王家溝油庫區(qū)域陰極保護設計

趙常英，朱家祥，周冰，賈光猛，秦海燕

1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062552

2.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津300451

王家溝油庫區(qū)域陰極保護設計

趙常英1，朱家祥1，周冰2，賈光猛1，秦海燕1

1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062552

2.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津300451

王家溝油庫具有建設時間跨度大，區(qū)域面積大，儲罐數(shù)量多，管網(wǎng)分布密集，防腐層種類多樣且失效嚴重的特點。根據(jù)王家溝油庫的特點，對其防腐層失效、接地極面積大導致的陰極保護電流需要量大，存在電位偏正的低電阻模塊、土壤電阻率差別大易產(chǎn)生偏流、屏蔽，陽極安裝受限等不利因素進行了詳細分析，采用現(xiàn)場饋電試驗、數(shù)值模擬計算等方式，對深井陽極地床、淺埋陽極地床、線性陽極地床等方案進行了篩選，優(yōu)化選擇出適合該項目的淺埋陽極地床類型和分布位置，并使整個庫區(qū)監(jiān)測點保護電位達標率達到94%以上。主要介紹王家溝油庫陰極保護的設計要點及實施效果。

區(qū)域陰極保護；陽極地床；王家溝油庫

1 項目概況

王家溝油庫始建于1961年，現(xiàn)有4個罐區(qū)，共有各類儲罐64座，儲罐罐容從1 000 m3到5萬m3不等，其中32座儲罐罐底外壁已采用網(wǎng)狀陽極進行強制電流陰極保護。據(jù)調(diào)查，庫區(qū)內(nèi)各種規(guī)格的埋地工藝管道總長度約91.53 km，僅有4.9 km實施了陰極保護。庫區(qū)內(nèi)還有超過2萬m鍍鋅扁鋼和300只低電阻模塊等各類接地體。王家溝油庫建設時間跨度大，管道敷設年限較早，有相當一部分外防腐層已失效。區(qū)域陰極保護存在以下不利因素：

（1）管道及儲罐數(shù)量多，接地極面積大，管道防腐層絕緣性能差異大，甚至有的管道防腐層已完全失效，因此需要陰極保護電流量大。

（2）接地極種類多，存在電位偏正的低電阻模塊，且水平及分層土壤電阻率差別大，2 m深土壤電阻率為40～151 Ω·m，4 m深土壤電阻率超出電阻測試儀量程，易產(chǎn)生陰極保護電流偏流、屏蔽。

（3）庫區(qū)內(nèi)管道及罐體自腐蝕電位差別大，在-0.37～-0.59 V，對陰極保護電流需求量不同。

（4）罐區(qū)及工藝區(qū)附近管網(wǎng)密集，造成陽極地床安裝位置受限。

（5）帶有陰極保護的線路橫穿管道，如果地床設置不合理，會造成不同陰極保護系統(tǒng)間的相互干擾。

2 設計思路

2.1 陰極保護方式選擇

犧牲陽極輸出電流小，保護距離短，保護電流輸出量不易調(diào)節(jié)，在區(qū)域保護對象難以估計的情況下，保護范圍有限[1]。對于王家溝油庫這種占地面積大、金屬構(gòu)筑物復雜的區(qū)域保護對象，所需保護電流多，犧牲陽極難以提供足夠的電流。王家溝油庫大部分區(qū)域土壤電阻率高于150 Ω·m，當土壤電阻率大于150 Ω·m時，不宜采用犧牲陽極形式，因此本工程采用強制電流陰極保護。立足現(xiàn)場條件，充分利用已有的陰極保護設施，將陰極保護區(qū)域按罐區(qū)進行了大的區(qū)域劃分，分成了4個區(qū)域。在每個區(qū)域內(nèi)又將儲罐、管網(wǎng)劃分成不同的小區(qū)域，每個小區(qū)域都由獨立可調(diào)的恒電位儀設備供電。

2.2 地床選擇

用于區(qū)域陰極保護的陽極地床分為深井陽極地床、淺埋陽極地床和線性陽極地床3種[2]。

2.2.1 深井陽極地床

深井陽極可有效地均衡保護電流分布，避免屏蔽和最大限度地消除干擾，尤其當?shù)乇砜臻g小或地表土壤電阻率高時，深井陽極因其接地電阻小、占地少的優(yōu)勢是一個很好的選擇。在區(qū)域陰極保護系統(tǒng)設計上，深井陽極地床傾向于把保護對象整體化，但由于屏蔽效應，保護區(qū)域邊緣極化度較高，中心則因管道及接地體密集而極化程度較低。

