陰極保護技術在孤東油田聯合站的應用實踐

朱益飛，張士杰，張恒鈺

（中國石化勝利油田孤東采油廠，山東 東營 257061)

聯合站是油田油氣集輸過程中的重要生產環節，是集油氣分離、原油脫水、污水處理、油田注水、原油穩定、天然氣凈化和消防等多個環節于一體的綜合性生產過程。目前國內多數油田都已進入高含水后期開發階段，隨著油田采出液含水的增加，油田聯合站的來液量增大、負荷增加，部分設備已處于超負荷運行狀態。由于油井產出液中含鹽、含硫、礦化度高、pH值偏堿，以及廢水中含有細菌（硫酸鹽還原菌SRB5-10μm）等物質，導致站內罐區的各種金屬管網及儲罐腐蝕嚴重，聯合站內埋地管網及原油罐底的腐蝕穿孔泄漏現象頻繁，不僅增加了油田生產開發成本，而且給油田的安全生產帶來嚴重影響。原油儲罐和管道使用壽命的長短直接關系到油田工業能否長期穩定和正常生產，也關系到油田的經濟效益和成本。而原油儲罐和管道的使用壽命主要受電化學腐蝕的影響，目前解決原油儲罐和管道電化學腐蝕的主要方法是對其采取陰極保護措施。

一、站內罐區的各種金屬腐蝕原因分析

站內埋地管網及原油罐底腐蝕情況受環境條件和腐蝕因素的影響很明顯，埋地管網埋藏深淺不同，承受溫度、壓力和各種化學腐蝕因素的濃度不同，腐蝕情況也不同。研究發現，地下管道的腐蝕呈如下規律：管道腐蝕情況同管道埋藏深度、地層溫度和各種化學腐蝕因素濃度成正比。在相同地層深度和相同化學腐蝕因素存在的情況下，溫度每升高約30℃，腐蝕就會加大1倍以上。地下水中的溶解O2、H2S、CO2、陰陽離子、硫酸鹽還原菌，原油中所含O、S、N元素及氧化物構成了地下復雜的多腐蝕因素環境，來自于地下油層的水、汽、油中化學介質的腐蝕，使浸漬在其中的金屬鋼管受到嚴重腐蝕破壞，輕者出現砂眼、穿孔，重者呈現出蜂窩狀穿孔和斷裂，導致最終報廢。

二、陰極防腐蝕技術工作原理及陰極保護系統

陰極防腐蝕技術在油田防腐蝕中應用較多，可分為外加電流陰極保護和犧牲陽極保護兩種，其原理都是利用金屬在電解質溶液中，由于表面電化學的不均勻而形成腐蝕原電池。當陰、陽兩極電流達到等電位時，管道腐蝕就被迫停止。圖1為陰極保護原理示意圖。

圖1 陰極保護原理示意圖

油田陰極保護系統通常是犧牲陽極法和強制電流法的綜合應用，以下介紹該系統的主要組成部分。

恒電位儀：在強制電流法中，給需保護金屬體提供連續可調的陰極保護電流。

輔助陽極：主要有深井陽極和陽極床，在強制電流法中，用來使恒電位儀所提供的陰極保護電流形成回路。

犧牲陽極：常用的主要有三大類，鎂基（包括高純鎂）犧牲陽極、鋅基（包括高純鋅）犧牲陽極、鋁基犧牲陽極。主要用于強制電流不宜和不能使用的地方，如鋼質儲罐內等。

參比電極：是進行陰極保護系統測量時的參照極。油田用參比電極的主要種類有飽和甘汞參比電極（電極構成為Hg/HgCL2、飽和KCL）、飽和氯化銀參比電極（電極構成為Ag/AgCL2、飽和KCL）、飽和硫酸銅參比電極（電極構成為Cu/CuSO4、飽和CuSO4）等。

