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區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)外管道干擾的案例及其成因分析

2022-09-15 16:33:52 作者：吳翔來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

隨著石油和天然氣管道站場(chǎng)的連續(xù)多年運(yùn)行，站內(nèi)管道和儲(chǔ)罐腐蝕泄漏事故頻繁發(fā)生，引起了管理方以及社會(huì)公眾的關(guān)注。為了減緩站場(chǎng)內(nèi)部埋地油氣管道的腐蝕危害，大多數(shù)站場(chǎng)采取了區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)。

區(qū)域陰極保護(hù)就是將某一區(qū)域內(nèi)的所有預(yù)保護(hù)對(duì)象作為一個(gè)整體進(jìn)行陰極保護(hù)，依靠輔助陽極的合理布局、保護(hù)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(hù)對(duì)象處于規(guī)定的保護(hù)電位范圍內(nèi)。一般區(qū)域陰極保護(hù)以外加電流法為主，系統(tǒng)由擬保護(hù)的各類埋地管線及與之電連接的金屬構(gòu)件，陰極保護(hù)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(hù)相比，區(qū)域陰極保護(hù)具有保護(hù)對(duì)象多，保護(hù)電流消耗大，陽極地床設(shè)計(jì)難度大，后期調(diào)試整改工作量較大等特點(diǎn)。

盡管目前西部管道公司所轄油氣站場(chǎng)已經(jīng)廣泛采用區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)，但在實(shí)際運(yùn)營管理中發(fā)現(xiàn)站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)存在一些普遍問題，這影響了區(qū)域陰極保護(hù)的效果和運(yùn)行可靠性，還可能對(duì)站外管道造成干擾：

1. 由于輸油氣站場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)部消耗陰極保護(hù)電流的對(duì)象多，陰極保護(hù)電流需求量大。在西部某些油氣站場(chǎng)，站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)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(chǎng)仍無法實(shí)現(xiàn)有效陰極保護(hù)的全面覆蓋；

2. 由于站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的電流輸出遠(yuǎn)大于站外干線，常造成站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)外部干線干擾的問題，如西部多個(gè)油氣站場(chǎng)均存在站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)站外干擾的問題，造成站外陰極保護(hù)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行、進(jìn)出站管道在絕緣接頭附近出現(xiàn)局部腐蝕。

將站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)建設(shè)好、維護(hù)好已經(jīng)成為管道完整性管理的一個(gè)重要部分。國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司的吳翔工程師結(jié)合西部某原油站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，展示了區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)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(hù)對(duì)站外管道產(chǎn)生影響的原因。

某原油站的測(cè)試數(shù)據(jù)

1 陰極保護(hù)概況

某原油站內(nèi)埋地原油管道、消防管道及接地體，與儲(chǔ)罐、閥組區(qū)共同進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)，儲(chǔ)罐與管道、接地之間沒有電絕緣。原油站區(qū)域陰保共有恒電位儀26臺(tái)，區(qū)域陰極保護(hù)輸出直流電流合計(jì)141 A。原油站區(qū)域陰極保護(hù)所用輔助陽極均為高硅鑄鐵陽極，除了個(gè)別陰極保護(hù)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(hù)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(hù)系統(tǒng)的基本情況

2 絕緣接頭性能測(cè)試

使用uDL2雙通道同步測(cè)量絕緣接頭兩側(cè)的電位，并對(duì)兩側(cè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)試方法核實(shí)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(jìn)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(jìn)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均為良好。

圖1 A，B，C管道的絕緣接頭兩側(cè)電位測(cè)量結(jié)果（2018-6-22）

3 站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)站外管道的干擾情況

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

由圖2可見：站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)A，B，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(hù)的直流雜散電流，具有很大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 A，B，C管道絕緣接頭外側(cè)的間隔電位測(cè)試結(jié)果

A管道在絕緣接頭處通電電位約為+0.5 V，而在350 m遠(yuǎn)的162號(hào)測(cè)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(hào)測(cè)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(yuǎn)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(cè)試工作中執(zhí)行了第二種測(cè)試方法，即逐個(gè)中斷站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)電源并維持站外管道陰極保護(hù)正常運(yùn)行，用數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄站外管道的電位波動(dòng)情況，以判斷哪個(gè)回路的區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)外管道造成了干擾。