在南庫區(qū)罐區(qū)內(nèi)開展了深井陽極饋電實驗，實地打了1口80 m深井，安裝了12只高硅鑄鐵陽極。經(jīng)測試，陽極地床接地電阻2.55 Ω，距離陽極井越遠，保護電位越正，陽極井在南罐區(qū)內(nèi)，其北側(cè)隔路就是火車棧橋，棧橋鐵軌通電電位-0.92～-1.52 V，棧橋附近的接地模塊電位-0.72～-0.8 V，而南防火堤外靠近陽極井附近的管道電位-0.88～-1.68 V，陽極井附近地電位梯度分布以北側(cè)的為最大，陰極保護電流流向鐵軌最多。深井陽極輸出的大部分電流被裸露的鋼構(gòu)件吸收，導致遠端的管網(wǎng)很難得到足夠的保護電流。而深井附近的密集管網(wǎng)，其電流分布（見圖1）較均勻。對深井陽極附近的8條管道進行測試，它們的電位數(shù)值相近，為-0.948～0.957 V，基本不存在屏蔽。

圖1 南庫區(qū)深井陽極安裝位置及電位分布情況

對于區(qū)域陰極保護，僅靠現(xiàn)場經(jīng)驗與傳統(tǒng)技術(shù)難以合理確定深井陽極的位置及深度，將數(shù)值計算方法應用于陰極保護模擬計算的技術(shù)不僅降低了研究成本，還為站場陰極保護問題的解決提供了新途徑[3]。根據(jù)王家溝油庫管道的分布、走向及空置土地的分布，開展了數(shù)值模擬計算。初步設計了四種深井陽極分布方式，分別設置15、26、158和198口深井陽極，模擬不同分布方式下庫區(qū)內(nèi)埋地管道陰極保護電位的分布狀況。深井陽極直徑為150 mm，有效埋深為50～100 m，15口深井陽極，陰極保護電流總輸出為225 A。在該陽極分布條件下，埋地管道陰極保護電位達到最小陰保電位-850 mV以上的管道只有極少部分，絕大多數(shù)的管道都是處于欠保護狀態(tài)。深井陽極中釋放的陰保電流絕大多數(shù)都被接地系統(tǒng)及儲罐底板所吸收，受極保護護的管道吸收到的電流極少，其電位分布云圖見圖2。

圖2 陰極保護電位模擬分布（15口深井陽極地床）

通過連續(xù)增加陽極井數(shù)量，與埋設15口深井陽極地床相比，埋設26口深井陽極地床的埋地管道陰極保護電位達到-850 mV以上的范圍變大，但是總體上仍只有極少部分管道達到保護電位；在埋設有158口深井陽極條件下，埋地管道陰極保護電位達到-850 mV以下的管道范圍變大很多，但處于接地極附近罐區(qū)內(nèi)的管道大部分處于欠保護狀態(tài)，而附近無接地極的埋地管道則處于過保護狀態(tài)；在埋設有198口深井陽極條件下，埋地管道陰極保護電位達到-850 mV以的范圍進一步增大，但仍需更多的陽極，此時總輸出電流高達1 086 A，并出現(xiàn)嚴重的偏流現(xiàn)象，靠近陽極井附近的管道，保護電位已達到-1.9 V，超過標準規(guī)定的-1.2 V，但遠離深井陽極處仍存在保護電位不足的管道，其電位分布云圖如圖3所示。上述情況表明，深井陽極很難兼顧好各個區(qū)域的陰極保護效果。

圖3 陰極保護電位模擬分布（198口深井陽極地床）

從現(xiàn)場試驗和模擬計算結(jié)果可以看出，庫內(nèi)的接地系統(tǒng)吸收了絕大多數(shù)的陰極保護電流，為了使更大區(qū)域的管道得到有效保護，需要相當數(shù)量的深井陽極地床。增加深井陽極地床的數(shù)量，一方面增大了工程投資，另一方面受保護管道發(fā)生過保護的風險也會增加。因此，在王家溝油庫內(nèi)單獨采用深井陽極外加電流方案來保護埋地管道是不經(jīng)濟、不可取的。

2.2.2 淺埋陽極地床

因庫區(qū)內(nèi)2 m深左右區(qū)域的土壤電阻率較低，為淺埋陽極創(chuàng)造了條件。當陽極與管道距離小于近陽極點時，保護電位主要由陽極電位決定，在規(guī)定最小保護電位EP下，以達到最大保護長度L作為陽極位置的優(yōu)化目標，計算陽極與管道的最小距離[4]。

