天然氣場站區(qū)域性陰極保護工藝研究

張洪濤

【摘要】在天然氣場站中，對區(qū)域性陰極保護工藝進行科學的利用，可以讓場站的地下金屬管道和設施免遭腐蝕，具有極好的保護效果。但是，與國外一些發(fā)達國家相比，我國區(qū)域性陰極保護技術的發(fā)展時間相對較晚，技術存在較強的滯后性，創(chuàng)新性不強。就目前來看，很多天然氣場站在發(fā)展和建設階段，還沒有對該技術展開運用。并且，在區(qū)域性陰極保護工藝實施階段，在陰極保護設計參數(shù)選擇、檢測以及施工等層面，整體研究力度不夠。若不能對參數(shù)科學選擇，施工期間忽視了細節(jié)部分，除了會對區(qū)域性陰極保護的效果造成嚴重的影響之外，還會導致天然氣場站出現(xiàn)非常大的安全風險看，嚴重威脅到了人員的生命安全。所以，必須要加強對天然氣場站區(qū)域性陰極保護工藝的研究，為天然氣場站的安全提供保障。鑒于此，本文即對天然氣場站區(qū)域性陰極保護進行了剖析，對區(qū)域性陰極保護系統(tǒng)設計中的相關問題進行了研究，諸如區(qū)域性陰極保護的保護對象、干擾問題等，并將某市天然氣場站作為研究案例，對站區(qū)域陰極保護設計方案進行了制定，明確了施工過程的具體流程和步驟，希望能夠為區(qū)域性陰極保護工藝的保護效果和水平提升員提供一定幫助。

【關鍵詞】天然氣場站;區(qū)域性陰極保護建筑工程;施工

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.114

緒論

將區(qū)域性陰極保護工藝高效的應用在天然氣場站中，可以對場站內(nèi)部埋在地下的管線和金屬進行保護，對天然氣場站各項工作的開展有很大促進意義。對于區(qū)域性陰極保護工藝來說，主要是對均勻分配電流、合理布設陽極等方式加以利用，讓全部的被保護體都能作為一個整體，能夠處于既定的保護電位范圍內(nèi)。區(qū)域性陰極保護工藝和干線的陰極保護區(qū)別很大，不僅要對埋在地下的管道進行保護，也要對一定區(qū)域內(nèi)的地下金屬構件等加以保護。現(xiàn)階段，我國區(qū)域性陰極保護工藝還有很大的提升空間，技術相對滯后。所以，在今后的發(fā)展中，務必要強化對區(qū)域性陰極保護工藝的研究，保證可以從整體的角度上促進天然氣場站陰極保護效果的提升，讓天然氣場站的運行能夠越來越安全穩(wěn)定。

一、區(qū)域性陰極保護系統(tǒng)設計中的相關問題

1.區(qū)域性陰極保護的保護對象

與其他保護體系的對象相比，針對區(qū)域性陰極保護的保護對象而言，這個情況極為繁瑣，除了包含非常多的數(shù)目之外，整體的分布也比較集中，彼此之間需要借助管道來進行連接。而管道的分布和設置很復雜，設置方式靈活多樣，各個管道之間或平行，或交叉?；谶@一背景，在進行區(qū)域性陰極保護系統(tǒng)設計過程中，在天然氣場站內(nèi)，應該規(guī)范設置陰極保護，找準重點，分清主次，對保護的順序進行明確。

2.區(qū)域性陰極保護的干擾問題

在天然氣場站內(nèi)，由于保護對象比較多，埋在地下的金屬結構極為復雜，所以存在的干擾問題也比較多。一方面，對臨近金屬構件的電干擾腐蝕。針對這一現(xiàn)象，主要是指部分陰極保護系統(tǒng)在運行期間，會對臨近金屬結構造成不同的干擾，所以在設計期間，需要充分考慮這一特征。另一方面，雜散電流造成的干擾。該問題的形成比較復雜，在處理時，可以把天然氣場站內(nèi)的全部地下金屬都融入到保護體系中，保證沒有非保護體存在。

二、天然氣場站區(qū)域陰極保護原理

1.區(qū)域性陰極保護特點

（1）保護電流的損失較大

天然氣場站內(nèi)部區(qū)域埋地設施比較復雜，會大量損耗保護電流，損失的大量電流都流向了土壤。

（2）陽極床設計比較困難

綜合來看，陽極敷設的形式對鋪設位置要求比較高，不同的鋪設位置，對陰極保護的效果影響較大，因而設計比較復雜，有一定的困難。

（3）容易發(fā)生干擾屏蔽

天然氣場站接地的金屬設備非常多，因此需要的保護電流很大，過大的電流會與管道產(chǎn)生相應的干擾，影響效果。同時，場站內(nèi)部設施較多，交錯布置，會產(chǎn)生一定的屏蔽效果，也會降低保護效果。

