蘇里格氣田陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)

張世虎，王勇，蘇萬(wàn)兵，王嘉彥，張鵬

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安710065；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300）

蘇里格氣田陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)

張世虎1，2，王勇2，蘇萬(wàn)兵2，王嘉彥2，張鵬2

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安710065；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300）

蘇里格氣田儲(chǔ)罐采用犧牲陽(yáng)極方式保護(hù)；管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式。儲(chǔ)罐及管道同時(shí)在管道涂敷防腐層，實(shí)施“防腐層+陰極保護(hù)”的聯(lián)合保護(hù)方式。根據(jù)試片斷電法采集的數(shù)據(jù)對(duì)蘇里格氣田管道陰極保護(hù)建立IR降數(shù)據(jù)模型。對(duì)管道和儲(chǔ)罐開(kāi)展陰極保護(hù)現(xiàn)狀普查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后針對(duì)部分儲(chǔ)罐無(wú)犧牲陽(yáng)極保護(hù)和部分管道保護(hù)電位偏低的現(xiàn)狀，開(kāi)展整改工作。整改完成后，進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)價(jià)。陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)罐和管道的目的，延長(zhǎng)使用壽命。

犧牲陽(yáng)極；強(qiáng)制電流；試片斷電法；完善；評(píng)價(jià)

蘇里格氣田管道及儲(chǔ)罐周圍環(huán)境包括土壤、水和含有水蒸氣的氣體，均含有一定量的電解質(zhì)，因此幾乎都存在電化學(xué)腐蝕。管道和儲(chǔ)罐除了采用外防腐之外，還要采用陰極保護(hù)措施抑制電化學(xué)腐蝕，提高使用壽命，保證管道及儲(chǔ)罐的安全平穩(wěn)運(yùn)行[1-3]。

用直流電源直接向被保護(hù)金屬通以陰極電流，使之陰極極化以達(dá)到陰極保護(hù)的目的，稱為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)（見(jiàn)圖1）。

圖1 陰極保護(hù)原理

在被保護(hù)的儲(chǔ)罐上連接電位更低的金屬或者合金作為陽(yáng)極，使被保護(hù)的儲(chǔ)罐變成陰極，以防止儲(chǔ)罐腐蝕，稱為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)（見(jiàn)表1）。

表1 陰極保護(hù)方式的適用范圍

集輸管線外防腐采取防腐層加陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)方式。

（1）防腐層：3PE（大于DN300管線）；環(huán)氧粉末（小于DN300管線）；（2）陰極保護(hù)：強(qiáng)制電流；全氣田目前建有陰極保護(hù)站11座。

儲(chǔ)罐采用內(nèi)防腐層加犧牲陽(yáng)極聯(lián)合防護(hù)方式。

（1）內(nèi)防腐層采用涂敷EEC-Ⅰ型彈性環(huán)氧復(fù)合防腐材料；（2）陰極保護(hù)：犧牲陽(yáng)極，采用可拆式鋁合金。

1 陰極保護(hù)系統(tǒng)存在問(wèn)題

1.1 儲(chǔ)罐保護(hù)存在問(wèn)題

各采出水處理站建設(shè)初期，儲(chǔ)罐只是采用內(nèi)涂防腐層的保護(hù)方法，未設(shè)計(jì)陰極保護(hù)措施。7座采出水回注站目前累計(jì)發(fā)生腐蝕穿孔5次。儲(chǔ)罐本體腐蝕具有以下共同點(diǎn)：穿孔部位在儲(chǔ)罐底部，以內(nèi)腐蝕為主（見(jiàn)表2）。

表2 各處理站采出水儲(chǔ)罐腐蝕情況統(tǒng)計(jì)表

儲(chǔ)罐腐蝕原因?yàn)殡娀瘜W(xué)腐蝕、細(xì)菌腐蝕及泥水界面的氧濃差腐蝕，導(dǎo)致儲(chǔ)罐穿孔。

1.2 集輸管網(wǎng)存在問(wèn)題

2014年年初，建有7座陰極保護(hù)站，經(jīng)過(guò)管道普查發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）4條（6段）集氣干線、集氣支線未跨接接入陰極保護(hù)系統(tǒng)；（2）2條集氣干線因管線距離長(zhǎng)末端保護(hù)電位低。

蘇A-D復(fù)線長(zhǎng)度61.99 km，末端保護(hù)電位低；蘇B-B干線長(zhǎng)度55.88 km，末端保護(hù)電位低。

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)完善

2.1 管道跨接

2014年新建3座陰極保護(hù)站，同時(shí)按照設(shè)計(jì)圖紙，組織施工單位完成問(wèn)題管道的跨接工作。

陰保跨接方式共采用3種，抱箍跨接、預(yù)留扁鐵跨接、鋁熱焊跨接。

2.1.1 抱箍跨接適用于不停輸?shù)墓芫€，共使用31處，去除表面涂層后，先涂刷導(dǎo)電復(fù)合酯，再抱箍跨接，測(cè)試平均電位偏差0.03 V。

