油氣廠站區(qū)域性陰極保護(hù)體系構(gòu)建與探討

王林強(qiáng),安 超,張 琪,賈海民,熊新民,甘小平

(1. 塔里木油田塔北勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部,庫(kù)爾勒 841000; 2. 塔里木油田天然氣事業(yè)部,庫(kù)爾勒 841000)

油氣廠站區(qū)域性陰極保護(hù)體系構(gòu)建與探討

王林強(qiáng)1,安 超2,張 琪1,賈海民1,熊新民1,甘小平1

(1. 塔里木油田塔北勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部,庫(kù)爾勒 841000; 2. 塔里木油田天然氣事業(yè)部,庫(kù)爾勒 841000)

以某聯(lián)合站和某天然氣處理廠的區(qū)域性陰極保護(hù)為例，從源頭設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方面探討油氣廠站區(qū)域性陰極保護(hù)體系構(gòu)建中的差異性及注意事項(xiàng)，補(bǔ)充犧牲陽極塊的設(shè)置原則，探索區(qū)域性陰極保護(hù)的最佳保護(hù)效果。

區(qū)域性陰極保護(hù)；構(gòu)建；探討

區(qū)域性陰極保護(hù)主要是對(duì)集中在某一區(qū)域內(nèi)的多個(gè)埋地金屬結(jié)構(gòu)以及主要集中在埋地管網(wǎng)較為密集的區(qū)域的保護(hù)技術(shù)[1]，是陰極保護(hù)技術(shù)的一種應(yīng)用特例。如綜合性的聯(lián)合站、天然氣處理廠等場(chǎng)所，保護(hù)對(duì)象為區(qū)域內(nèi)的復(fù)合體。20世紀(jì)60年代國(guó)外開始進(jìn)行區(qū)域性陰極保護(hù)的研究和應(yīng)用，80年代初我國(guó)開始在油田和部分輸油站嘗試采用區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)，90年代中后期區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)相對(duì)成熟并逐步推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)工程實(shí)踐證明，對(duì)輸油泵站、油庫(kù)罐區(qū)及油氣集輸聯(lián)合站等采用區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)比單管涂層防腐蝕技術(shù)和犧牲陽極技術(shù)更加有效[2-6]。實(shí)施區(qū)域性陰極保護(hù)后的油氣廠站，可在很大程度上減緩金屬設(shè)施的腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)施大修周期, 其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相當(dāng)可觀。

1　陰極保護(hù)

陰極保護(hù)是給受保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。一般對(duì)于小型或處于低土壤電阻率環(huán)境中(土壤電阻率小于100 Ω·m)的金屬結(jié)構(gòu)，如：城市管網(wǎng)、小型儲(chǔ)罐等采取犧牲陽極的保護(hù)方式(見圖1)；而對(duì)于大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如：長(zhǎng)輸埋地管道，大型罐群等采用外加電流的保護(hù)方式(見圖2)。

圖1　犧牲陽極保護(hù)Fig. 1　Sacrificial anode protection

區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)依靠犧牲陽極、外加電流保護(hù)方式的合理布局，保護(hù)電流的自由分配以及與相鄰設(shè)備的絕緣措施，使被保護(hù)對(duì)象處于規(guī)定保護(hù)電位之內(nèi)。區(qū)域性陰極保護(hù)過程中應(yīng)結(jié)合規(guī)范，抓住重點(diǎn)，進(jìn)行主次分明的保護(hù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行區(qū)域性陰極保護(hù)過程中應(yīng)將陰極保護(hù)對(duì)象集中在儲(chǔ)油罐底板、其次是埋地和地溝管線、以及相關(guān)設(shè)備。技術(shù)的難點(diǎn)在于如何依據(jù)實(shí)際情況，采用合理的布局設(shè)計(jì)和施工技術(shù)以達(dá)到最佳的陰極保護(hù)效果。

圖2　外加電流保護(hù)Fig. 2　Applied current protection

2　區(qū)域性陰極保護(hù)體系

2.1外加電流保護(hù)

某聯(lián)合站區(qū)域性陰極保護(hù)設(shè)立8座陰極保護(hù)站布局圖(見圖3)，設(shè)置11個(gè)通電點(diǎn)(見表1)對(duì)埋地非板式基礎(chǔ)儲(chǔ)罐、集中在埋地管網(wǎng)、罐體間直接相連的接地極、外輸油氣管道以及集油干線采陰極保護(hù)措施。而某天然處理廠區(qū)域性陰極保護(hù)建立2座陰極保護(hù)站布局相對(duì)簡(jiǎn)單，僅設(shè)置2個(gè)通電點(diǎn)(見表2)對(duì)原料氣管道上的絕緣接頭外側(cè)的管道和廠外閥室內(nèi)外輸氣管道上的絕緣接頭之外的管道采取保護(hù)措施。陰極保護(hù)站主要由提供保護(hù)電流的陰極保護(hù)電源設(shè)備、站外陽極地床、陰極保護(hù)通電點(diǎn)及參比電極、各類連接電纜和電絕緣裝置等組成。