（4）安全標準要求較高

天然氣場站屬于危險區(qū)域，內(nèi)部的天然氣設施安全要求較高，在一定程度上，會影響和限制保護設施的使用。

2.區(qū)域性陰極保護原理

（1）外加電流陰極保護系統(tǒng)構成

外加電流陰極保護系統(tǒng)主要包括四個部分：外加整流電源、陽極地床、參比電極、連接電纜。要發(fā)生作用，就需要腐蝕電池在輔助陽極發(fā)生化學反應。在實際應用中，常用金屬陽極和石墨陽極作為輔助陽極材料，參比電極多用飽和氯化銀電極、飽和甘汞電極，銅-硫酸銅電極。陽極地床通常使用多支輔助陽極組成，確保釋放出的保護電流能夠均勻分布。系統(tǒng)可以根據(jù)給定電位和參比電極電位相應調(diào)整通電點的電位輸出，通過恒電位儀保證管道設施的相對管地電位在要求范圍內(nèi)。

（2）犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)構成

犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)組成較為簡單，主要包括犧牲陽極、連接電纜。犧牲的陽極金屬是比被保護的管道金屬電位更低，通過電纜相連接，使被保護的管道金屬成為陰極。整個系統(tǒng)中，犧牲陽極、陰極、電纜以及土壤電解質(zhì)組成腐蝕電池。

對比以上兩種辦法，外加電流的有點在于可以調(diào)節(jié)電流的大小，保證產(chǎn)生電流符合要求，因此，適用于保護范圍較大的場站管道防護。犧牲陽極法的特點在于簡單易行、經(jīng)濟成本低且比較可靠，適用于保護量較小的場所，不需要額外的供電，投產(chǎn)后不怎么需要維護和管理。

三、天然氣場站區(qū)域性陰極保護工藝

1.天然氣場站區(qū)域性陰極保護設計

在本項目中，主要是基于某市天然氣場站開展，該天然氣場站的周圍有混凝土攪拌廠、電廠，在場站內(nèi)部，燃氣調(diào)壓工藝區(qū)、辦公區(qū)，占地90m×60m;辦公區(qū)以水泥地為主占地為43m×60m。同時，針對站區(qū)接地裝置接地極，主要是對鍍鋅角鋼進行使用，型號為L50×50×5;埋深為頂距地面1米，長度為550m;接地線應用的是鍍鋅扁鋼，型號為-40×4，埋深1.1米，一共有15個;各設備外殼、金屬管道等都與接地裝置連接。

數(shù)值模擬計算結果

（1）數(shù)值模擬計算結果

在天然氣場站中，因為站內(nèi)埋地管道在實際分布過程中，整體十分規(guī)則，數(shù)量不多。所以，在進行陰極保護設計期間，可以對布式淺埋陽極區(qū)域性陰極保護措施加以利用。在本次的設計中，具體的保護范圍主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面為天然氣場站內(nèi)全部的埋地管線，另一方面，天然氣場站內(nèi)全部的接地系統(tǒng)。在計算環(huán)節(jié)，模型圖如圖1所示。

針對計算過程所生成的劃分網(wǎng)格圖，具體如圖2所示（包含場站埋地金屬結構物和陽極地床）：

將所得到的模型圖和劃分網(wǎng)格圖作為依據(jù)，對GAMBIT進行利用，并在其中對幾何模型進行構建。在模型建立完成后，將其導入到FLUENT中，然后對數(shù)值展開模擬計算，最終所獲得的場站內(nèi)埋地管道管地電位分布情況如圖3所示。

（2）設計參數(shù)選擇

在對設計參數(shù)進行選擇過程中，需要對區(qū)域性陰極保護準則進行明確，其中，管/地陰極保護電位，具體為-850mV，或者可以更負。通常，處于陰極保護條件下，管道的極限保護電位需要控制在相對合理的范圍內(nèi)，絕對不可以比-1200mV更負。若上述的標準都能夠滿足，可以對陰極極化的方式進行應用。針對自然腐蝕電位，因為管道在應用期間，經(jīng)常會被流雜散電流所影響，所以要對經(jīng)驗值進行明確，具體為-0.55V（CSE）。

（3）陰極保護設計

在對區(qū)域性陰極保護設計工作開展期間，需要從天然氣場站的實際運行情況出發(fā)，對天然氣場站內(nèi)的管道和接地網(wǎng)特征等進行充分考量，然后以此為基礎，科學的對設計方法進行利用。在本次的研究中，主要是應用兩種方法，分別是分布式淺埋陽極和犧牲陽極，對二者進行綜合應用，提升保護的有效性。

在實際設計過程中，對分布式淺埋陽極和犧牲陽極手段進行綜合利用，門站整體是對分布式淺埋陽極進行應用，實現(xiàn)強制電流保護的目的。同時，對保護不到位等區(qū)域，要埋設犧牲陽極。

