某大型站場強制電流陰極保護失效的原因

朱加祥,賈光猛,尚增輝,杜明俊,李 曄,趙常英

(中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司，任丘 062552)

陰極保護利用通電技術(shù)使金屬表面陰極電位降低到陽極電位，各點電位達到一致，消除陽極區(qū),從而減緩腐蝕[1]。通常對埋地管道采用外涂層和陰極保護來防止管道的外部腐蝕，外涂層提供第一道防護屏障，陰極保護作為腐蝕防護的第二道屏障，能有效防止涂層存在缺陷(如針孔和漏點)或涂層脫落時管道發(fā)生腐蝕[2]。國內(nèi)外工程實踐證明，對輸油站場/庫區(qū)實施強制電流的區(qū)域性陰極保護比單獨采用涂層防腐蝕技術(shù)或犧牲陽極保護技術(shù)更加有效，可有效避免由腐蝕失效造成的危險事故[3-4]。國內(nèi)越來越多的新建站場和已建站場，已經(jīng)實施或正在逐步實施區(qū)域陰極保護技術(shù)。然而，陽極埋設(shè)處土壤電阻率變大[5]，焦碳降阻材料性能下降、失效[6]，陽極地床發(fā)生氣阻現(xiàn)象[7]等眾多因素都能影響陰極保護的效果,因此陰極保護失效也時有發(fā)生。

某大型站場分為三個庫區(qū)(成品油庫區(qū)、原油庫區(qū)和首站)，為了防止110 km埋地管道和設(shè)備底座發(fā)生腐蝕，整個站場采用強制電流的陰極保護系統(tǒng)，對埋地管道、設(shè)備底座采用1 642支淺埋分布式高硅鑄鐵陽極進行陰極保護。陽極規(guī)格為φ159 mm×2 000 mm，陽極埋深1.8 m，陽極間距2.5～60 m，采用接線箱對陰極保護電流進行分配，整個站場共有35套系統(tǒng)，其中恒電位儀規(guī)格為75 V/50 A。該陰極保護系統(tǒng)投入運行半年后，測試樁保護電位的合格率從最初的97%逐漸降低至80%左右，影響了陰極保護的效果。本工作針對該站場部分陰極保護失效問題，分析了陰極保護電位降低以及恒電位儀輸出電壓偏高的原因，以期為同類型項目的設(shè)計和改造提供借鑒。

1 陰極保護的輸出參數(shù)

整個庫區(qū)陰極保護系統(tǒng)于2016年投產(chǎn)運行，半年之后，陰極保護的合格率出現(xiàn)了降低，所有的恒電位儀輸出電壓都出現(xiàn)了偏高。表1為成品油庫區(qū)5套陰極保護系統(tǒng)目前的運行參數(shù)，系統(tǒng)采用恒電流運行模式。

表1 成品油庫區(qū)5套陰保系統(tǒng)恒電位儀運行參數(shù)Tab. 1 Operating parameters of 5 sets of potentiostats for cathodic protection system in refined oil depot

CP-02陰極保護系統(tǒng)恒電位儀的輸出參數(shù)隨時間的變化關(guān)系如圖2所示，陰極保護電位如圖3所示。恒電位儀的輸出參數(shù)在建成投產(chǎn)的4個月之內(nèi)運行良好，通電點的陰極保護電位(相對于銅/硫酸銅參比電極)也能滿足GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》負于-850 mV的要求， 投產(chǎn)4個月之后，恒電位儀的輸出參數(shù)開始升高，一些系統(tǒng)恒電位儀的輸出電壓甚至達到了額定輸出電壓。對于改造的油氣站場，部分管道的防腐蝕層已經(jīng)劣化，在陰極保護系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)適當提高保護電位或通過測量斷電電位調(diào)整陰極保護狀態(tài)，避免管線由于絕緣防腐蝕層劣化導(dǎo)致腐蝕穿孔[8]。由于陰極保護系統(tǒng)回路電阻升高，為了保證恒電位儀在額定電壓下運行，如果提高保護電壓,就得調(diào)低恒電位儀的輸出電流。因此陰極保護范圍和效果都會受到影響。

(a) 輸出電壓

(b) 輸出電流圖2 CP-02陰極保護系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓、電流 與時間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between output voltage (a), current (b) and time for potentiostat of cathodic protection system CP-02

圖3 CP-02陰極保護系統(tǒng)通電點處的陰極保護電位Fig. 3 Cathodic protection potentials at switch-on points of cathodic protection system CP-02

根據(jù)歐姆定律，恒電位儀輸出電壓可以用式(1)表示。

V恒=I(Ra+RL+RC)+VR

(1)