從表1和表2可以看出，針對(duì)不同的腐蝕介質(zhì)和保護(hù)對(duì)象，區(qū)域性陰極保護(hù)構(gòu)建時(shí)聯(lián)合站通電點(diǎn)保護(hù)對(duì)象涵蓋儲(chǔ)罐、管道，保護(hù)對(duì)象較為復(fù)雜，而天然氣處理廠區(qū)域性陰極保護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，布局上也是簡(jiǎn)單“一進(jìn)一出”模式。

2.1.1 陽極地床

某聯(lián)合站區(qū)域內(nèi)設(shè)置8座組合式閉孔深井混合金屬氧化物陽極地床。陽極井井口直徑400 mm，設(shè)計(jì)深度80 m，接地電阻≤1.5 Ω。輔助陽極地床的位置應(yīng)盡量設(shè)在土壤電阻率低于50 Ω·m處。陽極地床深度和位置地床選址注意以下因素：

(1) 地床與被保護(hù)管道、設(shè)備距離不宜小于50 m；

表1　某聯(lián)合站陰極保護(hù)站通電點(diǎn)分布Tab. 1　The layout of cathodic protection power supply points in a union station

表2　某天然氣處理廠陰極保護(hù)站通電點(diǎn)分布Tab. 2　The layout of cathodic protection power supply points in a natural gas plant

(2) 地床應(yīng)避免設(shè)在存在有害物質(zhì)(碳?xì)浠衔?、重金屬鹽和鹽水等)污染的區(qū)域；

(3) 陽極井開口位置應(yīng)高出洪水位；

(4) 土層厚、無石塊，便于施工；

(5) 地勢(shì)低洼，地下無金屬構(gòu)筑物的地方。

天然氣處理廠區(qū)域內(nèi)陰極保護(hù)站采用水平淺埋式陽極地床，陽極地床埋設(shè)在距地表1～5 m的土層中的廠外。其埋設(shè)深度位置和地床選址原則為：

(1) 水平淺埋連續(xù)式陽極地床采用加鉻高硅鑄鐵輔助陽極。高硅鑄鐵陽極易碎、易斷裂，凡斷裂后不得再用；

(2) 陽極引出電纜與陽極的接觸電阻應(yīng)小于0.01 Ω；拉脫力數(shù)值應(yīng)大于陽極自身質(zhì)量的1.5倍；

(3) 接頭應(yīng)密封可靠，陽極采用水平淺埋式陽極。

2.1.2 參比電極

對(duì)于聯(lián)合站內(nèi)區(qū)域中的埋地非板式儲(chǔ)罐罐底板下均埋設(shè)2支長(zhǎng)效Cu/CuSO4參比電極做為基準(zhǔn)電位點(diǎn)，用于測(cè)量保護(hù)結(jié)構(gòu)體點(diǎn)位。區(qū)域內(nèi)參比電極埋設(shè)情況見表3。其埋設(shè)要求如下：

(1) 將Cu/CuSO4參比電極預(yù)先用蒸餾水或淡水配制的飽和CuSO4溶液中浸泡24 h，應(yīng)注意電極完全浸沒于溶液中；

(2) 把裝有回填料的包裝袋打開，將浸沒電極的CuSO4溶液倒入其中，用溶液把填料攪拌成均勻稠泥狀，再將浸泡過的電極埋設(shè)于回填料中央，扎好包裝袋，注意預(yù)留出導(dǎo)線；

(3) 在指定位置砂墊層中挖好長(zhǎng)寬各500 mm，深250 mm的砂坑，將泡好的參比電極連同回填料置于預(yù)挖的埋設(shè)坑中，再向坑中填細(xì)砂，并向坑中澆適量淡水，保證電極與周圍砂層之間的導(dǎo)電性；

(4) 參比電極埋設(shè)完畢后，將參比電極引出電纜按指定方向在砂墊層中開挖電纜溝，電纜溝深度100 mm，參比電極引出電纜敷設(shè)完成后在電纜溝內(nèi)填充工程細(xì)砂；

(5) 參比電極引出電纜沿測(cè)試樁內(nèi)電纜套管直接連入接線板的接線柱。

表3　某聯(lián)合站儲(chǔ)罐參比電極Tab. 3　The reference electrode of tank in a union station