在現(xiàn)場做了10組淺埋陽極饋電試驗，每組陽極間距3～5 m，在靠近陽極的位置，管道較易得到保護，而距離較遠處，保護電位不足，需要布設更多的陽極使其得到保護。在三條并行管道處進行測試，靠近陽極位置，電位偏負，存在一定的屏蔽作用。

通過數(shù)值模擬計算，設計了淺埋陽極分布方式，模擬陽極數(shù)量不同、間距不同條件下庫區(qū)內(nèi)埋地管道陰極保護電位的分布。為使庫區(qū)內(nèi)所有管網(wǎng)及未做陰極保護的罐底得到保護，沿管道和儲罐周圍需立式安裝1577只淺埋高硅鑄鐵陽極，陽極間距3～5m，個別單根管處距離為20 m。在雅安庫，罐區(qū)內(nèi)為1 000 m3儲罐，且儲罐底部未安裝網(wǎng)狀陽極，采用在罐區(qū)防火堤內(nèi)埋設淺埋陽極進行保護，其電位分見圖4。

圖4 1577只淺埋陽極地床埋地管道陰極保護電位模擬分布

2.2.3 線性陽極地床

線性陽極為近陽極，距被保護構(gòu)筑物距離較近，沿長度方向分布，電流能優(yōu)先流到最近的構(gòu)筑物上使之得到保護，很少出現(xiàn)大量電流流向其他埋地構(gòu)筑物而造成浪費，并產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象[5]，即使接地極會吸收部分電流，但由于管道靠近陽極，還是有大部分電流會流向管道。

王家溝油庫是改造項目，線性陽極不僅材料費高，其施工安裝費也非常高，庫區(qū)內(nèi)均為在役管道，管道附近埋設有電纜、光纜，埋設線性陽極需沿管道進行人工開挖，并安裝于距離管道3～5 m處，全場區(qū)91.35 km的管道，埋深從1.5～5 m不等，線性陽極的安裝施工費高昂，而且有挖斷電纜、光纜甚至管道的風險。線性陽極的另一劣勢是油庫會不斷地進行后期改造，如果管道、電纜等隱蔽工程開挖不慎，會造成挖斷線性陽極，因此該方案未被采納。

3 設計方案

根據(jù)饋電試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，提出如下設計方案：

王家溝油庫區(qū)域陰極保護共新增恒電位儀（75 V/50 A）35臺，淺埋高硅鑄鐵陽極1 577只，每只陽極可輸出電流0.6～0.8 A。每臺恒電位儀接4個陽極防爆接線箱，1個防爆接線箱連接4～5組高硅鑄鐵陽極（每組4只）。為監(jiān)測保護效果，設置131個智能電位采集儀，可將采集電位通過射頻方式上傳至現(xiàn)有的專家系統(tǒng)。將所有的接地模塊更換為鋅包鋼。

在區(qū)域陰極保護中，被保護體的跨接十分必要。一般土壤電阻率通常在103～106Ω·cm，而金屬電阻率在10-5～10-6Ω·cm，其比值為10-8～10-12，一個橫截面積為0.01 m2的金屬導體等價于電阻率為106Ω·cm、橫截面積為1 010 m2的土壤，可見大地中的金屬構(gòu)筑物是具有很強吸引電流的載體。當保護電流在土壤內(nèi)因電阻過大難以流向被保護管道時，通過導線跨接，可以大大縮短電流路徑，使被保護體電流密度增加，電位得到有效降低，因此為保證陰極保護電流均勻分布，在管網(wǎng)密集處設計了大量的跨接。

4 實施情況

王家溝油庫已施工完畢，處于最終調(diào)試期，具體實施與初步設計有所不同：初步設計要求將模塊接地極更換為鋅接地，因現(xiàn)場模塊接地極位置無法探測，所以未做更換；初步設計考慮陽極垂直埋設，為減少土方，擬用鉆孔方式，但場區(qū)內(nèi)管網(wǎng)實際位置無法準確探測，鉆孔有鉆透管道或損壞電纜的風險，因此改用人工開挖，陽極改為水平埋設，埋深約2 m。

2015年7月對南庫區(qū)進行了預驗收，通過現(xiàn)場調(diào)試，在罐區(qū)周圍減少陽極15只；在南側(cè)管廊帶處，管道長約100 m，陽極間隔20 m，保護電位不足，因此在13 m及67 m處增加了2只陽極。南庫區(qū)均能滿足陰極保護準則要求的斷電電位-0.75 V（該罐區(qū)土壤電阻率＞100 Ω·m）或100 mV要求。

