天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)工藝研究

張洪濤

【摘要】在天然氣場(chǎng)站中，對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)工藝進(jìn)行科學(xué)的利用，可以讓場(chǎng)站的地下金屬管道和設(shè)施免遭腐蝕，具有極好的保護(hù)效果。但是，與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展時(shí)間相對(duì)較晚，技術(shù)存在較強(qiáng)的滯后性，創(chuàng)新性不強(qiáng)。就目前來看，很多天然氣場(chǎng)站在發(fā)展和建設(shè)階段，還沒有對(duì)該技術(shù)展開運(yùn)用。并且，在區(qū)域性陰極保護(hù)工藝實(shí)施階段，在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、檢測(cè)以及施工等層面，整體研究力度不夠。若不能對(duì)參數(shù)科學(xué)選擇，施工期間忽視了細(xì)節(jié)部分，除了會(huì)對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)的效果造成嚴(yán)重的影響之外，還會(huì)導(dǎo)致天然氣場(chǎng)站出現(xiàn)非常大的安全風(fēng)險(xiǎn)看，嚴(yán)重威脅到了人員的生命安全。所以，必須要加強(qiáng)對(duì)天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)工藝的研究，為天然氣場(chǎng)站的安全提供保障。鑒于此，本文即對(duì)天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)進(jìn)行了剖析，對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，諸如區(qū)域性陰極保護(hù)的保護(hù)對(duì)象、干擾問題等，并將某市天然氣場(chǎng)站作為研究案例，對(duì)站區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了制定，明確了施工過程的具體流程和步驟，希望能夠?yàn)閰^(qū)域性陰極保護(hù)工藝的保護(hù)效果和水平提升員提供一定幫助。

【關(guān)鍵詞】天然氣場(chǎng)站;區(qū)域性陰極保護(hù)建筑工程;施工

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.114

緒論

將區(qū)域性陰極保護(hù)工藝高效的應(yīng)用在天然氣場(chǎng)站中，可以對(duì)場(chǎng)站內(nèi)部埋在地下的管線和金屬進(jìn)行保護(hù)，對(duì)天然氣場(chǎng)站各項(xiàng)工作的開展有很大促進(jìn)意義。對(duì)于區(qū)域性陰極保護(hù)工藝來說，主要是對(duì)均勻分配電流、合理布設(shè)陽(yáng)極等方式加以利用，讓全部的被保護(hù)體都能作為一個(gè)整體，能夠處于既定的保護(hù)電位范圍內(nèi)。區(qū)域性陰極保護(hù)工藝和干線的陰極保護(hù)區(qū)別很大，不僅要對(duì)埋在地下的管道進(jìn)行保護(hù)，也要對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的地下金屬構(gòu)件等加以保護(hù)。現(xiàn)階段，我國(guó)區(qū)域性陰極保護(hù)工藝還有很大的提升空間，技術(shù)相對(duì)滯后。所以，在今后的發(fā)展中，務(wù)必要強(qiáng)化對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)工藝的研究，保證可以從整體的角度上促進(jìn)天然氣場(chǎng)站陰極保護(hù)效果的提升，讓天然氣場(chǎng)站的運(yùn)行能夠越來越安全穩(wěn)定。

一、區(qū)域性陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題

1.區(qū)域性陰極保護(hù)的保護(hù)對(duì)象

與其他保護(hù)體系的對(duì)象相比，針對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)的保護(hù)對(duì)象而言，這個(gè)情況極為繁瑣，除了包含非常多的數(shù)目之外，整體的分布也比較集中，彼此之間需要借助管道來進(jìn)行連接。而管道的分布和設(shè)置很復(fù)雜，設(shè)置方式靈活多樣，各個(gè)管道之間或平行，或交叉。基于這一背景，在進(jìn)行區(qū)域性陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在天然氣場(chǎng)站內(nèi)，應(yīng)該規(guī)范設(shè)置陰極保護(hù)，找準(zhǔn)重點(diǎn)，分清主次，對(duì)保護(hù)的順序進(jìn)行明確。

2.區(qū)域性陰極保護(hù)的干擾問題

在天然氣場(chǎng)站內(nèi)，由于保護(hù)對(duì)象比較多，埋在地下的金屬結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，所以存在的干擾問題也比較多。一方面，對(duì)臨近金屬構(gòu)件的電干擾腐蝕。針對(duì)這一現(xiàn)象，主要是指部分陰極保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行期間，會(huì)對(duì)臨近金屬結(jié)構(gòu)造成不同的干擾，所以在設(shè)計(jì)期間，需要充分考慮這一特征。另一方面，雜散電流造成的干擾。該問題的形成比較復(fù)雜，在處理時(shí)，可以把天然氣場(chǎng)站內(nèi)的全部地下金屬都融入到保護(hù)體系中，保證沒有非保護(hù)體存在。

