油氣站場(chǎng)埋地管網(wǎng)陰極保護(hù)案例及對(duì)比分析

楊萬(wàn)國(guó)，劉同剛，徐風(fēng)剛，薛 濤

（中石油工程設(shè)計(jì)公司新疆油建公司，新疆克拉瑪依 834000）

油氣站場(chǎng)埋地管網(wǎng)陰極保護(hù)案例及對(duì)比分析

楊萬(wàn)國(guó)，劉同剛，徐風(fēng)剛，薛 濤

（中石油工程設(shè)計(jì)公司新疆油建公司，新疆克拉瑪依 834000）

油氣站場(chǎng)埋地鋼制管道及金屬構(gòu)筑物的陰極保護(hù)較長(zhǎng)輸管道復(fù)雜，文章結(jié)合工程案例并依據(jù)投運(yùn)后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)多種保護(hù)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，指出站場(chǎng)陰極保護(hù)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)特別是接地裝置的關(guān)聯(lián)度很高，制訂保護(hù)方案時(shí)，要結(jié)合以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在充分調(diào)研、評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行，方案應(yīng)經(jīng)相關(guān)方會(huì)審認(rèn)可后方可實(shí)施，使其既達(dá)到陰極保護(hù)的目的，又要經(jīng)濟(jì)合理并且節(jié)能。

站場(chǎng)埋地管網(wǎng)；陰極保護(hù)；實(shí)施效果；對(duì)比

0 引言

油氣站場(chǎng)地下管網(wǎng)復(fù)雜，金屬構(gòu)筑物眾多，各類(lèi)管道的直徑大小不一，彎頭、閥門(mén)與三通眾多，焊口密集，工廠化防腐預(yù)制存在諸多困難，現(xiàn)場(chǎng)防腐受設(shè)計(jì)、施工、材料、環(huán)境、氣溫等影響，特別是除銹質(zhì)量、作業(yè)環(huán)境、施工方法、氣溫、涂料質(zhì)量等造成管網(wǎng)防腐質(zhì)量缺陷多，導(dǎo)致站場(chǎng)埋地管網(wǎng)防腐層針孔、鼓包、剝離、脫落、腐蝕問(wèn)題很突出。但由于受站場(chǎng)接地網(wǎng) （體）眾多、金屬構(gòu)筑物之間的相互影響、保護(hù)電流流失情況不確定、經(jīng)驗(yàn)缺乏等多種因素影響，站場(chǎng)埋地管網(wǎng)往往未采用陰極保護(hù)或個(gè)別站場(chǎng)雖采用了陰極保護(hù)，但效果相差較大。近些年，我們施工過(guò)若干長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)及原油儲(chǔ)備庫(kù)等站場(chǎng)的埋地管網(wǎng)陰極保護(hù)工程，保護(hù)效果參差不齊。如犧牲陽(yáng)極效果差，傳統(tǒng)輔助陽(yáng)極（淺埋或深井）電流流失嚴(yán)重且電位分布不均勻，柔性陽(yáng)極效果較理想但施工復(fù)雜，造價(jià)頗高。本文結(jié)合工程案例進(jìn)行分析，并與同行進(jìn)行交流。

1 案例及投運(yùn)效果

1.1 案例一

某大型原油儲(chǔ)備庫(kù)，其一期工程共建10座10萬(wàn)m3的鋼制儲(chǔ)罐，罐區(qū)直埋油管道與消防管道總面積約43 000 m2。油管道外防腐采用涂刷無(wú)溶劑環(huán)氧涂料、包裹玻璃棉保溫、玻璃棉外纏繞玻璃布并涂瀝青漆的防腐保溫結(jié)構(gòu)；消防管道外防腐采用直接纏繞粘膠帶的防腐結(jié)構(gòu)。接地極材質(zhì)為鋅包鋼 （類(lèi)似于鋅犧牲陽(yáng)極），并采用鍍鋅扁鋼將眾多的接地極組成聯(lián)合接地網(wǎng)。土質(zhì)為砂礫石及卵石混合。陰極保護(hù)方案是對(duì)站區(qū)所有管網(wǎng)、儲(chǔ)罐分別采用強(qiáng)制電流保護(hù)，見(jiàn)圖1。