2.1.2 預(yù)留扁鐵跨接適用于建設(shè)期焊接有扁鐵的管線，使用12處，電纜通過(guò)預(yù)留扁鐵接線跨接，跨接點(diǎn)測(cè)試電位基本無(wú)偏差。

2.1.3 鋁熱焊跨接適用于停產(chǎn)動(dòng)火的管線，使用10處，停產(chǎn)置換后，鋁熱劑放熱反應(yīng)置換出銅熔接于電纜線，跨接點(diǎn)測(cè)試電位無(wú)偏差。

2.2 儲(chǔ)罐改造

用于儲(chǔ)罐的防護(hù)方法主要有表面涂層保護(hù)以及陰極保護(hù)。涂層防護(hù)涂料防腐是涂層將金屬與介質(zhì)隔開(kāi)，起到保護(hù)金屬的作用；而陰極保護(hù)可采用犧牲陽(yáng)極或外加電流進(jìn)行保護(hù)。

目前，第一處理廠2具300 m3儲(chǔ)罐罐底處有淤泥沉積，對(duì)儲(chǔ)罐底部及底圈腐蝕嚴(yán)重，為了提高儲(chǔ)罐的使用年限，對(duì)罐底進(jìn)行更換，同時(shí)，增加可拆式鋁合金犧牲陽(yáng)極。在陽(yáng)極安裝位置的管壁處焊接一塊鐵板，將螺栓固定在鐵板之上，通過(guò)螺母將陽(yáng)極鐵腳固定在相應(yīng)位置，犧牲陽(yáng)極的鐵腳為圓鋼。100 m3的儲(chǔ)罐使用13支犧牲陽(yáng)極，300 m3的儲(chǔ)罐使用20支。

3 試片斷電法評(píng)價(jià)

隨著外腐蝕直接評(píng)價(jià)技術(shù)尤其是密間隔電位測(cè)試技術(shù)在管道陰極保護(hù)和防腐層檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用，公認(rèn)的評(píng)價(jià)長(zhǎng)輸管道是否達(dá)到有效保護(hù)的主要指標(biāo)為瞬時(shí)斷電電位負(fù)于-850 mV或滿足100 mV負(fù)向極化準(zhǔn)則，而瞬時(shí)斷電電位的測(cè)量方法又以恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法為主，應(yīng)用時(shí)需同時(shí)具備多個(gè)條件：被測(cè)管段上的所有陰極保護(hù)站需要同時(shí)中斷；需要考慮管道均壓線的影響；被測(cè)管段無(wú)雜散電流干擾。恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法可消除電源電流和回路電阻造成的IR降，但不能消除在斷電瞬間由于極化水平的差異造成的二次反饋電流，斷電后讀取電位的時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。另外，通斷周期設(shè)置需要考慮通電時(shí)長(zhǎng)能保證陰極保護(hù)恢復(fù)到原始狀態(tài)。試片斷電法是在斷開(kāi)試片與管道連接的瞬間測(cè)量，可以通過(guò)測(cè)量試片的去極化波形進(jìn)行分析。試片有可能獲得與管道相當(dāng)?shù)年帢O保護(hù)水平，可將試片斷電法作為常規(guī)瞬時(shí)同步中斷法之外的技術(shù)用于陰極保護(hù)的有效性評(píng)價(jià)。

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)狀

2015年7月，對(duì)蘇里格氣田的蘇D-3干線B段和蘇A-1干線進(jìn)行外檢測(cè)期間進(jìn)行了兩處試片斷電法為期1個(gè)月的試驗(yàn)（測(cè)試過(guò)程中只中斷試片而不中斷恒電位儀）。采用的X65鋼的試片電極面積為1 cm2，參比電極位于試片一側(cè)，測(cè)試原理（見(jiàn)圖2）。

圖2中V1、V2和V3分別代表管道的通電保護(hù)電位、瞬間斷電電位和自然腐蝕電位。K為由智能電壓采集器控制的電子開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)合上時(shí)，由管道電壓對(duì)試片進(jìn)行極化，此時(shí)測(cè)得的電位為管道通電保護(hù)電位；當(dāng)K斷開(kāi)瞬間測(cè)量V2得到的電位為試片瞬間斷電電位。連續(xù)測(cè)量30分鐘可以測(cè)得試片極化電位的衰減情況。測(cè)量的數(shù)據(jù)采用GPRS向固定手機(jī)以短信方式發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包每天發(fā)送一次。

圖2 試片斷電法測(cè)量示意圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和結(jié)果分析

利用試片法測(cè)得的蘇里格氣田的蘇A-1干線和蘇D-3干線B段的數(shù)據(jù)。

兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的通斷電位對(duì)比（見(jiàn)圖3）。可以發(fā)現(xiàn)通電電位波動(dòng)較大，而瞬間斷電電位的波動(dòng)相對(duì)較小，每一點(diǎn)的通電電位與其瞬間斷電電位之差代表該區(qū)某一時(shí)刻的IR降。蘇D-3干線B段的平均通電電位在-1.25 V左右，但其瞬間的平均斷電電位只有－0.83 V左右，根據(jù)新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其真實(shí)保護(hù)電位還達(dá)不到要求。蘇A-1干線瞬間的平均斷電電位在－0.90 V左右。表明該管線的保護(hù)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的范圍。

