陰極保護技術在油田儲運系統中的應用

大慶油田儲運銷售分公司

在油田儲運系統運行和管理中金屬的腐蝕嚴重影響系統的安全運行。油庫及各站的工藝管線每年都因為腐蝕發生穿孔現象；部分轉油儲油設備設施也因腐蝕出現不同程度的銹蝕或損壞；在儲罐大修時，也經常可以看到儲罐底板和第一層圈板出現局部的斑蝕和孔蝕，其深度達2～3 mm。據某公司統計其管轄的輸油管線，1986年全線穿孔64次，1987年全線穿孔83次，1988年全線穿孔89次，每年用于管線穿孔的搶修維修費就高達400萬元以上。由此可見，金屬腐蝕能夠造成巨大的經濟損失，理清輸油管道及儲運設施的腐蝕現狀，針對腐蝕制定相應的保護措施，延長其使用壽命，使之安全平穩運行顯得尤為重要。

1 陰極保護技術應用概況

石油儲運設施的腐蝕是一個很復雜的過程，并與多種因素有關。為了減緩金屬的腐蝕，在土壤腐蝕調查的基礎上，在長輸管道和站庫上采用了外加電流陰極保護技術，輔助以犧牲陽極保護技術，全面遏制了金屬腐蝕穿孔的發生，取得了明顯的經濟效果。某公司長輸管道現有保護站10座、恒電位儀14臺，站庫區域保護站7座、恒電位儀38臺，在其防腐工作的實踐中，積累了一套完整的防腐層檢測、防腐工程設計、管道大修、陰極保護、系統優化運行等技術。

1.1 長輸管道陰極保護技術

金屬電化學腐蝕是指金屬與電解質發生電化學反應所產生的腐蝕，陰極保護技術是利用保護電流使金屬表面極化（極化電位在-1.20～-0.85 V之間），從而抑制金屬與電解質發生電化學反應，避免腐蝕發生。

陰極保護的方法有犧牲陽極法和強制電流法。犧牲陽極法因金屬和犧牲陽極之間的驅動電壓有限，一般用于所需要保護電流較小的情況。強制電流法主要由恒電位儀、輔助陽極、電絕緣裝置、參比電極等裝置組成，因其保護電流大且可根據極化電位變化自動調節保護電流大小而得到廣泛應用。

目前該公司下轄管線9條，共計300 km，均實施了陰極保護。陰極保護建設與維修情況統計見表1。

1.2 區域性陰極保護技術

油田站庫內部的埋地管道與儲罐金屬腐蝕給油品的儲存和管理帶來了嚴重的挑戰，由于其管網復雜，搭接較多，絕緣情況差別較大，所以犧牲陽極的應用受到限制。在做好長輸管道電法保護的基礎上，上世紀末公司便開展了區域性陰極保護技術研究應用，并取得了顯著的防護效果和經濟效益。區域性陰極保護[1-3]就是將被保護區域內的所有金屬構筑物作為一個陰極實體，對原油站庫來說，把所保護區域地下的集輸管網和儲罐底板下表面當成一陰極實體，形成一個統一的保護系統，在其間適當位置布置陽極深井，提供保護電流，實現陰極保護。

表1 某公司長輸管道陰極保護建設與維修情況統計Tab.1 Statistics of cathodic protection construction and maintenance of long distance pipeline in a company

區域性陰極保護具有如下特點：地下金屬構筑物的幾何形狀復雜；管道呈密集網狀分布；干擾電流來源普遍存在；地下金屬構筑的絕緣情況不一；保護電流需要量大；被保護對象在不斷變化。

自20世紀80年代開始，該公司便對油庫和計量站分別實施了區域性陰極保護，設計深井陽極6處，井深58 m。經過兩年的實踐，證明了該技術的可靠性，收到了較好的效果。在此基礎上，該公司先后完成其他各站庫分系統（采暖系統、消防系統、工藝系統、儲運設施）區域性陰極保護，并于2018年進行了全系統的更換與維修，對系統更易于進行調整和維護。截至目前，該公司所管轄的站、庫已有7處投入運行了區域性陰極保護。

2 陰極保護技術應用效果

2.1 陰極保護系統運行平穩

公司剛成立時，全線保護率為零，管線大面積地腐蝕，經過多年陰極保護技術的應用推廣與改造維修，生產系統埋地管道和立式儲罐的保護率已經連續22年趨近100%，通過及時發現處理不同類型的技術故障，保證系統高效平穩運行，管線陰極保護率常年保持在98%以上（表2）。

該公司陰極保護系統外輸線測試樁433個，油庫區域陰極保護系統檢測樁87個，基本達到標準測量要求。

表2 長輸管道陰極保護率統計Tab.2 Statistics of cathodic protection rate of long distance pipeline