式中：V恒為直流電源輸出電壓，V；Ra為陽極接地電阻，Ω；RL為線電阻(可取0.3～1 Ω)，Ω；RC為陰極過渡電阻，Ω；VR為反電動勢，V。

回路電阻主要包括三部分:陽極接地電阻、導(dǎo)線電阻和陰極過渡電阻[9]。陰極保護回路可以等效為一個簡單的直流串聯(lián)回路[10]，其負荷即為全回路中的總電阻。在恒電位儀輸出電壓的幾個影響因素中，導(dǎo)線電阻和反電動勢一般較小，可以視為定值，它們對恒電位儀輸出電壓的影響有限；而陽極接地電阻和管道陰極過渡電阻對恒電位儀輸出電壓的影響較大，在整個系統(tǒng)回路中，陽極地床的接地電阻占回路電阻的70%～80%[11]。受干燥土壤介質(zhì)的影響，陽極與土壤之間的接觸電阻增加比較明顯，導(dǎo)致陽極接地電阻和陰極過渡電阻增加，從而使恒電位儀的輸出電壓升高。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 土壤電阻率

土壤電阻率測量參照了GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法》中土壤電阻率(等距法)，采用標準四級法對地表、地表下1 m和1.5 m深度的土壤電阻率進行測試，測試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：地表土壤電阻率在150 Ω·m左右；地表下1 m、電極間距1 m處土壤電阻率為207～244 Ω·m；地表下1.5 m、電極間距0.5 m處土壤電阻率大于279 Ω·m，有些測量值還超出了儀器的量程。隨著土壤深度的增加，土壤電阻率也隨之增大，庫區(qū)內(nèi)深層土壤含水量少，較為干燥，土壤電阻率大。地表土壤電阻率為地表所測范圍內(nèi)的平均值，如站場位于干旱的戈壁灘,設(shè)計時應(yīng)當考慮土壤電阻率的不均勻性，尤其是在深層土壤電阻率較大的情況下，設(shè)計時還應(yīng)考慮因土壤電阻率升高導(dǎo)致系統(tǒng)回路電阻升高的情況。

表2 不同深度土壤的電阻率Tab. 2 Resistivity of soil at different depths

2.2 陽極所處環(huán)境及其表面形貌

高硅鑄鐵陽極采用水平方式安裝，陽極周圍的土壤含有較多尺寸為1～5 cm的碎石，有的石塊尺寸甚至超過20 cm，碎石增大了陽極與土壤之間的空隙，縮小了陽極與土壤之間的接觸面積，導(dǎo)致陽極與土壤的接觸電阻增大。

該陰極保護系統(tǒng)采用φ159 mm×2 000 mm的預(yù)包裝的高硅鑄鐵陽極。開挖出的鋼套管表面已經(jīng)發(fā)生腐蝕，在表層可見厚度為1～2 mm的鐵銹層，如圖4所示。一般情況下，陽極的氧化反應(yīng)首先發(fā)生在鋼套管處，即鋼套管首先被腐蝕消耗，形成鐵銹層，在偏堿性土壤環(huán)境中陽極鋼套管處發(fā)生的反應(yīng)如式(2)所示。

圖4 高硅鑄鐵陽極表面腐蝕形貌Fig. 4 Corrosion morphology of surface of high silicon cast iron anode

(2)

2Fe(OH)2繼續(xù)氧化轉(zhuǎn)變成Fe(OH)3，最終脫水轉(zhuǎn)變成鐵銹Fe2O3·xH2O。鋼套管上的最終產(chǎn)物Fe2O3·xH2O是一種疏松多孔的物質(zhì)[13]，在干燥和含有較高硫酸鹽的環(huán)境中，高硅鑄鐵陽極表面的保護膜不易形成或易受到損壞，因此其保護性能不佳[14]。在干燥環(huán)境中，鐵銹增大了鋼套管與土壤的接觸間隙，導(dǎo)致陽極與土壤的接觸電阻增大，尤其當陽極和焦炭層被鍍鋅鐵皮包覆后，水很難進入焦炭層，大大影響焦炭層的導(dǎo)電性能，使陽極接地電阻居高不下，對陰極保護不利[14]。

同時在偏堿性的土壤環(huán)境中，陽極發(fā)生的反應(yīng)大多需要氧參與，該反應(yīng)不產(chǎn)生氣體，但土壤中的氯離子得到電子會產(chǎn)生氯氣，土壤中產(chǎn)生的氯氣與陽極的孔洞并無關(guān)系，不存在氯氣無法排除的氣阻現(xiàn)象。陽極鋼套管首先腐蝕消耗，說明陽極內(nèi)焦炭導(dǎo)電性能良好。

