區(qū)域陰極保護對外管道干擾的案例

吳 翔

(國家管網(wǎng)集團西部管道有限責(zé)任公司，庫爾勒 841000)

隨著石油和天然氣管道站場的連續(xù)多年運行，站內(nèi)管道和儲罐腐蝕泄漏事故頻繁發(fā)生，引起了管理方以及社會公眾的關(guān)注。為了減緩站場內(nèi)部埋地油氣管道的腐蝕危害，大多數(shù)站場采取了區(qū)域陰極保護技術(shù)。區(qū)域陰極保護就是將某一區(qū)域內(nèi)的所有預(yù)保護對象作為一個整體進行陰極保護，依靠輔助陽極的合理布局、保護電流的自由分配以及與相鄰設(shè)備的電絕緣措施，使被保護對象處于規(guī)定的保護電位范圍內(nèi)[1-4]。一般區(qū)域陰極保護以外加電流法為主，系統(tǒng)由擬保護的各類埋地管線及與之電連接的金屬構(gòu)件，陰極保護電源系統(tǒng)(恒電位儀)、輔助陽極地床、陰/陽極電纜、土壤電解質(zhì)等部分組成。

與常規(guī)干線陰極保護相比，區(qū)域陰極保護具有保護對象多，保護電流消耗大，陽極地床設(shè)計難度大，后期調(diào)試整改工作量較大等特點[5-7]。

盡管目前西部管道公司所轄油氣站場已經(jīng)廣泛采用區(qū)域陰極保護技術(shù)，但在實際運營管理中發(fā)現(xiàn)站場區(qū)域陰極保護存在一些普遍問題，這影響了區(qū)域陰極保護的效果和運行可靠性，還可能對站外管道造成干擾[8-9]：

(1)由于輸油氣站場內(nèi)埋地金屬管道、綜合接地系統(tǒng)及構(gòu)筑物基礎(chǔ)鋼筋等埋地金屬存在相互電連接，導(dǎo)致站場內(nèi)部消耗陰極保護電流的對象多，陰極保護電流需求量大。在西部某些油氣站場，站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的輸出電流超過100 A是很常見的。但即便在如此高的電流輸出情況下，這些站場仍無法實現(xiàn)有效陰極保護的全面覆蓋；

(2)由于站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的電流輸出遠大于站外干線，常造成站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)對外部干線干擾的問題，如西部多個油氣站場均存在站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對站外干擾的問題，造成站外陰極保護系統(tǒng)無法正常運行、進出站管道在絕緣接頭附近出現(xiàn)局部腐蝕。將站場區(qū)域陰極保護建設(shè)好、維護好已經(jīng)成為管道完整性管理的一個重要部分。本工作結(jié)合西部某原油站場區(qū)域陰極保護實測數(shù)據(jù)，展示了區(qū)域陰極保護對站外管道產(chǎn)生的陰極干擾、陽極干擾，探討了區(qū)域陰極保護對站外管道產(chǎn)生影響的原因。

1 某原油站的測試數(shù)據(jù)

1.1 陰極保護概況

某原油站內(nèi)埋地原油管道、消防管道及接地體，與儲罐、閥組區(qū)共同進行區(qū)域陰極保護，儲罐與管道、接地之間沒有電絕緣。原油站站區(qū)域陰保共有恒電位儀26臺，區(qū)域陰極保護輸出直流電流合計141 A。原油站區(qū)域陰極保護所用輔助陽極均為高硅鑄鐵陽極，除了個別陰極保護系統(tǒng)使用淺埋地床，其余輔助陽極均為深井陽極。

原油站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)的輸出和輔助陽極的接地電阻情況見表1。

表1 原油站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)的基本情況Tab. 1 Basic situation of cathodic protection system in crude oil station

1.2 絕緣接頭性能測試

使用uDL2雙通道同步測量絕緣接頭兩側(cè)的電位，并對兩側(cè)測量結(jié)果進行對比，若電位相差較大，則說明絕緣接頭的絕緣性能良好；若電位相差較小，則應(yīng)繼續(xù)使用其他測試方法核實接頭的絕緣性能。由圖1可見：A管道出站絕緣接頭內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電位分別為0.81 V和-1.03 V；B管道進站絕緣接頭內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電位分別為-0.43 V和-2.47 V；C管道進站絕緣接頭內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電位分別為0.49 V和-2.4 V。三根管道絕緣接頭的絕緣性能都是良好。