其中，10座原油儲(chǔ)罐罐底外壁分別采用鈦陽(yáng)極網(wǎng)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，即每座罐用一臺(tái)恒電位儀、罐底鈦陽(yáng)極網(wǎng)及8支參比電極 （其中5支硫酸銅、3支高純鋅）組成獨(dú)立保護(hù)系統(tǒng)。單獨(dú)投運(yùn)效果良好 （保護(hù)電位設(shè)定到-1.15 V時(shí)，陽(yáng)極輸出電流0.5～3.5 A）。對(duì)罐區(qū)管網(wǎng)，用4口垂直深度達(dá)200 m的深井陽(yáng)極組成強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，陽(yáng)極體為貴金屬難溶陽(yáng)極 （每口井9支），但投運(yùn)效果很不理想。主要表現(xiàn)為：油管道保護(hù)電位普遍達(dá)不到保護(hù)要求 （即電位高于 -0.85 V），而消防管道局部過(guò)保護(hù)；對(duì)相鄰油庫(kù)已正常運(yùn)行的陰極保護(hù)系統(tǒng)造成干擾 （新建油庫(kù)與相鄰原油庫(kù)多條聯(lián)絡(luò)管道的電絕緣不夠徹底），使原來(lái)設(shè)定好的電位變得更低；對(duì)10座新儲(chǔ)罐的陰極保護(hù)系統(tǒng)造成干擾，使10座罐的恒電位儀輸出電流幾乎為零，個(gè)別罐的保護(hù)電位比原來(lái)設(shè)定值更低。罐區(qū)埋地管網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)投運(yùn)后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)

從測(cè)試結(jié)果看，管網(wǎng)保護(hù)電流密度達(dá)2.28mA/m2（如果加上罐底面積則為1.05 mA/m2），對(duì)于埋地絕緣管道而言已是很高的值，但保護(hù)電位并未普遍達(dá)到保護(hù)要求，特別是油管道。

經(jīng)多方現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與評(píng)估認(rèn)為，消防管道系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，埋地部分的面積相對(duì)小一些，與相關(guān)接地金屬設(shè)施的電絕緣相對(duì)徹底，且設(shè)置的接地裝置相對(duì)較少，所以靠近陽(yáng)極井的區(qū)域其保護(hù)電位普遍達(dá)到保護(hù)要求或過(guò)保護(hù)，如X02、X03、X05、X06測(cè)試電位。罐區(qū)中間的油管道與消防管道保護(hù)電位普遍達(dá)不到保護(hù)要求，原因是保護(hù)電流大部分被罐底和罐區(qū)接地網(wǎng)吸收，如Y02、X04測(cè)試電位分別為-0.79 V和-0.64 V。Y01、X01為匯流點(diǎn)，X01測(cè)試電位達(dá)不到保護(hù)要求，主要原因是油管道與消防管道均壓垮接，電位受油管道的影響，并且通過(guò)聯(lián)絡(luò)管道與相鄰舊站場(chǎng)的管網(wǎng)存在不同程度的電連接，將一部分電流吸 （分流）走。因?yàn)橄拦艿琅c油管道分別保護(hù)時(shí)，X01電位可達(dá)-0.89V或更低。

我們建議相關(guān)方將4口陽(yáng)極井的電流均提升到40 A（陽(yáng)極生產(chǎn)廠家明確的最高電流），保護(hù)電位會(huì)普遍降低 （電位絕對(duì)值提高），如果保護(hù)電位均低于-0.85 V，局部過(guò)保護(hù)可采用其他方式改善，也可逐個(gè)對(duì)接地體進(jìn)行改造，使其既符合接地保護(hù)的要求又能滿(mǎn)足陰極保護(hù)的要求。但問(wèn)題是恒電位儀額定功率為50 A/50 V，不可能再提高輸出電壓來(lái)增大輸出電流 （超過(guò)額定電壓或額定電流會(huì)自動(dòng)停機(jī)）。所以，該保護(hù)系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善后再投運(yùn)。

運(yùn)行一年后，因工藝改造，將新、舊站場(chǎng)之間的聯(lián)絡(luò)管道全部加裝絕緣接頭，Y01、X01電位變?yōu)?1.01 V、-1.20 V，Y02、Y03變?yōu)?0.88 V、-1.17 V，但X04仍然偏高 （-0.76 V）、X06仍然偏低 （-2.64 V），4臺(tái)恒電位儀輸出電流分別為：27.8 A （南側(cè)）、37.6 A （西側(cè)）、21.7 A （北側(cè)）、23.6 A（東側(cè)）。4臺(tái)恒電位儀的總輸出功率達(dá)5 kW左右。