2016年1月對王家溝油庫整體進行了初步調(diào)試，92%的區(qū)域得到了正常保護，8%部位存在欠保護。欠保護區(qū)域主要是距離陽極較遠或出現(xiàn)了屏蔽的管網(wǎng)密集區(qū)域。新增恒電位儀的輸出總電流為128.7 A，原有的恒電位儀輸出總電流為49.7 A，合計178.4 A，模擬推算所需電流298 A，饋電推算所需電流292 A，實際電流值低于這兩種計算值。通過現(xiàn)場測試，不同位置的陽極輸出電流也不均衡，單只陽極輸出電流為0.1～0.4 A。

2016年3月至7月連續(xù)對王家溝油庫進行調(diào)試和整改，欠保護部位增加了陰極跨接點并補設陽極。截止7月中旬，系統(tǒng)調(diào)試電位達標率達到97.9%，整個內(nèi)測試電位不存在欠保護區(qū)域，但有2.1%的電位為過保護區(qū)域，新增恒電位儀的輸出總電流為111.3 A，原有恒電位儀的輸出總電流為58.6 A，系統(tǒng)整改之后恒電位儀的輸出電流變化不大。補加陽極使整個電流電位分布更加均勻，以前需要更大電流輸出才能達到保護要求的區(qū)域，通過補加近陽極，使該區(qū)域陽極地床接地電阻減小，在同等條件下能獲得更多的保護電流，所以在欠保護區(qū)域增加陽極之后新建系統(tǒng)的恒電位儀總電流輸出有所降低，而原有的系統(tǒng)電流需求量上升主要是因為該部分電位有一部分處于欠保護的狀態(tài)。最終的電流需求量待調(diào)試后或許有微小變化，目前系統(tǒng)調(diào)試電位達標率達到94.6%。

5 結(jié)論及建議

區(qū)域陰極保護設計應根據(jù)庫區(qū)的特點，重點考慮陰極保護區(qū)域的劃分、陽極地床的選擇和位置的確定。

（1）對于類似王家溝這樣的特大型庫區(qū)，采用模擬計算與現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合的方式設計區(qū)域陰極保護更為切合實際。

（2）區(qū)域陰極保護管道之間的跨接十分必要，可直接改變因土壤電阻率不同、管道防腐層絕緣性差異、電流衰減等造成電流不均的現(xiàn)象，達到電流重新分布的目的。

（3）王家溝管網(wǎng)采用淺埋陽極，系統(tǒng)調(diào)試電位達標率隨季節(jié)有少許變化，達到94.6%～97.9%，實踐證明采用淺埋陽極這種近陽極的方式取得了預期的保護效果。

[1]馬含悅，杜磊，楊陽，等.區(qū)域陰極保護技術(shù)概況及其發(fā)展[J].腐蝕與防護，2014，35（5）：425-429.

[2]李海坤，謝濤，王穎，等.區(qū)域陰極保護實踐與分析[J].天然氣與石油，2013，31（2）：73-75.

[3]杜炘潔.站場區(qū)域陰極保護數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].成都：西南石油大學，2013.

[4]翁永基.陰極保護設計中的模型研究及其應用[J].腐蝕科學與防護技術(shù)，1999，11（2）：99-110.

[5]程明，屠海波，張平，等.線性陽極在陽曲壓氣站區(qū)域性陰極保護中的應用.腐蝕與防護，2012，33（4）：338-341.

Design ofregionalcathodic protection for Wangjiagou OilDepot

ZHAO Changying1，ZHU Jiaxiang1，ZHOU Bing2，JIAGuangmeng1，QIN Haiyan1
1.China Petroleum Engineering HuabeiCompany，Renqiu 062552，China
2.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

Wangjiagou OilDepot has the features oflong construction time span，large regionalarea，large numberofstorage tanks，dense pipeline network distribution and various coatings with serious failure.According to the characteristics of Wangjiagou Oil Depot，this paper analyzes in detail the negative factors as follows：A lot of cathodic protection current is required because of the failure of anticorrosive coating and the large ground area；Bias current and shield are easily produced because of the presence of low resistance module with positive potential and different soil resistivity；Installation of anode bed is limited.Furthermore，through field feeding experiment and numericalsimulation，deep wellanode，shallow buried anode and flexible anode are screened and the type of shallow buried anode and the distributive location are optimally selected.Ultimately，protection potentials of more than 94%monitoring points met requirements.The key points of the design for cathodic protection of the oildepot and the implementation effect are mainly introduced.

regionalcathodic protection；anode bed；Wangjiagou OilDepot

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.017

趙常英（1968-），女，河北唐山人，高級工程師，1989年畢業(yè)于西南石油學院，現(xiàn)從事防腐設計工作。

2016-07-15；

2016-11-01

Email：34142622@qq.com