二、天然氣場(chǎng)站區(qū)域陰極保護(hù)原理

1.區(qū)域性陰極保護(hù)特點(diǎn)

（1）保護(hù)電流的損失較大

天然氣場(chǎng)站內(nèi)部區(qū)域埋地設(shè)施比較復(fù)雜，會(huì)大量損耗保護(hù)電流，損失的大量電流都流向了土壤。

（2）陽(yáng)極床設(shè)計(jì)比較困難

綜合來看，陽(yáng)極敷設(shè)的形式對(duì)鋪設(shè)位置要求比較高，不同的鋪設(shè)位置，對(duì)陰極保護(hù)的效果影響較大，因而設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，有一定的困難。

（3）容易發(fā)生干擾屏蔽

天然氣場(chǎng)站接地的金屬設(shè)備非常多，因此需要的保護(hù)電流很大，過大的電流會(huì)與管道產(chǎn)生相應(yīng)的干擾，影響效果。同時(shí)，場(chǎng)站內(nèi)部設(shè)施較多，交錯(cuò)布置，會(huì)產(chǎn)生一定的屏蔽效果，也會(huì)降低保護(hù)效果。

（4）安全標(biāo)準(zhǔn)要求較高

天然氣場(chǎng)站屬于危險(xiǎn)區(qū)域，內(nèi)部的天然氣設(shè)施安全要求較高，在一定程度上，會(huì)影響和限制保護(hù)設(shè)施的使用。

2.區(qū)域性陰極保護(hù)原理

（1）外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：外加整流電源、陽(yáng)極地床、參比電極、連接電纜。要發(fā)生作用，就需要腐蝕電池在輔助陽(yáng)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用金屬陽(yáng)極和石墨陽(yáng)極作為輔助陽(yáng)極材料，參比電極多用飽和氯化銀電極、飽和甘汞電極，銅-硫酸銅電極。陽(yáng)極地床通常使用多支輔助陽(yáng)極組成，確保釋放出的保護(hù)電流能夠均勻分布。系統(tǒng)可以根據(jù)給定電位和參比電極電位相應(yīng)調(diào)整通電點(diǎn)的電位輸出，通過恒電位儀保證管道設(shè)施的相對(duì)管地電位在要求范圍內(nèi)。

（2）犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)組成較為簡(jiǎn)單，主要包括犧牲陽(yáng)極、連接電纜。犧牲的陽(yáng)極金屬是比被保護(hù)的管道金屬電位更低，通過電纜相連接，使被保護(hù)的管道金屬成為陰極。整個(gè)系統(tǒng)中，犧牲陽(yáng)極、陰極、電纜以及土壤電解質(zhì)組成腐蝕電池。

對(duì)比以上兩種辦法，外加電流的有點(diǎn)在于可以調(diào)節(jié)電流的大小，保證產(chǎn)生電流符合要求，因此，適用于保護(hù)范圍較大的場(chǎng)站管道防護(hù)。犧牲陽(yáng)極法的特點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)成本低且比較可靠，適用于保護(hù)量較小的場(chǎng)所，不需要額外的供電，投產(chǎn)后不怎么需要維護(hù)和管理。

三、天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)工藝

1.天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，主要是基于某市天然氣場(chǎng)站開展，該天然氣場(chǎng)站的周圍有混凝土攪拌廠、電廠，在場(chǎng)站內(nèi)部，燃?xì)庹{(diào)壓工藝區(qū)、辦公區(qū)，占地90m×60m;辦公區(qū)以水泥地為主占地為43m×60m。同時(shí)，針對(duì)站區(qū)接地裝置接地極，主要是對(duì)鍍鋅角鋼進(jìn)行使用，型號(hào)為L(zhǎng)50×50×5;埋深為頂距地面1米，長(zhǎng)度為550m;接地線應(yīng)用的是鍍鋅扁鋼，型號(hào)為-40×4，埋深1.1米，一共有15個(gè);各設(shè)備外殼、金屬管道等都與接地裝置連接。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

（1）數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

在天然氣場(chǎng)站中，因?yàn)檎緝?nèi)埋地管道在實(shí)際分布過程中，整體十分規(guī)則，數(shù)量不多。所以，在進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)期間，可以對(duì)布式淺埋陽(yáng)極區(qū)域性陰極保護(hù)措施加以利用。在本次的設(shè)計(jì)中，具體的保護(hù)范圍主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面為天然氣場(chǎng)站內(nèi)全部的埋地管線，另一方面，天然氣場(chǎng)站內(nèi)全部的接地系統(tǒng)。在計(jì)算環(huán)節(jié)，模型圖如圖1所示。