2.3 陽極澆水降阻

引起陽極接地電阻升高最可能的原因是干燥的地質(zhì)條件和封閉的預(yù)包裝鑄鐵陽極。為了改變土壤的干燥程度，控制陽極地床的接地電阻，從8月份開始對陽極進行澆水降阻，處理后恒電位儀輸出電壓隨時間關(guān)系如圖5所示。水分與多孔的土壤結(jié)構(gòu)相結(jié)合，多余的水分可以填補土壤孔隙，增強了土壤的導(dǎo)電性，使陰極保護系統(tǒng)能更好地保護埋地管道裸露的表面[15]。結(jié)果表明：剛澆水時，接地電阻明顯降低，這是因為給陽極床澆水時，土壤中的水分得以增加，水分與套管接觸的同時也降低了陽極接觸電阻，保證陽極的電流流通；但陽極接觸電阻的降低只能保持較短時間，隨著水分的蒸發(fā)擴散，陽極與土壤介質(zhì)之間變得干燥，陽極接地電阻又會迅速升高，因此對淺層地表澆水達不到持續(xù)降低接地電阻的效果。

圖5 澆水處理后CP-02陰極保護系統(tǒng)恒電位儀 輸出電壓與時間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between output voltage and time for potentiostat after watering of cathodic protection system CP-02

在不同的庫區(qū)，恒電位儀輸出電壓超載的現(xiàn)象并不一樣。當陽極間隔較小(5～10 m)時，恒電位儀輸出電壓一般不超限，陰極保護電流輸出較小，單支陽極的保護范圍也較小，陽極消耗反應(yīng)對土壤中水分的需要量較少。當陽極間隔較大(10～20 m)時，單支陽極的保護范圍較大，恒電位儀的輸出電流也相對較高，這增加了恒電位儀輸出電壓超限的可能性。

陽極和管道的埋設(shè)位置一般位于凍土層以下[16]，庫區(qū)內(nèi)深層土壤非常干燥，自然降雨僅能濕潤淺層地表，表層土壤電阻率變小，導(dǎo)電性能增強，使部分回路的接地電阻降低，但大多數(shù)回路的接地電阻仍然較高，這也說明淺層土壤含水率增加對凍土線以下陽極的接地電阻影響有限。

對于陰極保護系統(tǒng)而言，涂層質(zhì)量的劣化、土壤參數(shù)的改變和輔助陽極的埋深和數(shù)量都是影響接地電阻變化的重要因素。土壤參數(shù)隨季節(jié)性降雨而改變，直接影響陽極接地電阻。按現(xiàn)行技術(shù)標準GB/T 21448-2017 中“在最大的預(yù)期保護電流需要量時，地床的接地電阻上的電壓降應(yīng)小于額定輸出電壓的70%”的要求，及該油庫所選恒電位儀(50 A/75 V)運行參數(shù)不能超過52 V的限制，降低陽極接地電阻時應(yīng)考慮恒電位儀電壓輸出隨季節(jié)性變化和地質(zhì)環(huán)境變化對陽極接地電阻帶來的影響。

每套陰極保護系統(tǒng)安裝了4個陽極接線箱，每個陽極箱輸出4路，每路包括3個高硅鑄鐵陽極。表3為CP-02陰極保護系統(tǒng)的陽極接地電阻。表中澆水情況下陽極接地電阻是指澆水后3 d內(nèi)測得的陽極接地電阻平均值。從表3中可以看出，澆水之后回路的陽極接地電阻明顯低于未澆水回路的陽極接地電阻；未澆水情況下，單支陽極的接地電阻最大為882 Ω，根據(jù)單支水平陽極接地電阻公式反推，埋深2 m處土壤電阻率已經(jīng)接近2 800 Ω·m。

表3 CP-02陰極保護系統(tǒng)的陽極接地電阻Tab. 3 Grounding resistance of anode in cathodic protection system CP-02 Ω

3 結(jié)論

(1) 庫區(qū)深層土壤較為干燥，土壤電阻率隨土壤深度的變化較為明顯，而庫區(qū)多碎石的土壤環(huán)境加大了陽極與土壤接觸的空隙，減小了陽極與土壤的接觸面積，導(dǎo)致陽極與土壤介質(zhì)接觸電阻升高。

(2) 在設(shè)計輸油站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)時，選擇合適的陽極類型是陰極保護成功與否的關(guān)鍵因素，對于土壤電阻率較高的環(huán)境，可以選用受條件影響較小的輔助陽極，在采用高硅鑄鐵陽極時，最好選用非預(yù)包裝陽極。

(3) 在地表淺層對陽極進行澆水，陽極接地電阻降低,但降阻僅持續(xù)較短時間。

(4) 由于現(xiàn)場年降雨量低，日照時間長，蒸發(fā)量大，設(shè)計陽極地床時應(yīng)該考慮深層土壤電阻率過高導(dǎo)致接地電阻過大的問題，可以采用澆水保濕和非預(yù)包裝陽極的方式進行降阻處理。