1.2 案例二

該原油儲(chǔ)備庫(kù)二期工程新建8座10萬(wàn)m3的鋼制儲(chǔ)罐，罐區(qū)直埋地油管道與消防管道總面積約為29 000 m2。

8座原油儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)采用和一期相同的保護(hù)方式，而罐區(qū)管網(wǎng)則采用柔性陽(yáng)極強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。油管道和消防管道外防腐均采用涂無(wú)溶劑環(huán)氧涂料后再纏繞粘膠帶的防腐結(jié)構(gòu)。接地極仍為鋅包鋼結(jié)構(gòu)， 罐區(qū)內(nèi)G1013、G1014、G1015罐，G1016、G1017、G1018罐，G1019、G1020罐分別設(shè)置為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的接地網(wǎng) （實(shí)際上很難做到完全獨(dú)立），其余需要接地的設(shè)施就近設(shè)置接地極。所有進(jìn)出站的管道包括一期工程，均采用絕緣接頭的方式做到新、老管網(wǎng)的電氣絕緣。

柔性陽(yáng)極與被保護(hù)管網(wǎng)最外側(cè)的管道保持同一埋深，并保持相互之間0.3 m的間距進(jìn)行敷設(shè)，陽(yáng)極上下鋪細(xì)土并在頂部蓋磚。投運(yùn)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的要求，且對(duì)已有的陰極保護(hù)系統(tǒng)和8座原油儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。見(jiàn)圖2。

在圖2中，消防管道和油管道相鄰的測(cè)試樁之間各設(shè)置一個(gè)接線箱，其中Y04、X07為通電點(diǎn)。油管道與消防管道保護(hù)系統(tǒng)可單獨(dú)運(yùn)行，也可將兩管道采用均壓線跨接后統(tǒng)一保護(hù)。油管道與消防管道保護(hù)系統(tǒng)各自單獨(dú)投運(yùn)正常后，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行沿線保護(hù)電位測(cè)量，保護(hù)電位均低于-0.85 V。但是在運(yùn)行期間也發(fā)現(xiàn)：沿柔性陽(yáng)極敷設(shè)路由進(jìn)行管網(wǎng)電位測(cè)試，有個(gè)別管網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)的電位偏低（X08），也有個(gè)別管網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)電位偏高 （Y05）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，電位偏低區(qū)域土壤含水率過(guò)高，回填土干燥的區(qū)域則電位偏高，其中的關(guān)聯(lián)關(guān)系有待于進(jìn)一步實(shí)踐。投運(yùn)初期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)

1.3 案例三

一座天然氣輸配站 （圖略）的裝置區(qū)占地面積約820 m2，裝置區(qū)埋地主管道及延伸到站外的三條長(zhǎng)度分別為47、49、36 m的火炬、排污、放空埋地管道 （采用無(wú)溶劑環(huán)氧防腐涂料層加聚丙烯網(wǎng)狀增強(qiáng)編制纖維膠帶復(fù)合防腐結(jié)構(gòu)）與占地面積約456 m2的接地網(wǎng) （鍍鋅角鋼和鍍鋅扁鋼）干線均采用相對(duì)獨(dú)立的柔性陽(yáng)極保護(hù)方案 （各自用一套恒電位儀），柔性陽(yáng)極沿埋地主管道和主接地扁鋼敷設(shè)，共用AFLX-1500柔性陽(yáng)極約764 m，完工后投運(yùn)效果較理想。埋地管網(wǎng)恒電位儀輸出電壓2.83 V、電流1.37 A、電位-1.24 V，共設(shè)電位測(cè)試樁4處，用便攜式參比電極測(cè)試，分別為-1.22（匯流樁）、-0.93、-1.03、-1.01 V；接地網(wǎng)恒電位儀輸出電壓3.03 V、電流1.60 A、電位-1.23 V、共設(shè)電位測(cè)試樁2處，用便攜式參比電極測(cè)試，分別為-1.22（匯流樁）、-1.11 V。