陰極保護系統運行是否平穩，是一個綜合性的動態調整過程，它直接關系到全線的保護效果，系統陽極地床、硬件設備的使用壽命[4]。表3為2019年度某長輸管線陰極保護電位測試數據。無論長輸管道還是站庫區域陰極保護系統，只要這個系統有2個及以上恒電位儀同時運行，則只保留1臺恒電位儀在自動模式保護電位設定狀態，系統內其他恒電位儀都通過調試設定在手動模式恒流狀態，以免恒電位儀間電位調節的互相干擾。通過多年技術摸索和經驗積累，各站庫陰極保護系統運行均達到較為理想的狀態。

表3 2019年某長輸管線陰極保護電位測試數據Tab.3 Cathodic protection potential test data of a long distance pipeline in 2019mV

2.2 陰極保護技術參數滿足標準

2014年某油庫1號輸油線陰極保護系統陽極地床被外界施工損壞，嚴重影響該系統正常工作，造成該線從出站1～17 km保護電位瞬間減到-550～-650 mV。技術人員根據突發情況，及時調整站內區域陰極保護系統某儲罐陽極地床，接入到外輸線陰極保護工作系統，使系統馬上恢復正常運行，保證了輸油管線安全運行，系統調整前后陰極保護運行數據見表4。

表4 某輸油管線系統調整前后陰極保護運行數據Tab.4 Operation data of cathodic protection before and after adjustment of an oil pipeline system

某長輸管線保護站陰極保護系統消防水罐保護電位欠佳，經分析為儲油罐與消防水罐之間通過均壓線連接實施保護，保護電流通過儲油罐接地極流失。通過調整該站陰極保護陰陽極電纜，兩座消防水罐保護電位均達到-850 mV以上，符合保護電位標準[5]（表5）。

表5 某保護站施工前后消防水罐陰極保護運行數據Tab.5 Operation data of fire water tank cathodic protection before and after construction of a protection station

2.3 全面遏制管道腐蝕穿孔，經濟效益顯著

對于埋地管道，腐蝕導致管壁減薄和引起局部應力集中，是影響輸油系統可靠性和管道使用壽命的關鍵因素[6]。隨著陰極保護技術的推廣，陰極保護率逐年提高，延長了輸油管道腐蝕剩余壽命，腐蝕穿孔的次數顯著下降。公司長輸管道“十二五”和“十三五”期間因腐蝕因素造成的穿孔僅有2次。通過管線大修和電法保護，遏制了因腐蝕引起的跑、冒、滴、漏給安全生產帶來的嚴重威脅，節約大量搶修費用，減少跑油直接損失及環境污染，提升了安全環保管理水平。

在延長管道使用壽命經濟效益上，以某管線北段20 km管線為例，其在1988年就已經瀕臨報廢，通過實施電法保護和管線大修已延長了使用壽命32年。如重建一條輸油管道，估算需要投資約3 331萬元，而實施電法保護和管道大修（大修10.5 km）投資僅需518萬元就能夠解決運行安全問題。

3 技術問題和解決措施

3.1 恒電位儀故障維修

恒電位儀故障維修是管理問題，但在陰極保護技術應用與推廣上至關重要。恒電位儀是陰極保護系統運行的“心臟”，是關鍵設備，其中的電路板、可控硅、繼流二極管、變壓器和顯示儀表等部件發生故障，會導致陰極保護系統停運，管道保護率下降。近年來在維修改造過程中，將原來能耗較高的雙機單輸出（一開一備）恒電位儀陸續淘汰，安裝了雙機雙輸出微控恒電位儀，其雖然在控制調節范圍、負載特性和漂移特性上性能優良，但無備用回路，這就對現場的維修和恒電位儀恢復運行提出挑戰。

為此，首先對陰極保護工進行恒電位儀操作及維護保養的定期培訓，使其熟練掌握恒電位儀工作原理和組成，會操作和基本維護維修；其次在公司建立陰極保護系統備件庫，由維修部門負責維修重大類故障，或聯系生產商；最后，各站庫淘汰的恒電位儀，擇其可用作為備用恒電位儀，如故障維修期長，可緊急安裝替代，暫保陰極保護系統正常運行。

3.2 陰極保護系統電絕緣及管道搭接

陰極保護系統在恒電位儀自動模式下輸出電流突然或逐漸增大，在恒電位儀手動模式下保護電位絕對值突然或逐漸減小，最大原因就是陰極保護系統電絕緣接頭（法蘭）及管道搭接問題[8]，保護電流通過系統外接地體饋入大地。存在這種情況時，可采取以下技術措施：首先判斷被保護系統范圍內近期有無外來施工，排除外在施工造成與系統外金屬管道搭接因素；其次對系統所屬絕緣接頭/絕緣法蘭應用絕緣件的前后端，應用電位差法判斷是否電絕緣失效[9]。絕緣法蘭絕緣失效可通過更換絕緣套件修復，絕緣接頭絕緣失效只能更換。

若不是絕緣件失效，則判斷被保護管道是否由于長期土壤沉降與系統外其他金屬管道交叉搭接形成導體，可應用管道檢測儀采用電流衰減法判斷。如2015年某輸油管道陰極保護電位全線下降，經該單位技術人員應用PCM管道檢測儀，判定距該條管道起始點約800 m處，與外單位交叉的金屬管道經長期土壤沉淀產生了金屬搭接，經開挖在兩管道交叉點塞入絕緣電木板，使該條輸油管道陰極保護系統恢復正常。