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

圖3 站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)A，B，C管道造成的干擾情況（2018-6-24）

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

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

對(duì)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(hù)系統(tǒng)編號(hào)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(hù)陽極都對(duì)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。

陰極干擾的成因

在強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，被保護(hù)的結(jié)構(gòu)物吸收直流電流，在它周邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)陰極電勢(shì)場(chǎng)，周邊地電位會(huì)降低（相對(duì)于遠(yuǎn)地），如果外部金屬結(jié)構(gòu)物處于該陰極電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)受到陰極干擾。

圖4為一個(gè)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(hù)系統(tǒng)，被干擾管道穿越了干擾源管道周邊的陰極電勢(shì)場(chǎng)，受到陰極干擾。被干擾管道在交叉點(diǎn)排放雜散電流，具有一定的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 陰極干擾示意圖

在一些實(shí)施了站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)的案例中，由于站內(nèi)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流過大，站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)站外（絕緣接頭外側(cè)）管道產(chǎn)生了干擾。

圖5所示是典型的站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)站外管道的陰極干擾。站外管道的遠(yuǎn)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(jìn)入土壤電解質(zhì)，繞過絕緣接頭后進(jìn)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(xiǎn)。

圖5 站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)外管道的干擾示意

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

區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)站外管道的陰極干擾嚴(yán)重影響了外管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行，帶來了嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)致該問題的根本原因是站場(chǎng)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(hù)電流需求，還帶來了嚴(yán)重的屏蔽與干擾問題。

此外，站場(chǎng)內(nèi)廣泛使用深井陽極輔助地床，也是西部油氣站場(chǎng)出現(xiàn)區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)外管道產(chǎn)生嚴(yán)重陰極干擾的一個(gè)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(yuǎn)，處于陽極的遠(yuǎn)地管道和接地體吸收的電流大小與它們的對(duì)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(hù)電流都被接地體吸收。這就造成陰極保護(hù)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(shì)場(chǎng)，對(duì)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(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)和施工中還可以考慮以下的方法：

1. 在設(shè)計(jì)階段采用饋電試驗(yàn)或/和數(shù)值模擬的方式優(yōu)化陽極的分布以及輸出電流；

2. 采用分布式陽極：輔助陽極與被保護(hù)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(hù)效果；

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(shí)現(xiàn)兩者的連接，避免接地體吸收陰極保護(hù)電流；統(tǒng)籌工藝、電氣、通信、儀表和土建等專業(yè)的設(shè)計(jì)思路，盡量減少輸油氣站場(chǎng)需要進(jìn)行陰極保護(hù)的埋地金屬構(gòu)筑物的數(shù)量；

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。

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(duì)這些干擾問題進(jìn)行評(píng)價(jià)和緩解時(shí)，應(yīng)考慮到這些因素的影響。

在站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)的運(yùn)行中，如果使用100 mV陰極極化保護(hù)準(zhǔn)則，則陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流較使用-850 mV極化電位準(zhǔn)則要低，對(duì)外部管道的干擾也會(huì)降低。但在復(fù)雜站場(chǎng)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。

在進(jìn)行站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮絕緣接頭外側(cè)管道的陰極保護(hù)和陰極干擾問題。在絕緣接頭處應(yīng)設(shè)置陰極保護(hù)測(cè)試裝置，定期對(duì)外管道的保護(hù)電位進(jìn)行檢測(cè)。

結(jié)論

區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)外管道的干擾是大型油氣站場(chǎng)常見的問題。隨著站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)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(hù)對(duì)外管道造成陰極干擾的原因是外管道處于站內(nèi)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的陰極電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)。消減該陰極電勢(shì)場(chǎng)的范圍和強(qiáng)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(chǎng)應(yīng)用情況看，在站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)中使用深井陽極往往會(huì)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(hù)管道隔離，都可以降低站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)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(hù)項(xiàng)目實(shí)施前，采用饋電試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，有助于消減區(qū)域陰極保護(hù)對(duì)外管道的干擾。

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