天然氣處理廠區(qū)域中長(zhǎng)效Cu/CuSO4參比電極通常埋設(shè)在通電點(diǎn)附近的凍土層以下,見表4，外用棉布袋裝填填包料，參比電極置于填包料中間，每袋填包料為膨潤(rùn)土20 kg，填包料應(yīng)充分浸水濕潤(rùn)，參比電極周圍應(yīng)用細(xì)土回填。為了確保參比電極的正常工作，參比電極頂部需要安裝一根PVC管，上蓋配套的PVC地漏，并略低于地面，管內(nèi)填充細(xì)砂至地面高度，以方便運(yùn)行維護(hù)中定期灌水，保持長(zhǎng)效硫酸銅參比電極處于濕潤(rùn)的土壤環(huán)境中。

表4　某天然氣處理廠參比電極Tab. 4　The reference electrode in a natural gas plant

從表3和表4可以看出，相比較天然氣處理廠區(qū)域性陰極保護(hù)體系的相對(duì)集中、管網(wǎng)單一，聯(lián)合站區(qū)域性陰極保護(hù)對(duì)象涵蓋儲(chǔ)罐板底和埋地管線，區(qū)域相對(duì)分散等因素對(duì)源頭優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提出較高要求。

2.1.3 測(cè)試樁

聯(lián)合站區(qū)域性陰極保護(hù)電位測(cè)試樁安裝在距儲(chǔ)罐罐底邊緣1.5 m處，與管道連接的區(qū)域性陰極保護(hù)電位測(cè)試樁設(shè)置在距管道中心線1.5 m處。而天然氣處理廠在絕緣接頭安裝處設(shè)置絕緣接頭測(cè)試樁，方便檢測(cè)絕緣接頭的絕緣性能。測(cè)試導(dǎo)線采用雙芯電纜，采用雙焊點(diǎn)鋁熱焊與管道連接。各焊點(diǎn)與通電點(diǎn)焊點(diǎn)、絕緣接頭保護(hù)設(shè)施(避雷器)焊點(diǎn)的相對(duì)。

2.2極化電位

極化電位ΔE為被保護(hù)結(jié)構(gòu)體施加陰極保護(hù)電流后，管道對(duì)地電位向負(fù)值方向移動(dòng)形成保護(hù)電位E與在斷電狀態(tài)下被保護(hù)結(jié)構(gòu)體的對(duì)地自然電位Ek之間的差值。即：ΔE=│E-Ek│。保護(hù)電位的確定依據(jù)以下3個(gè)原則：

(1) 一般情況下自然電位在-550～750 mV時(shí)，被保護(hù)管段對(duì)地保護(hù)電位E=-850 mV(Cu/CuSO4參比電極,下同) ，即可處于較好的保護(hù)狀態(tài)；

(2) 當(dāng)對(duì)保護(hù)地電位不在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，被保護(hù)管段極化電位ΔE最低要達(dá)到100 mV，以保證足夠的陰極極化；

(3) 對(duì)地保護(hù)電位E不得超過-1 500 mV；對(duì)地電位超過-1 500 mV以后，有產(chǎn)生電解或陰極剝離的可能性，為防止這種情況的發(fā)生，將對(duì)地電位確定為向負(fù)向極化不超過-1 200 mV。

極化電位的測(cè)試方法如下：將陰保系統(tǒng)停運(yùn)行，測(cè)被保護(hù)結(jié)構(gòu)體的對(duì)地自然腐蝕電位Ek得出一組數(shù)據(jù)；恒電位儀打開后，測(cè)得處于通電狀態(tài)測(cè)被保護(hù)結(jié)構(gòu)體的保護(hù)電位E。將Ek和E兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，保護(hù)電位在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)就為正常，否則就要重新調(diào)試。在有測(cè)試片的情況下，以測(cè)試片的值作為Ek；有絕緣接頭正常的情況下，也可以未保護(hù)端的電位為Ek。

下列情況要及時(shí)調(diào)整參數(shù)設(shè)置：

(1) 四季氣候發(fā)生變化，雨季、旱季、汛期等情況下管道的自然腐蝕電位Ek也在發(fā)生變化，這樣就需要進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。

(2) 當(dāng)進(jìn)行管道維護(hù)作業(yè)時(shí)，被保護(hù)體的總面積出現(xiàn)了變化(焊接、搭接、割除管道)或外防腐蝕層質(zhì)量出現(xiàn)變化，就要重新設(shè)置參數(shù)。

(3) 在條件許可的情況下，可記錄當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓涗泝?nèi)容為氣溫、降水量。根據(jù)當(dāng)?shù)丶竟?jié)變化，在測(cè)試自然腐蝕電位的基礎(chǔ)上，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

從表5和表6可以看出，無論是油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備眾多的聯(lián)合站，還是設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單的天然氣處理廠，采用外加電流陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)體時(shí)控制電位的選擇均在-1 200～-850 mV。而恒電位儀因保護(hù)構(gòu)筑體不同，輸出電流、電壓波動(dòng)較大。