針對(duì)計(jì)算過程所生成的劃分網(wǎng)格圖，具體如圖2所示（包含場(chǎng)站埋地金屬結(jié)構(gòu)物和陽(yáng)極地床）：

將所得到的模型圖和劃分網(wǎng)格圖作為依據(jù)，對(duì)GAMBIT進(jìn)行利用，并在其中對(duì)幾何模型進(jìn)行構(gòu)建。在模型建立完成后，將其導(dǎo)入到FLUENT中，然后對(duì)數(shù)值展開模擬計(jì)算，最終所獲得的場(chǎng)站內(nèi)埋地管道管地電位分布情況如圖3所示。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

在對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選擇過程中，需要對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)準(zhǔn)則進(jìn)行明確，其中，管/地陰極保護(hù)電位，具體為-850mV，或者可以更負(fù)。通常，處于陰極保護(hù)條件下，管道的極限保護(hù)電位需要控制在相對(duì)合理的范圍內(nèi)，絕對(duì)不可以比-1200mV更負(fù)。若上述的標(biāo)準(zhǔn)都能夠滿足，可以對(duì)陰極極化的方式進(jìn)行應(yīng)用。針對(duì)自然腐蝕電位，因?yàn)楣艿涝趹?yīng)用期間，經(jīng)常會(huì)被流雜散電流所影響，所以要對(duì)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行明確，具體為-0.55V（CSE）。

（3）陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

在對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)設(shè)計(jì)工作開展期間，需要從天然氣場(chǎng)站的實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，對(duì)天然氣場(chǎng)站內(nèi)的管道和接地網(wǎng)特征等進(jìn)行充分考量，然后以此為基礎(chǔ)，科學(xué)的對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行利用。在本次的研究中，主要是應(yīng)用兩種方法，分別是分布式淺埋陽(yáng)極和犧牲陽(yáng)極，對(duì)二者進(jìn)行綜合應(yīng)用，提升保護(hù)的有效性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，對(duì)分布式淺埋陽(yáng)極和犧牲陽(yáng)極手段進(jìn)行綜合利用，門站整體是對(duì)分布式淺埋陽(yáng)極進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制電流保護(hù)的目的。同時(shí)，對(duì)保護(hù)不到位等區(qū)域，要埋設(shè)犧牲陽(yáng)極。

①陰極保護(hù)電流計(jì)算：在對(duì)進(jìn)行這一環(huán)節(jié)計(jì)算期間，需要依照規(guī)范中所給出的公式來進(jìn)行。

埋地管線所需電流： 86.39m2X3mA/m2=0.26A

接地網(wǎng)表面積：116.95m2

地網(wǎng)所需電流： 116.95m2X20mA/m2=2.34A

共需電量：I=I管道+I接地=0.26A+2.34A= 2.6A

②陰極保護(hù)方案：與常規(guī)站外管道的淺埋陽(yáng)極地床相比，區(qū)域陰極保護(hù)淺埋陽(yáng)極地床預(yù)與之相應(yīng)，順著需要保護(hù)的天然氣場(chǎng)站內(nèi)的管道網(wǎng)絡(luò)，每間隔一定的距離之后，設(shè)置一組或者一支陽(yáng)極。而對(duì)于陽(yáng)極來說，主要應(yīng)用的是高硅鑄鐵陽(yáng)極。通常情況下，若有設(shè)備接地現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)候，可以結(jié)合實(shí)際現(xiàn)狀，盡量集中的布置。分析得知，在對(duì)本方案進(jìn)行使用的過程中，技術(shù)的操作十分簡(jiǎn)便，能夠?yàn)槭┕すぷ鞯拈_展提供非常大的便利，若在后期出現(xiàn)了故障問題，維修也很容易。

2.天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)施工過程及注意事項(xiàng)

（1）陽(yáng)極施工

在組織開展陽(yáng)極施工期間，首先需要將前期的準(zhǔn)備工作做到位，之后，對(duì)陽(yáng)極地床進(jìn)行開挖。在開挖的前期階段，務(wù)必要對(duì)地下管道或電纜現(xiàn)狀圖進(jìn)行認(rèn)真的分析，對(duì)管道和電纜的實(shí)際分布情況進(jìn)行明確，在三確認(rèn)需要開挖的位置并標(biāo)記清楚，確定沒有管道和電纜。之后，對(duì)地下管線探測(cè)儀進(jìn)行應(yīng)用，精準(zhǔn)且高效的探測(cè)已經(jīng)標(biāo)記的位置，在沒有管道和電纜的前提下方可開展開挖操作。在實(shí)際開挖過程中，必須要嚴(yán)格按照流程和規(guī)范進(jìn)行，堅(jiān)決不能出現(xiàn)野蠻施工的情況。同時(shí)，為了能夠讓陽(yáng)極、連接電纜的敷設(shè)以及相關(guān)組件焊接工作更便利的開展，應(yīng)該地井等的開挖尺寸加以要求，通常情況下，開挖尺寸的寬度是一米，陽(yáng)極頂部距離地面絕對(duì)不可以比一米小。在開挖的高度和寬度都達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)之后，可以對(duì)鉆孔機(jī)進(jìn)行使用，在陽(yáng)極地溝位置，每間隔兩米就鉆個(gè)Φ200×1600mm孔。針對(duì)空孔的數(shù)量，要根據(jù)陽(yáng)極數(shù)量來進(jìn)行確定。