實(shí)際上，埋地管網(wǎng)與接地網(wǎng)關(guān)聯(lián)度很高 （金屬連接處很多），將兩套保護(hù)系統(tǒng)的匯流點(diǎn)用電纜跨接后用一套恒電位儀送電，其保護(hù)效果與兩套恒電位儀送電沒(méi)什么本質(zhì)區(qū)別，只是輸出電流是兩者之和，進(jìn)一步說(shuō)明站場(chǎng)接地網(wǎng)與埋地管網(wǎng)陰極保護(hù)的關(guān)聯(lián)度很大。

1.4 案例四

某小型原油轉(zhuǎn)油站，站區(qū)管網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，且直埋地部分的金屬保護(hù)體面積不大 （≤1 500 m2，含兩座小型儲(chǔ)罐），接地裝置采用傳統(tǒng)鍍鋅角鋼和鍍鋅扁鋼，除站區(qū)與站外長(zhǎng)輸管道采用絕緣法蘭外，其余管網(wǎng)與管網(wǎng)之間、管網(wǎng)與金屬構(gòu)筑物之間沒(méi)有采取電絕緣措施，陰極保護(hù)采用幾十組鎂合金犧牲陽(yáng)極。整個(gè)站場(chǎng)接地網(wǎng)的綜合接地電阻為0.9 Ω，犧牲陽(yáng)極單組接地電阻為32～49 Ω，陽(yáng)極組空載輸出電位平均-1.49 V，輸出電流為12.5～42 mA，管網(wǎng)自然電位-0.56～-0.58 V，投運(yùn)后保護(hù)電位與自然電位幾乎沒(méi)差別。原因是管網(wǎng)與金屬構(gòu)筑物接地點(diǎn)太多且不均勻，犧牲陽(yáng)極組輸出電流太小——等同于鋅接地極。

2 對(duì)比分析

從以上案例看出，對(duì)站場(chǎng)埋地管網(wǎng)，采用柔性陽(yáng)極保護(hù)方案的效果明顯優(yōu)于其他保護(hù)方式，而且保護(hù)電流相對(duì)小，電位也更為均勻。而深井陽(yáng)極保護(hù)方式，從能量平衡和保護(hù)電流密度的角度看，深井陽(yáng)極到被保護(hù)體之間有大量金屬構(gòu)筑物 （電流吸收體）將保護(hù)電流吸收走，使得被保護(hù)體得不到保護(hù)或完全保護(hù)，且保護(hù)電流過(guò)大。深井陽(yáng)極與保護(hù)體距離不等，被保護(hù)設(shè)施漏電點(diǎn)多且不均勻，不像長(zhǎng)輸管道漏電點(diǎn)少且相對(duì)均勻。淺埋陽(yáng)極保護(hù)除存在深井陽(yáng)極類(lèi)似的問(wèn)題外 （雖沒(méi)有實(shí)例，可以推斷），電位不均勻問(wèn)題可能更顯突出，除非陽(yáng)極床設(shè)置分布廣、密度高，數(shù)量多。犧牲陽(yáng)極因輸出電流小，用于站場(chǎng)埋地管網(wǎng)保護(hù)效果很差。

通過(guò)對(duì)比分析看出，站場(chǎng)接地網(wǎng)和其他接地金屬構(gòu)筑物對(duì)管網(wǎng)陰極保護(hù)的影響很大，必須引起足夠重視，使其既要符合接地保護(hù)的要求，又要滿(mǎn)足陰極保護(hù)的要求。特別是對(duì)于大型站場(chǎng)，除考慮上述因素外，還應(yīng)考慮電位均勻性問(wèn)題，如采用均壓器件、耦合器件、排流器件使整個(gè)管網(wǎng)保護(hù)電位更加均勻。

3 結(jié)束語(yǔ)