1.3 站內(nèi)區(qū)域陰極保護對站外管道的干擾情況

在研究站內(nèi)區(qū)域陰極保護對外管道的干擾時，采取兩種測試方法。第一種是采用密間隔電位方法測試絕緣接頭外側(cè)管道的電位，找到波動變化停止或數(shù)值平穩(wěn)點以確定干擾范圍。

由圖2可見：站內(nèi)區(qū)域陰極保護對A、B以及C管道絕緣接頭外側(cè)管道造成了陰極干擾，干擾范圍是絕緣接頭外側(cè)200～300 m。在該范圍，管道排放來自站內(nèi)區(qū)域陰極保護的直流雜散電流，具有很大的腐蝕風(fēng)險。

A管道在絕緣接頭處通電電位約為+0.5 V，而在350 m遠的162號測試樁處，通電電位變?yōu)?2.5 V。B管道在絕緣接頭外側(cè)的通電電位約為-0.18 V，而在161號測試樁處為-1.1 V。C管道在絕緣接頭處電位為-0.61 V，在200 m遠處就恢復(fù)至-1.7 V。

為判斷站外管道受陰極干擾的具體的干擾源，在測試工作中執(zhí)行了第二種測試方法，即逐個中斷站內(nèi)區(qū)域陰極保護電源并維持站外管道陰極保護正常運行，用數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄站外管道的電位波動情況，以判斷哪個回路的區(qū)域陰極保護對外管道造成了干擾。

由圖3可見:站內(nèi)區(qū)域陰極保護對出站管道造成不同程度的陰極或陽極干擾。

(a) A管道出站絕緣接頭 (b) B管道出站絕緣接頭 (c) C管道出站絕緣接頭圖1 A、B及C管道的絕緣接頭兩側(cè)電位測量結(jié)果(2018-6-22)Fig. 1 Potential measurement results on both sides of the insulation joints of pipelines A (a), B (b) and C (c)(2018-6-22)

(a) A管道出站絕緣接頭

對A管道出站造成陰極干擾的陰極保護系統(tǒng)編號如下：1#、2#、3#、4#、5#(輕微)、8#、9#、10#(輕微)、11#(輕微)、12#、14#。

對A管道出站造成陽極干擾的陰極保護系統(tǒng)編號如下：6#(輕微)、7#、13#。

對B管道出站絕緣接頭外側(cè)管道產(chǎn)生陰極干擾的站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)編號為： 1#、2#(嚴(yán)重)、3#、7#(嚴(yán)重)、8#、9#、10#、11#、12#、13#(較嚴(yán)重)。

站內(nèi)所有的區(qū)域陰極保護陽極都對C管道絕緣接頭外側(cè)管道造成陰極干擾，干擾的范圍大概是絕緣接頭外側(cè)200 m。

(a) A管道

2 陰極干擾的成因

在強制電流陰極保護系統(tǒng)中，被保護的結(jié)構(gòu)物吸收直流電流，在它周邊會產(chǎn)生一個陰極電勢場，周邊地電位會降低(相對于遠地)，如果外部金屬結(jié)構(gòu)物處于該陰極電勢場內(nèi)，就會受到陰極干擾。圖4為一個陰極干擾的案例，兩條金屬管道近距離交叉，干擾源管道安裝了陰極保護系統(tǒng)，被干擾管道穿越了干擾源管道周邊的陰極電勢場，受到陰極干擾。被干擾管道在交叉點排放雜散電流，具有一定的腐蝕風(fēng)險。

圖4 陰極干擾示意圖Fig. 4 Schematic diagram of cathodic interference

在一些實施了站內(nèi)區(qū)域陰極保護的案例中，由于站內(nèi)強制電流陰極保護系統(tǒng)輸出電流過大，站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)對站外(絕緣接頭接頭外側(cè))管道產(chǎn)生了干擾。圖5所示是典型的站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)對站外管道的陰極干擾。站外管道的遠端吸收的雜散電流經(jīng)管道流向站內(nèi)方向，在絕緣接頭的根部進入土壤電解質(zhì)，繞過絕緣接頭后進入站內(nèi)。在絕緣接頭的外側(cè)根部，管道電位出現(xiàn)明顯的正向偏移，具有很大的腐蝕風(fēng)險。

圖5 站內(nèi)區(qū)域陰極保護對外管道的干擾示意Fig. 5 Schematic illustration of the interference of cathodic protection to external pipelines in the station area