表5　某聯(lián)合站陰極保護(hù)測(cè)試樁Tab. 5　Cathodic protection test piles in a union station

表6　某天然氣處理廠陰極保護(hù)測(cè)試樁Tab. 6　Cathodic protection test piles in a natural gas plant

2.3犧牲陽極保護(hù)

在區(qū)域性外加電流陰極保護(hù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際施工中，對(duì)于達(dá)不到保護(hù)電位的被保護(hù)結(jié)構(gòu)體采用犧牲陽極塊補(bǔ)充陰極保護(hù)。犧牲陽極塊埋在結(jié)構(gòu)體兩側(cè)，犧牲陽極塊距離被保護(hù)結(jié)構(gòu)體外壁3～5 m，最小不宜小于0.5 m，同側(cè)陽極間距2～3 m。犧牲陽極采用臥式埋設(shè)凍土層以下，低于結(jié)構(gòu)體底部至少0.5 m。陽極通過測(cè)試樁與結(jié)構(gòu)體連接，具體位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于小型儲(chǔ)罐、腐蝕速率較快的儲(chǔ)罐也考慮設(shè)計(jì)犧牲陽極塊。

3　結(jié)論與探討

針對(duì)不同區(qū)域內(nèi)的陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)體的差異，區(qū)域性油氣廠站陰極保護(hù)體系構(gòu)建時(shí)會(huì)綜合考慮外加電流與犧牲陽極兩種方式的有效結(jié)合，已達(dá)到被保護(hù)結(jié)構(gòu)體金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。

區(qū)域性陰極保護(hù)是將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有地下金屬結(jié)構(gòu)體全部納入保護(hù)范疇,不論是聯(lián)合站還是天然氣處理廠在區(qū)域性陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)統(tǒng)籌考慮陽極地床、參比電極、測(cè)試樁以及通電點(diǎn)的選取安置，補(bǔ)充犧牲陽極塊問題。在油氣廠站區(qū)域性陰極保護(hù)體系構(gòu)建中聯(lián)合站保護(hù)電流通常較大，不同通電點(diǎn)之間的區(qū)位選擇、參比電極埋設(shè)都會(huì)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的電流造成干擾；接地設(shè)施與埋地管道、鋼筋混凝土基礎(chǔ)的接觸，使該區(qū)域內(nèi)土壤中產(chǎn)生電位梯度，形成屏蔽效應(yīng)。而天然氣處理廠實(shí)施陰極保護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單,保護(hù)電流通常較小,一般不會(huì)對(duì)站內(nèi)管道金屬結(jié)構(gòu)造成明顯干擾合屏蔽。

[1]天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編. 物理化學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,1993.

[2]張金珠,杜艷霞. 深海油氣開發(fā)應(yīng)用陰極保護(hù)技術(shù)面臨的幾點(diǎn)問題[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2012,24(1):71-73.

[3]陳洪源,范志剛,劉玲莉,等. 區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)在輸氣戰(zhàn)場(chǎng)中的應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2005,24(5):41-44.

[4]杜艷霞,張國(guó)忠. 輸油泵站區(qū)域性陰極保護(hù)實(shí)施中的問題[J]. 腐蝕與防護(hù),2006,27(8):417-419.

[5]劉玲莉,陳洪源,劉明輝,等. 輸油氣站區(qū)陰極保護(hù)中的干擾與屏蔽[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2005,2:31-33.

[6]王燕. 某油庫(kù)區(qū)域陰極保護(hù)實(shí)踐[J]. 腐蝕與防護(hù),2011,32(7):562-564.

Structure and Discussion of Regional Cathodic Protection System in Oil-gas Stations

WANG Lin-qiang1, AN Chao2, ZHANG Qi1, JIA Hai-min1, XIONG Xin-ming1, GAN Xiao-ping1

(1. Taber Exploration & Development Administration Department of Tarim Oilfield, Korla 841000, China;2. Natural Gas Department of Tarim Oilfield, Korla 841000, China)

Regional cathodic protection is a corrosion protection technology which is mainly used in intensive areas of underground pipe network and mesh metal structures. When a regional cathodic protection system in oil-gas stations is constructed, the protected objects are not a single one but a complex system which consists of crossed underground pipe network, grounding network and tank bottom. The regional cathodic protection systems in a union station and in a natural gas plant are compared, the difference of regional cathodic protection systems are discussed from the design and construction technology, the setting principle of sacrificial anode block is peresented. The best protection effect of regional cathodic protection is explored.

regional catodic protection; structure; discussion

10.11973/fsyfh-201510018

2014-10-23

王林強(qiáng)(1988-),工程師,學(xué)士,從事油氣田地面工藝管理、防腐蝕技術(shù)工作,13999619368,qlw10@sina.com

TG174.41

B

1005-748X(2015)10-0986-04