3.3 陽極地床的安裝與維修

在陰極保護系統運行過程中，深井陽極地床造價較高，施工期長，一旦出現故障，將導致陰極保護系統長期癱瘓。當發現恒電位儀輸出電壓/電流值變大（即陽極地床電阻值突然增大），或者陽極地床電阻值大于4 Ω，就要檢查深井陽極地床，遵循SY/T 0096—2013《強制電流深陽極地床技術規范》，檢查陽極分線盒，使用ZC-8搖表分別測試各支陽極的接地電阻值。

在運行實踐中發現陽極地床發生故障主要有三種情況：①由于氯氣和電解作用使陽極分線盒的陽極母線接頭及各支陽極接頭腐蝕斷裂；②若陽極連接電纜是聚乙烯/聚氯乙烯電纜外皮，二、三年內電纜外皮由于氯氣作用粉化失效，電纜銅芯也會由于氯氣和電解作用逐漸斷裂；③陽極與陽極電纜接頭處防水密封絕緣不夠嚴密，使電解質滲入到接頭內部，該部位處于電解狀態，導致陽極接頭斷裂，這支陽極報廢[7-8]。

第一種故障容易處理，因為陽極分線盒一般在地面上，現場重新制作陽極母線接頭及各支陽極接頭。若在閉孔陽極地床發生第二、三種故障，不能在陽極地床下部陽極區域重新安裝陽極，只能重建。若在開孔陽極地床發生第二、三種故障，可以在陽極地床下部陽極區域重新安裝陽極，但如果陽極地床下部產生了泥沙堆積，陽極不能安裝到位，還需要洗井作業，抽出陽極地床下部陽極區域泥沙，增加費用。

為防止陽極地床故障發生，建議在陽極地床施工時，陽極連接電纜必須是抗氯離子的氟塑料電纜外皮（如偏氟聚乙烯電纜），陽極與陽極電纜接頭處要采用密封膏劑和環氧樹脂密封，外部最好再采用氟塑料收縮套密封。

3.4 陰極保護系統配線斷線

陰極保護系統中陰極電纜和陽極電纜一般為VV22-1 kV/1×50 mm2，當恒電位儀輸出斷路時（回路電阻無窮大），基本可斷定此恒電位儀配套的陰極線或陽極線斷開，導致陰極保護系統停運。

恒電位儀配線發生斷線主要有兩種情況：①線路上有外來施工挖掘造成斷線；②穿路套管處由于長期土壤沉降磨斷造成斷線。發生斷線情況，應關閉恒電位儀，尋找斷線原因。首先分別巡查陰極、零位參比線路及陽極線路上有無施工；若不是外部施工造成則使用萬用表測量陰極線和零位線間的電阻值，若電阻基本為零，可判斷陽極線路上有斷線，否則可判斷陰極線路上有斷線；其次查看陽極分線盒有無斷線；最后使用尋管儀（分別對陽極線或陰極線施加8 kHz頻率信號）尋找陽極線或陰極線斷點，重點在陽極線或陰極線穿路套管處。

尋到埋地電纜線路斷點處，按埋地電力電纜連接規范進行重新連接并做電絕緣及防水處理。尤其對于陽極線埋地電纜連接時一定要強化施工質量監督，連接陽極地床的電纜絕緣防水性能的充分、完整是必不可少的，否則接觸到電解質[10]（土壤或水）的電纜銅芯在陰極保護運行中，短期內就可能腐蝕斷裂。

3.5 長效參比電極更換

長效參比電極一般使用壽命為5～10年，根據報表保護電位數值的突然變化，測量校準后的便攜式飽和硫酸銅參比電極和長效硫酸銅參比電極之間的直流電位差，判定長效硫酸銅參比電極是否失效；若長效參比電極失效，在長效參比電極原處（凍土層下，接近零位點）更換。

4 技術應用與展望

（1）圍繞陰極保護現場應用，加大科研和技術投入?？偨Y歷年來的運行和管理經驗，深入現場調查研究，將高鐵運行雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕影響研究、陰極保護電位IR降測試[11]、陰極保護遠程監測技術應用、金屬儲罐底板外側陰極保護電位分布規律列為重點內容，找出腐蝕存在原因和抑制方法，現場跟蹤驗證，確保實施效果。

（2）完善管道信息和技術共享平臺。建立采油與地面工程運行管理系統（A5），促進各單位技術交流和資源共享，繼續完善管道運行管理等信息，充實數據，加大統計范圍。

（3）加強基礎管理，嚴格巡檢制度。管理職能部門對陰極保護崗位的運行和管理情況進行現場督導，定期召開陰極保護管理例會，形成崗位、大隊、公司三位一體的管理模式，持續不懈開展崗位練兵，不斷排查管道腐蝕泄漏風險隱患，加強管道完整性管理，讓陰極保護技術為油田生產設施的安全運行保駕護航。