電纜：主要有陰極電纜、陽極電纜、接零電纜、均壓電纜、參比電纜、接陰電纜等，主要用于連接陰極保護系統的各組成環節。

控制臺：主要是對陰極保護系統進行統一管理和集中控制。

自動監測系統：是陰極保護系統的輔助系統，主要對陰極保護系統運行效果進行實時監測。該系統主要包括腐蝕信號檢測探頭、腐蝕信號接收裝置、自動監測系統主機等。

測試樁：是在巡查陰極保護系統各監測點時，提供電氣接線的裝置。

三、現場應用效果及應注意的問題

1.應用情況及效果

孤東油田一號聯合站于1989年12月建成投產，該站在實施陰極保護技術防腐蝕措施前，站內埋地管網及大罐的腐蝕問題嚴重。2003年10月在孤東油田一號聯合站內現場應用陰極保護系統，自動監控系統和控制臺設在一號聯合站污水處理站外輸泵配電控制室內。從現場運行情況來看，該系統運行平衡，可靠性和穩定性好，站內埋地管網及大罐的腐蝕穿孔頻率迅速下降，腐蝕穿孔發生次數由實施陰極保護防腐措施前的年平均63次下降到實施陰極保護防腐措施后的年平均6.7次，有效延緩了站內埋地管網及大罐的腐蝕問題，取得了良好的站區區域陰極保護效果。

2.應用注意問題

（1）現場實測自然電位與設計電位不符的問題。該問題是油田陰極保護系統調試過程中的普遍問題之一，若不能解決此問題，則無法判定陰極保護系統是否有效。

因目前油田陰極保護系統的自動監測裝置和其他檢測儀表，均不帶智能溫度修正功能，而需保護金屬體相對于參比電極的自然電位，隨著溫度的不同偏移較大。故在不同溫度環境下，進行監測自然電位時，需進行偏移電位修正。修正后的自然電位可按式（1）計算。

式中：Rzr——修正后的自然電位；

Rsc——實測自然電位；

Rqb——氫標參比電極25℃時的標準電位；

K——溫度修正系數；

t——環境溫度。

（2）當電力系統有較大負荷啟停時，部分本來正常的陰極保護電位跳變為不正常的問題。

電力系統相對于陰極保護系統從電的角度而言，前者屬高電壓、大電流的交流電系統，后者屬低電壓、小電流的直流電系統；從施工角度而言，前者的接地系統屬埋地鋪設，后者的犧牲陽極、輔助陽極、輸油管道、腐蝕信號檢測探頭也屬埋地安裝。電力系統中較大負荷的啟停，必將出現不平衡電流，且通過其接地系統排入大地，而電力接地系統在自然地坪以下排流，以半球狀形式散流，且其散流半徑達15～20m。如果陰極保護系統的犧牲陽極、輔助陽極、輸油管道、腐蝕信號檢測探頭，有一項處于電力接地系統散流區內，由于雜散電流的影響和干擾，必將導致陰極保護電位的跳變。

為了使陰極保護系統避免電力接地系統排流的影響和干擾，必須使陰極保護系統的埋地部分，處于電力接地系統排流區以外，即在電力系統接地裝置半徑20m以外埋設犧牲陽極、輔助陽極、輸油管道、腐蝕信號檢測探頭等陰極保護系統的埋地部分。

（3）單臺恒電位儀在調試時，各監測點保護電位均正常，當同時投運多臺恒電位儀時，個別監測點保護電位跳變為不正常的問題。

當恒電位儀單獨調試時，監測點處的保護電位均正常，當任意投運一臺恒電位儀，調至監測點處保護電位正常后，在投運另一臺恒電位儀時，監測點處的保護電位突然跳變為不正常。運用電荷基本性質不難發現，雖然兩臺恒電位儀所提供的陰極保護電流有各自的電氣回路，但在兩個電氣回路相接近處，因同性電荷相斥，形成了陰極保護電流不能到達的“盲區”，若監測點正處于該“盲區”內，則會出現上述現象。要解決這一問題，就要使陰極保護電流“盲區”不覆蓋監測點，現場有兩種辦法：一是將監測點從陰極保護電流“盲區”移開；二是調節恒電位儀的輸出電流，使陰極保護電流“盲區”偏移。

四、結束語

油田聯合站是油田生產重點保護單位，站內的埋地管網及大罐底板因使用環境惡劣，腐蝕嚴重，罐區的各種金屬管道的防腐問題一直是石油行業的重要課題。石油開采行業期待更多新的防腐技術為石油化工管道提供更多防腐性能好、適于油田集輸泵站的防腐蝕技術，用于油氣集輸泵站站內的埋地管網及金屬儲罐的防腐蝕，延長地下管道及設備的使用壽命，降低維修費用，最終降低石油開采生產成本。