某種特殊環境下的管道陰極保護技術
 

　　文/符中欣,張昆·大慶油田工程有限公司
 

　　季節性凍土對陰極保護系統運行和保護效果有很大影響。本文通過室內數值模擬和現場實測,對季節性凍土環境下管道陰極保護工程的設計、施工及維護提出了相關建議。
 

　　在實施埋地管道陰極保護防腐技術措施過程中，電流的均勻分布是保證陰保系統有效運行的必要條件。在凍土環境下,由于土壤自身的非均質特性以及凍結過程中土壤電阻率的變化會直接影響保護電流的傳遞及分布,特別是季節性凍土條件下的陰極保護系統運行工況和保護效果同融土條件下存在著明顯的差別。
 

　　目前,石油行業采用的兩個設計規范并未考慮如何消除凍土,特別是季節性凍土環境對管道陰極保護的影響。
 

　　本文針對大慶油田的實際生產條件,通過室內數值模擬和現場實測,開展季節性凍土環境下管道陰極保護電位分布規律的研究,提出季節性凍土環境下管道陰極保護工程的設計、施工及維護建議。
 

分布規律數值模擬
 

　　本文以深井陽極陰極保護為研究對象,采用邊界元法來數值模擬研究季節性凍土的界面變化、凍融變化、陽極的深度變化對陰極保護效果和控制參數的影響。
 

　　對分布規律的影響
 

　　凍土區的凍融循環過程會導致土壤電阻率的變化以及凍土區界面的變化,由于受到不同地區凍土層深度及凍土區界面變化的影響,陽極所處的位置也不同,可以分為無凍土層存在、凍土界面位于陽極以上、凍土界面位于陽極以下三種情況。
 

　　三種凍土界面與陽極相對位置,隨著凍土界面的下移,管道沿線的電位分布均向正方向偏移,極化程度減小,保護水平下降。比較不同情況下電位分布的不均勻程度可見,當凍土層界面位于陽極以上時,電位分布不均勻程度最小,而當凍土層界面位于陽極以下時,電位分布的不均勻程度最大,說明陽極遠離凍土層界面放置有利于陰極保護電流的均勻分布。
 

　　凍融循環變化的影響
 

　　取深井陽極地床深度為50m,陽極體的總長度為20m,陽極體頂部距地面的距離為30m ,陽極井直徑為400mm ,管道直徑為Ø813mm,埋深為1.2m,季節性凍土層的深度為2.2m。非凍結土壤電阻率取20Ω·m，凍結土壤電阻率取500Ω·m。
 

　　在相同的系統輸出情況下,計算得到季節性凍土呈現凍結和融化情況下管道沿線的陰極保護電位分布如圖1所示。
　　

圖1 冰融循環變化對陰極保護效果的影響

　　當保持系統輸出不變時,隨著季節性凍土層由融化變為凍結狀態,管道沿線的電位向正方向偏移了1%～2%,管道電位分布的不均勻程度略有減小,但由于本算例中季節性凍土層的深度僅為深井陽極深度的1/23,因此對管道陰極保護電位分布的影響并不顯著。當將深井陽極系統的輸出提高原來的2.4%后,所得季節性凍土層凍結狀態下管道的電位基本和融化狀態重合。
 

　　陽極埋設位置優化研究
 

　　改變深井陽極的埋深,來考察不同深度下管道保護效果受土壤凍融的影響程度。
 

　　陽極井的深度分別取30m、40m、50m,陽極體的總體長度取20m,即陽極活性段距地面的深度分別為10m、20m、30m,管道直徑Ø813mm,埋深1.2m,季節性凍土層的深度為2.2m。非凍結土壤電阻率取20Ω·m, 凍結土壤電阻率取500Ω·m。計算得到不同深井陽極深度下,對應于季節性凍土的融化和凍結兩種狀態管道沿線的電位分布如圖2所示。

　　圖2 不同深度下凍融循環變化對陰極保護效果的影響

　　在不同的陽極井深度情況下,當季節性凍土層由融化轉為凍結狀態時,管道沿線的電位均向正方向偏移,管道的陰極保護程度有所下降,不同陽極井深度下電位正向偏移的程度如表1所示.

　　隨著陽極井深度的增加,季節性凍土層凍融狀態對管道陰極保護電位的影響逐漸減小。無論季節性凍土層凍結還是融化,隨著深井陽極埋深的減小,管道沿線電位分布的不均勻程度增大,保護距離減小。
 

現場實驗驗證
 

　　以大慶油田敖一聯至1#加熱站輸油管線(Ø159×6，16.58km)和輸氣管線(Ø114×4，,16. 58km)的強制電流深井陽極保護系統為試驗管線,進行現場驗證。深井陽極位于1^#加熱站院墻東北角外10m處,井深為60m,陽極井直徑為400mm。
 

　　保護電位分布數值計算
 

　　根據以上試驗管線信息,假定沿線土壤電阻率為30Ω·m,季節性凍土層厚度為2.2m,季節性凍土層凍結后土壤電阻率為500Ω·m,建立了陰極保護電位分布數學模型。數值計算得到輸油管線和輸氣管線上電位分布分別如圖3a、b所示。

　　圖3敖一聯至1#加熱站管線沿線數值計算電位分布圖

　　按照敖一聯至1^#加熱站管線陰極保護系統目前的設計方案,敖一聯至1加熱站輸油、輸氣管線在靠近敖一聯附近會出現保護不足,需要補充保護,隨著季節性凍土層由融化變為凍結狀態,保護電位向正方向偏移2%左右,保護距離減小了約2km左右,即原來保護距離的12%。
 

　　地層溫度測試
 

　　在2008年1～12月,對試驗管道周圍不同深度的土壤溫度進行了測試。結果顯示:
 

　　隨著季節變化,地層土壤溫度發生很大變化。其中,7～10月為全年高溫時段,在9月份達到最高值;溫度逐漸開始下降,2～5月份為低溫時段,隨土壤深度不同,達到最低值的時間略有不同。在1.95m深處,地溫全年始終保持在0℃ 以上。
 

　　土壤電阻率測試
 

　　土壤電阻率是陰極保護設計中的一個重要參數,決定了輔助陽極的接地電阻的大小,影響設備的輸出和管道的保護電位大小。試驗采用SGT-10C型接地電阻在線測試儀,每個月對試驗管道周圍土壤電阻率進行測試,結果如圖4所示。

　　圖4 全年土壤電阻率隨時間變化圖

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