區(qū)域陰極保護對外管道也可能產(chǎn)生陽極干擾?？拷o助陽極的管道吸收直流電流，然后在管道某防腐層破損點處返回至大地。在本工作研究的案例中，區(qū)域陰極保護對外管道的干擾主要表現(xiàn)為陰極干擾。

區(qū)域陰極保護對站外管道的陰極干擾嚴(yán)重影響了外管道陰極保護系統(tǒng)的運行，帶來了嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險。導(dǎo)致該問題的根本原因是站場內(nèi)埋地管線和站內(nèi)接地、基礎(chǔ)等金屬結(jié)構(gòu)物的電連接，這不僅造成了極高的陰極保護電流需求，還帶來了嚴(yán)重的屏蔽與干擾問題。

此外，站場內(nèi)廣泛使用深井陽極輔助地床，也是西部油氣站場出現(xiàn)區(qū)域陰極保護對外管道產(chǎn)生嚴(yán)重陰極干擾的一個重要因素。深井陽極距離管道和站內(nèi)接地體的距離都較遠，處于陽極的遠地管道和接地體吸收的電流大小與它們的對地電阻呈反比關(guān)系。接地體是裸露的金屬且總面積巨大，接地電阻很低，所以絕大多數(shù)陰極保護電流都被接地體吸收。這就造成陰極保護系統(tǒng)的輸出電流顯著增大，且在接地體周邊形成了范圍較廣的陰極電勢場，對外管道造成了陰極干擾。

將站內(nèi)埋地管道架空，即可以解決金屬在電解質(zhì)中發(fā)生的腐蝕問題。除了將埋地管道架空處理外，在站場區(qū)域陰極保護的設(shè)計和施工中還可以考慮以下的方法：

(1) 在設(shè)計階段采用饋電試驗或/和數(shù)值模擬的方式優(yōu)化陽極的分布以及輸出電流[10-12]；

(2) 采用分布式陽極：輔助陽極與被保護管道近距離布置，減少接地體所吸收的電流，提升管道的保護效果[13]；

(3) 改變管道與接地體的連接方式，通過阻直通交類產(chǎn)品實現(xiàn)兩者的連接，避免接地體吸收陰極保護電流；統(tǒng)籌工藝、電氣、通信、儀表和土建等專業(yè)的設(shè)計思路，盡量減少輸油氣站場需要進行陰極保護的埋地金屬構(gòu)筑物的數(shù)量[14-15]；

(4) 盡量避免使用易造成陰極干擾問題的輔助陽極安裝方式，比如在西部區(qū)域應(yīng)慎重使用深井陽極[16]。

土壤電阻率等外部因素也可能造成上述陰極干擾問題，在對這些干擾問題進行評價和緩解時，應(yīng)考慮到這些因素的影響。

在站場區(qū)域陰極保護的運行中，如果使用100 mV陰極極化保護準(zhǔn)則，則陰極保護系統(tǒng)的輸出電流較使用-850 mV極化電位準(zhǔn)則要低，對外部管道的干擾也會降低。但在復(fù)雜站場區(qū)域使用100 mV陰極極化準(zhǔn)則有諸多限值，應(yīng)慎重采用[17]。

在進行站場區(qū)域陰極保護的設(shè)計和施工時，應(yīng)統(tǒng)籌考慮絕緣接頭外側(cè)管道的陰極保護和陰極干擾問題。在絕緣接頭處應(yīng)設(shè)置陰極保護測試裝置，定期對外管道的保護電位進行檢測。

3 結(jié)論

區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對外管道的干擾是大型油氣站場常見的問題。隨著站場區(qū)域陰極保護技術(shù)的應(yīng)用普及，該干擾問題引起了廣泛的注意。

區(qū)域陰極保護對外管道造成陰極干擾的原因是外管道處于站內(nèi)被保護結(jié)構(gòu)物的陰極電勢場內(nèi)。消減該陰極電勢場的范圍和強度是緩解陰極干擾的重要措施。從我國西部區(qū)域的現(xiàn)場應(yīng)用情況看，在站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)中使用深井陽極往往會造成絕緣接頭外側(cè)的陰極干擾。采用分布式輔助陽極、使用阻直通交類產(chǎn)品將接地體與被保護管道隔離，都可以降低站內(nèi)區(qū)域陰極保護的輸出電流，緩解站外管道受到的陰極干擾。

在區(qū)域陰極保護項目實施前，采用饋電試驗與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，可以對設(shè)計進行優(yōu)化，有助于消減區(qū)域陰極保護對外管道的干擾。