（2）陰極保護(hù)電纜敷設(shè)

①電纜之間的連接：在進(jìn)行陰極保護(hù)電纜敷設(shè)期間，需要將電纜之間的連接工作做到位。針對(duì)陽(yáng)極匯流電纜：主要是對(duì)防爆接線盒和恒電位儀之間的電纜進(jìn)行連接。在實(shí)際操作階段，可以在電纜表兩段位置的銅鼻子上，借助接線柱來進(jìn)行連接。為保證后續(xù)應(yīng)用過程中不會(huì)出現(xiàn)任何的問題，必須要確保電纜能夠連接到位，電氣也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)通的效果。同時(shí)，在對(duì)陰極、測(cè)試電纜與管道進(jìn)行連接的時(shí)候，需要對(duì)鋁熱焊的手段加以應(yīng)用，科學(xué)的連接。值得注意的是：在焊接過程中，導(dǎo)電一定要非常良好，堅(jiān)決不能有虛焊的問題出現(xiàn)。在焊接工作結(jié)束以后，要對(duì)焊點(diǎn)加大重視，對(duì)其進(jìn)行防腐絕緣處理。此外，如果是電纜之間的連接，可以采取銅管壓接的方法，在連接的位置，做好防腐絕緣處理。

②電纜和管道的連接：針對(duì)陰極電纜、零位接近電纜等，在管道連接的時(shí)候，可以對(duì)熱鋁焊的方式進(jìn)行利用，具體連接的位置，應(yīng)該依照文件來進(jìn)行明確，焊點(diǎn)距離管道焊接的距離需要比100毫米大。在焊接結(jié)束之后，做好焊點(diǎn)的防腐處理工作。

③陰極保護(hù)電纜敷設(shè)。在對(duì)電纜進(jìn)行敷設(shè)的過程中，務(wù)必要將相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，深度不能小于800毫米，并要在凍土層以下埋設(shè)。同時(shí)，在地面以及地下位置，需要將裕量留出來，保證土壤下沉的時(shí)候，電纜不會(huì)出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象。在電纜敷設(shè)的上部位置，要鋪沙蓋磚。針對(duì)陰極保護(hù)電纜，在敷設(shè)的過程中，如果想要穿越管道、水溝等，應(yīng)該根據(jù)區(qū)域的實(shí)際情況，對(duì)保護(hù)套管進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶砑樱⒋_保管道兩端要比穿越段的兩端長(zhǎng)，長(zhǎng)度至少要在300毫米以上。

結(jié)論：

天然氣場(chǎng)站在對(duì)埋在地下管線和金屬構(gòu)件進(jìn)行保護(hù)的過程中，合理的對(duì)區(qū)域性陰極保護(hù)工藝進(jìn)行應(yīng)用，可以大大提升保護(hù)的效果，降低了地下管線和金屬構(gòu)件腐蝕問題出現(xiàn)的幾率。將區(qū)域性陰極保護(hù)工藝高效的應(yīng)用在天然氣場(chǎng)站中，可以對(duì)場(chǎng)站內(nèi)部埋在地下的管線和金屬進(jìn)行保護(hù)，對(duì)天然氣場(chǎng)站各項(xiàng)工作的開展有很大促進(jìn)意義。所以，為保證天然氣場(chǎng)站能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)該技術(shù)工藝進(jìn)行深入研究。本文通過分析，最終明確：將某一區(qū)域內(nèi)所有想要保護(hù)的對(duì)象看作一個(gè)整體，應(yīng)用區(qū)域性陰極保護(hù)工藝來進(jìn)行保護(hù)，具有一定的可行性。同時(shí)，依照天然氣場(chǎng)站區(qū)域性陰極保護(hù)施工的實(shí)際現(xiàn)狀，對(duì)施工期間需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了討論，在已經(jīng)運(yùn)行的場(chǎng)地內(nèi)，必須要嚴(yán)格按照規(guī)章機(jī)制進(jìn)行，做好設(shè)施的保護(hù)工作。此外，因?yàn)樘烊粴鈭?chǎng)站所處的環(huán)境很特殊，外界電磁干擾等呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化趨勢(shì)，所以要注意，不斷的調(diào)整和改進(jìn)。

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