①陰極保護電流計算：在對進行這一環(huán)節(jié)計算期間，需要依照規(guī)范中所給出的公式來進行。

埋地管線所需電流： 86.39m2X3mA/m2=0.26A

接地網(wǎng)表面積：116.95m2

地網(wǎng)所需電流： 116.95m2X20mA/m2=2.34A

共需電量：I=I管道+I接地=0.26A+2.34A= 2.6A

②陰極保護方案：與常規(guī)站外管道的淺埋陽極地床相比，區(qū)域陰極保護淺埋陽極地床預與之相應，順著需要保護的天然氣場站內(nèi)的管道網(wǎng)絡，每間隔一定的距離之后，設置一組或者一支陽極。而對于陽極來說，主要應用的是高硅鑄鐵陽極。通常情況下，若有設備接地現(xiàn)象出現(xiàn)的時候，可以結合實際現(xiàn)狀，盡量集中的布置。分析得知，在對本方案進行使用的過程中，技術的操作十分簡便，能夠為施工工作的開展提供非常大的便利，若在后期出現(xiàn)了故障問題，維修也很容易。

2.天然氣場站區(qū)域性陰極保護施工過程及注意事項

（1）陽極施工

在組織開展陽極施工期間，首先需要將前期的準備工作做到位，之后，對陽極地床進行開挖。在開挖的前期階段，務必要對地下管道或電纜現(xiàn)狀圖進行認真的分析，對管道和電纜的實際分布情況進行明確，在三確認需要開挖的位置并標記清楚，確定沒有管道和電纜。之后，對地下管線探測儀進行應用，精準且高效的探測已經(jīng)標記的位置，在沒有管道和電纜的前提下方可開展開挖操作。在實際開挖過程中，必須要嚴格按照流程和規(guī)范進行，堅決不能出現(xiàn)野蠻施工的情況。同時，為了能夠讓陽極、連接電纜的敷設以及相關組件焊接工作更便利的開展，應該地井等的開挖尺寸加以要求，通常情況下，開挖尺寸的寬度是一米，陽極頂部距離地面絕對不可以比一米小。在開挖的高度和寬度都達到既定標準之后，可以對鉆孔機進行使用，在陽極地溝位置，每間隔兩米就鉆個Φ200×1600mm孔。針對空孔的數(shù)量，要根據(jù)陽極數(shù)量來進行確定。

（2）陰極保護電纜敷設

①電纜之間的連接：在進行陰極保護電纜敷設期間，需要將電纜之間的連接工作做到位。針對陽極匯流電纜：主要是對防爆接線盒和恒電位儀之間的電纜進行連接。在實際操作階段，可以在電纜表兩段位置的銅鼻子上，借助接線柱來進行連接。為保證后續(xù)應用過程中不會出現(xiàn)任何的問題，必須要確保電纜能夠連接到位，電氣也可以實現(xiàn)聯(lián)通的效果。同時，在對陰極、測試電纜與管道進行連接的時候，需要對鋁熱焊的手段加以應用，科學的連接。值得注意的是：在焊接過程中，導電一定要非常良好，堅決不能有虛焊的問題出現(xiàn)。在焊接工作結束以后，要對焊點加大重視，對其進行防腐絕緣處理。此外，如果是電纜之間的連接，可以采取銅管壓接的方法，在連接的位置，做好防腐絕緣處理。

②電纜和管道的連接：針對陰極電纜、零位接近電纜等，在管道連接的時候，可以對熱鋁焊的方式進行利用，具體連接的位置，應該依照文件來進行明確，焊點距離管道焊接的距離需要比100毫米大。在焊接結束之后，做好焊點的防腐處理工作。

③陰極保護電纜敷設。在對電纜進行敷設的過程中，務必要將相應的規(guī)范和標準作為依據(jù)，深度不能小于800毫米，并要在凍土層以下埋設。同時，在地面以及地下位置，需要將裕量留出來，保證土壤下沉的時候，電纜不會出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象。在電纜敷設的上部位置，要鋪沙蓋磚。針對陰極保護電纜，在敷設的過程中，如果想要穿越管道、水溝等，應該根據(jù)區(qū)域的實際情況，對保護套管進行適當?shù)奶砑?，并確保管道兩端要比穿越段的兩端長，長度至少要在300毫米以上。

結論：

天然氣場站在對埋在地下管線和金屬構件進行保護的過程中，合理的對區(qū)域性陰極保護工藝進行應用，可以大大提升保護的效果，降低了地下管線和金屬構件腐蝕問題出現(xiàn)的幾率。將區(qū)域性陰極保護工藝高效的應用在天然氣場站中，可以對場站內(nèi)部埋在地下的管線和金屬進行保護，對天然氣場站各項工作的開展有很大促進意義。所以，為保證天然氣場站能夠穩(wěn)定運行，需要對該技術工藝進行深入研究。本文通過分析，最終明確：將某一區(qū)域內(nèi)所有想要保護的對象看作一個整體，應用區(qū)域性陰極保護工藝來進行保護，具有一定的可行性。同時，依照天然氣場站區(qū)域性陰極保護施工的實際現(xiàn)狀，對施工期間需要注意的事項進行了討論，在已經(jīng)運行的場地內(nèi)，必須要嚴格按照規(guī)章機制進行，做好設施的保護工作。此外，因為天然氣場站所處的環(huán)境很特殊，外界電磁干擾等呈現(xiàn)動態(tài)的變化趨勢，所以要注意，不斷的調(diào)整和改進。

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