1——柔性陽極的反電動勢/V；

R1——管/地電阻/Ω；

R2——陽極/地電阻/Ω，占總回路電阻的60%～80%；

R3——導(dǎo)線電阻/Ω。

1.3 陰極保護(hù)方案

玉門油田原油儲備庫區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀、柔性陽極地床、陽極接線箱、陰極接線箱、長效參比電極、電纜等組成。

（1）在陰極保護(hù)間內(nèi)安裝2路遠(yuǎn)控恒電位儀一體機(jī)1臺 （30 A/50 V），該機(jī)具有2路陰極電流輸出功能，每路還有手動調(diào)節(jié)、 “通斷電”測試（通12s、斷3s）的運(yùn)行模式；儀器提供RS485接口（ModBus協(xié)議），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、設(shè)備遠(yuǎn)控的功能；具有過流保護(hù)、防雷保護(hù)、抗交流干擾功能；具有顯示輸出電流、輸出電壓及保護(hù)電位等功能。

（2）在老區(qū)和新區(qū)范圍內(nèi)分別設(shè)置一個陽極接線點(diǎn)和陰極匯流點(diǎn)，接線點(diǎn)和匯流點(diǎn)處分別設(shè)置1個接線箱。接線箱應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)電阻和可調(diào)電阻，便于調(diào)整各路陽極電流輸出，以實(shí)現(xiàn)埋地管道陰極保護(hù)電位的精確控制。

（3）本工程設(shè)2個陰極匯流點(diǎn)，用于恒電位儀所需陰極保護(hù)電位信號反饋，匯流點(diǎn)處參比電極的上方安裝一個地漏 （帶管帽），以方便運(yùn)行維護(hù)中定期灌水，保持長效硫酸銅參比電極處于濕潤的土壤環(huán)境中。

1.4 柔性陽極敷設(shè)及安裝

（1）柔性陽極地床宜與管道同溝敷設(shè)，與管道外壁間距宜不小于500 mm，最小為300 mm。

（2）陽極回填土應(yīng)過篩，不得夾雜磚瓦、金屬等硬物，以免損壞陽極。

（3）當(dāng)柔性陽極與站場內(nèi)埋地管道、接地極、電纜及其他埋地構(gòu)筑物交叉時，應(yīng)保證兩者間距不小于300 mm，并在交叉處加防護(hù)網(wǎng)罩，以免因沉降使兩者相碰。

（4）柔性陽極相互交叉時，應(yīng)保證兩者間距不小于200 mm，并在交叉處兩側(cè)各200 mm范圍內(nèi)的柔性陽極上采用絕緣膠帶進(jìn)行絕緣隔離。

（5）柔性陽極穿過道路及防火堤時，應(yīng)穿塑料管或適當(dāng)深埋。

（6）關(guān)于柔性陽極對接接頭、三通、終端封堵、與電纜連接等的施工技術(shù)要求詳見廠家提供的說明書。

2 區(qū)域陰極保護(hù)電位檢測及檢測結(jié)果

為了解柔性陽極應(yīng)用效果，本工程對玉門油田原油儲備庫進(jìn)行了區(qū)域陰極保護(hù)檢測。

本次電位檢測采用英國DCVG公司生產(chǎn)的CIPS密間隔電位測量儀，密間隔電位測量 （見圖1）是在有陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道上通過測量管道的管地電位沿管道的變化，來分析判斷陰極保護(hù)是否有效。密間隔電位測量是一種瞬間斷電法，它能夠消除IR降，讓保護(hù)電位的測量更接近真實(shí)值。陰極保護(hù)電流加載到管道上時，通過管道、防腐層、土壤構(gòu)成回路。在回路中加入中斷器定時中斷陰極保護(hù)電流，這樣就可以通過GPS同步測量通電電位和斷電電位。

圖2、3為典型的老區(qū)成品油管道、閥組區(qū)周圍消防管道和新區(qū)供水管道不同點(diǎn)的斷電保護(hù)電位分布。

3 結(jié)果分析及建議

（1）從老場區(qū)的管道陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)來看，部分管段的陰極保護(hù)電位沒有達(dá)到要求，主要原因：一是防腐層老化，存在破損，造成管道極化效果不好，電位無法達(dá)到保護(hù)程度；二是接地極未采用鋅包鋼，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流大量流失。由此可見，柔性陽極區(qū)域陰極保護(hù)在保護(hù)防腐層比較差的管道、接地極為裸鋼時沒有達(dá)到預(yù)期的效果，建議適當(dāng)提高恒電位儀的輸出電流，提高管道保護(hù)電位，使全線電位能夠達(dá)到保護(hù)，又不至于局部過保護(hù)。

（2）從新場區(qū)的管道陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)來看，管道的陰極保護(hù)電位基本上都達(dá)到-0.85V以上的保護(hù)水平，少數(shù)管段整體電位沒達(dá)到保護(hù)要求，這是由于恒電位儀的控制保護(hù)電位過低，輸出電流小造成的。適當(dāng)調(diào)整控制電位，增加恒電位儀的輸出電流后，管道的陰極保護(hù)電位基本上都達(dá)到保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）對新區(qū)4個儲罐進(jìn)行了陰極保護(hù)檢測，每個儲罐有4個測試樁，其中1個測試樁埋設(shè)的是長效鋅參比電極，檢測發(fā)現(xiàn)4個儲罐16個測試樁中有3個鋅參比電極和1個硫酸銅參比電極電位不夠。因?yàn)槊總€儲罐至少有3個點(diǎn)的電位能夠達(dá)到保護(hù)，而且斷電電位都達(dá)到了保護(hù)，因而，可能是由于施工原因造成的長效參比電極失效，建議對以上3個鋅參比測試樁和1個硫酸銅參比測試樁進(jìn)行調(diào)查，找出失效的原因。

（4）從土壤電阻率檢測結(jié)果來看，土壤腐蝕性為一般，土壤酸堿度為中性。不屬于高土壤電阻率，根據(jù)規(guī)范，保護(hù)電位要達(dá)到-0.85 V才可以有效地保護(hù)管道。

[1]GB/T 21448-2008，埋地管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]胡士信．陰極保護(hù)工程手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[3]Gibson W F.Conductive Polymeric Cable System[A].The NACE Annual Conference and Corrosion Show[C].Nashville：NACE，1992.No.381，1-12.

Application of Anodeflex in Regional Cathodic Protection at Yumen Crude Oil Reserve Depot

JIA Guang-meng（China Petroleum Engineering Huabei Company， Renqiu 062552,China），ZHAO Cheng-ying，QIN Hai-yan，et al.

Anodeflex is adopted in the regional cathodic protection design at Yumen Oilfield crude oil reserve depot for the first time.Because the anodeflex technique has been introduced only for two years,there are some problems in anodeflex allocation,bus point setting up and potentiostat output.In this paper,such problems are discussed for better use of anodeflex.

anodeflex;regional cathodic protection;protection potential

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.015

賈光猛 （1984-），男，山東德州人，助理工程師，2007年畢業(yè)于安徽建筑工業(yè)學(xué)院計算機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田防腐蝕設(shè)計和長輸管道設(shè)計工作。

2011-01-27