站場(chǎng)特別是大型站場(chǎng)鋼制埋地管網(wǎng)陰極保護(hù)較長(zhǎng)輸管道和鋼制儲(chǔ)罐單獨(dú)采用陰極保護(hù)要復(fù)雜得多，應(yīng)該采用經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)成熟且相對(duì)經(jīng)濟(jì)的保護(hù)方案，如柔性陽(yáng)極和鈦陽(yáng)極帶保護(hù)方案等，并在此基礎(chǔ)上不斷完善，使其既達(dá)到規(guī)范規(guī)定的保護(hù)要求，又達(dá)到節(jié)約一次性投資和日后運(yùn)行費(fèi)用的目的。關(guān)鍵是在確定保護(hù)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)管網(wǎng)的面積、走向布置、金屬構(gòu)筑物的分布、接地網(wǎng)的設(shè)置、與其他相關(guān)裝置的相互影響、管網(wǎng)的防腐結(jié)構(gòu)、土質(zhì)與環(huán)境情況、投資概算等因素進(jìn)行全面考慮，特別是要與工藝、電氣、儀表、土建、金屬結(jié)構(gòu)等專(zhuān)業(yè)進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，把可能影響陰極保護(hù)的因素盡可能列出來(lái)，并根據(jù)擬選擇的保護(hù)方案進(jìn)行逐個(gè)排除，如管網(wǎng)與管網(wǎng)之間的電絕緣、管網(wǎng)與儲(chǔ)罐等大型金屬構(gòu)筑物之間的電絕緣、接地極材質(zhì)與形式、接地網(wǎng)組成、儲(chǔ)存與輸送介質(zhì)特性、安全方面的要求等，由相應(yīng)專(zhuān)業(yè)充分考慮上述因素并采取適宜的措施，最終使陰極保護(hù)系統(tǒng)達(dá)到理想的投運(yùn)效果，降低恒電位儀的輸出電壓與輸出電流，達(dá)到節(jié)能的目的。

對(duì)于保護(hù)面積不大、地下管網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單的站場(chǎng)，采用傳統(tǒng)輔助陽(yáng)極 （深井或淺埋）是合適的，雖然保護(hù)電流相對(duì)大一些，且保護(hù)電位不均勻性較明顯 （特別是淺埋輔助陽(yáng)極方式），但相對(duì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。犧牲陽(yáng)極保護(hù)因輸出電流小，且犧牲陽(yáng)極（組）日后容易演變?yōu)樘厥饨拥兀杂糜谡緢?chǎng)不合適。面積較大、地下管網(wǎng)與構(gòu)筑物復(fù)雜、受接地網(wǎng)和接地金屬構(gòu)筑物影響明顯的站場(chǎng)，應(yīng)采用柔性陽(yáng)極或難溶性貴金屬陽(yáng)極帶保護(hù)，同時(shí)將接地網(wǎng)也統(tǒng)一進(jìn)行陰極保護(hù)。

總之，影響站場(chǎng)埋地金屬管網(wǎng)陰極保護(hù)的因素很多，設(shè)計(jì)制訂保護(hù)方案時(shí)，要結(jié)合以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)研、溝通、實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案評(píng)估。施工過(guò)程必須嚴(yán)格按規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙、產(chǎn)品技術(shù)文件進(jìn)行，特別是要與土建、安裝、電氣等專(zhuān)業(yè)溝通協(xié)調(diào)，把可能產(chǎn)生的問(wèn)題解決在施工之前，避免日后返工和出現(xiàn)陰極保護(hù)投運(yùn)效果差甚至不能正常投運(yùn)的現(xiàn)象。

[1]趙常英.輸油站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)[J].石油工程建設(shè)，2010，（5）：48-50.

Application Cases and Comparative Analysis of Cathodic Protection for Buried Pipelines at Oil and Gas Stations

YANG Wan-guo（Xinjiang Petroleum Construction Company of China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Kelamayi 834000,China），LIU Tong-gang,XU Feng-gang,et al.

Cathodic protection of buried pipelines and metal structures at oil and gas stations is more complicated than that of long-distance pipelines.This paper carries through comparative analysis on several cathodic protection schemes for oil and gas stations based on engineering cases and measured data.It points out that the station cathodic protection is closely associated with corresponding specialties,especially with grounding devices；formulating protection schemes should refer to the experience from previous projects and be on the basis of sufficient investigation and evaluation；scheme should be implemented after making a joint checkup and authorization in order to realize its cathodic protection function and save cost and energy.

buried pipeline at station;cathodic protection;implementation effect;comparison

TE988

B

1001－2206（2011）05－0046－04

作者介紹：楊萬(wàn)國(guó) （1961-），男，甘肅武威人，高級(jí)工程師，注冊(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)工程師，1981年畢業(yè)于蘭州石油學(xué)校自動(dòng)化儀表專(zhuān)業(yè)，后在職依次取得專(zhuān)科、本科學(xué)歷，一直從事電氣、儀表、通信、陰極保護(hù)工程施工及管理工作。

2010-10-08；

2011-06-01