兩個(gè)點(diǎn)某一時(shí)間斷電后極化電位衰減的變化過(guò)程（見(jiàn)圖4，圖5）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，衰減到-0.4 V左右后電壓幾乎沒(méi)有變化，這一電位可以看成是自然電位。從極化電位的變化可以看到，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的極化電位衰減分別達(dá)到-400 mV和-500 mV左右。但現(xiàn)在最近的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)把100 mV準(zhǔn)則僅用于管道真實(shí)保護(hù)電位達(dá)不到－0.85 V的場(chǎng)合，如大部分的區(qū)域陰極保護(hù)等。因此，此指標(biāo)只能作為參考使用。

圖3 通斷電位對(duì)比

圖4 二天的斷電電位變化

兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)極化某一天電位衰減的變化過(guò)程的對(duì)比（見(jiàn)圖6）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，蘇D-3干線的管道保護(hù)電位和瞬間斷電電位都要低于蘇A-1干線相應(yīng)的數(shù)值，但從圖中可以發(fā)現(xiàn)，極化電位的衰減變化趨勢(shì)基本一致。

圖5 一月斷電電位變化

圖6 一處大門處（蘇D-3干線B段）和一處火炬處（蘇A-1）的斷電電位對(duì)比

3.3 建立IR降模型

在一般情況下，埋在地下的金屬結(jié)構(gòu)物質(zhì)的陰極保護(hù)電位是-0.85 V（CSE）或者更負(fù)，如果金屬物質(zhì)所處的土壤環(huán)境中含有硫酸鹽還原菌，這種情況中的金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)電位為-0.95 V（CSE）或者更負(fù)，上面所講的兩種情況中的保護(hù)電位不包含土壤中的電壓降就是IR降。

圖7 IR降模型的數(shù)值分析

根據(jù)以上兩條干線測(cè)試的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對(duì)IR降和管道保護(hù)電位進(jìn)行數(shù)值分析，獲得的不同管道保護(hù)電壓下IR降（見(jiàn)圖7）。

其中：VIR-陰極保護(hù)回路的IR降；V地表-相對(duì)CuSO4參比電極的管線地表測(cè)試電壓。

選取部分干線的一些測(cè)試點(diǎn)，得出模型計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的誤差為7.991%，誤差較小，可以用于計(jì)算管道的實(shí)際保護(hù)電位（見(jiàn)表3）。

表3 IR降模型的數(shù)值分析

4 陰極保護(hù)系統(tǒng)完善后運(yùn)行評(píng)價(jià)

管線保護(hù)效果：目前已建成陰極保護(hù)站11座，均采取強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式。2014年、2015年、2016年陸續(xù)開(kāi)展陰極保護(hù)系統(tǒng)完善施工，為轄區(qū)管線提供陰極保護(hù)，目前有效保護(hù)率90%以上。計(jì)劃2017年新增3座陰極保護(hù)站，確保有效保護(hù)率達(dá)到100%，全面保護(hù)管道的安全使用。

儲(chǔ)罐改造效果：第A處理廠增加犧牲陽(yáng)極，投運(yùn)后儲(chǔ)罐保護(hù)電位為：-0.95 V～-1.03 V，保護(hù)正常。計(jì)劃分批次實(shí)施其他場(chǎng)站儲(chǔ)罐的改造工作。

5 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)對(duì)試片斷電法檢測(cè)的數(shù)據(jù)以及IR降影響因子進(jìn)行分析，建立了適用于蘇里格氣田集輸管網(wǎng)IR修正模型，并對(duì)該模型進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明，IR修正模型具有較高的精度，可用于蘇里格陰極保護(hù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。

（2）蘇里格氣田大部分管線的管電電位要求負(fù)于-0.95 V；對(duì)服役年限超過(guò)10年的管線，根據(jù)IR修正模型調(diào)整恒電位的輸出，使管線沿線地表測(cè)量電位至少負(fù)于-1.0 V（CSE）。

（3）針對(duì)各采出水處理站的儲(chǔ)罐，提出“防腐層+犧牲陽(yáng)極”的保護(hù)措施。確定犧牲陽(yáng)極的材料及罐內(nèi)分布方式。

［1］茹慧靈.油氣管道保護(hù)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.GB/T 21448-2008.

［3］李亮亮，項(xiàng)明杰，任越飛.蘇里格氣田污水處理工藝防腐研究［J］.石油化工應(yīng)用，2014，33（5）：110-118.

TE980.5

A

1673-5285（2017）06-0071-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.06.015

2017－04-29

張世虎，男（1986-），油氣田開(kāi)發(fā)工程師，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)從事天然氣開(kāi)采、處理及集輸運(yùn)行等技術(shù)管理工作，郵箱：zshh_cq@petrochina.com.cn。