某油氣站場接地系統對區域陰極保護效果影響規律的計算分析及處理方法

池 恒,谷 豐,崔 偉,王 瑩,閻慶玲,王宏新

(1. 中國石油工程建設有限公司 北京分公司，北京 100085； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

隨著油氣輸送系統規模和自動化水平的不斷提高，站場及其接地系統規模龐大，結構錯綜復雜，站場內管道、通信、電氣等系統聯合接地作為一種經濟有效的接地防護措施已在國內外得到了廣泛使用[1]。一般情況下,當埋地鋼制結構的保護電位為-850～-1 200 mV(相對于銅/硫酸銅參比電極，CSE，下同)時，其處于良好保護狀態。近年來，針對復雜油氣輸送站場的區域性陰極保護越來越受到重視。區域陰極保護的保護對象數量繁多，不同接地材料(常見的如銅包鋼、鋅包鋼、等離子模塊等)的電化學性能[2-3]和表面狀況與埋地管道、儲罐等結構存在差異，這會對陰極保護系統產生重大影響。美國、中國和巴基斯坦等國家相繼報道了由于接地系統影響而導致陰極保護系統發生異常以及誘發埋地設施腐蝕的案例[4-7]。

由于缺乏足夠的溝通，接地系統與區域性陰極保護系統往往單獨設計，這二者之間存在矛盾。即對于接地系統而言，與站場內所有設施直接電連接可有效降低發生電擊的風險；但對于區域性陰極保護系統而言，結構物相互電連接意味著陰極保護電流需求量增大。由于復雜站場內埋地設施與接地系統的電連接點很多，采用直流去耦合器的方法實現電隔離雖然在理論上可行，卻并不實際。將站場內所有埋地金屬設施，包括接地極，作為整體進行聯合保護是目前廣泛采用的一種方法。要使陰極保護系統達到較好的保護效果，就應盡可能使被保護設施遠離接地極[8]，但這受限于站場內的有限空間。同時，不同接地極在不同環境中對陰極保護效果的影響也不同， GUMMOW[9]對碳鋼、硅鑄鐵、不銹鋼、銅、鍍鋅鋼、鍍錫銅等六種接地極在不同土壤環境中的性能進行了研究，綜合考慮認為鍍鋅鋼是最理想的接地材料。KIRKPATRICK[10]認為不銹鋼、犧牲陽極、混凝土覆裹的建筑鋼筋、鋅包鋼或加陰極保護的碳鋼可代替銅接地極。美國國家電氣法規(NFPA70-2017)、國內電力行業等標準(GB 50065-2001)綜合考慮接地和陰極保護系統，也不要求或不推薦使用銅接地極。其他學者也對接地材料進行了研究并推薦了相應的接地材料，GHESQUIERE[11]建議采用鋅陽極；SCHAEFER[12]推薦采用鍍鋅鋼接地棒；KIRKPATRICK[13]認為對聯合接地網而言，鋅接地極和絕緣銅線纜是很好的接地材料；LAWSON[14]推薦使用鍍錫銅接地極代替銅接地極。上述研究結果表明，選取與陰極保護系統匹配的負電性接地材料(如鋅包鋼)也是增加兼容性的一種方法。聯合保護陰極保護系統設計的難點在于陽極地床的布置方式，即如何優化設計陰極保護系統(采用近陽極和遠陽極地床)也是實現區域性陰極保護系統與接地系統兼容性的重要舉措。

本工作針對某油氣站場內出現的區域性陰極保護系統和接地系統的兼容性問題展開研究，通過具體案例，計算分析接地系統對區域性陰極保護效果的影響規律，探尋二者的兼容性解決方案。

1 試驗

某油氣站場,站內埋地結構復雜，有開排、清水、消防等各種管線和裸銅接地導線、裸銅垂直接地棒等。根據收集到的站場資料對站場全部管線和接地進行建模，如圖1所示。圖中綠色(深)線為各類管線，黃色(淺)線為接地銅導線。建模完成后，對所有結構物進行邊界元的網格劃分，如圖2所示。

圖1 油氣站場管線和接地的三維模型圖Fig. 1 3D model of pipings and grounding in oil and gas station

圖2 所有結構物的網格劃分Fig. 2 Meshing of all structures

采用美國Gamry公司的Gamry reference 3000電化學工作站進行極化曲線測試，測試采用裸露工作面為1 cm2的碳鋼、鋅或銅試樣，參比電極采用飽和甘汞電極(SCE)，據此得到數值模擬計算的邊界條件如下圖3所示，圖中電位相對于飽和銅/硫酸銅參比電極(CSE)。

2 結果與討論

2.1 接地系統對陰極保護效果的影響

由于現有接地設計未考慮接地對陰極保護的影響，接地與管線均為電聯通狀態，需要將接地與管線進行聯合保護設計。分別采用犧牲陽極和外加電流陰極保護的方法進行優化設計，各種陽極的基本信息見表1。

表1 陽極的基本信息Tab. 1 Basic information of anodes

接地與管線電聯通狀態下，對各種陽極的形狀、位置、數量等進行優化，使管線的保護電位滿足-850～-1 200 mV的標準要求，電位見圖4。由于聯合保護時單獨深井陽極保護無法滿足陰保要求，需與淺埋陽極聯合使用(下文稱為混合陽極)。

如果接地與管線絕緣，或者不考慮接地的影響，再次對各種陽極形狀、位置、數量等進行優化，得到管線滿足-850～-1 200 mV(相對于CSE)標準要求的優化方案，電位分別如圖5所示。

在溝槽開挖基本完成時，運輸管材及管件并布置在溝旁。盡量縮短管材在溝旁的存放時間，以避免外界損傷管材并減少陽光照射。布管時應小心輕放，防止損傷管材，管口連接前應封堵，防止泥土進入。

(a) 碳鋼地極 (b) 銅極地 (c) 鋅極地圖3 不同接地材料的極化曲線Fig. 3 Polarization curves of different ground materials

由表2可見，將管道與接地電絕緣，優化方案的陽極用量和電流需求量都明顯減小。故在區域性陰極保護設計中，應慎重采用正電性接地材料，如銅、銅包鋼，否則將給陰極保護設計帶來困難，導致陽極數量大、電流需求量高，危害埋地設施的安全運行。

2.2 區域性陰極保護系統與接地系統的兼容處理方法及其效果

通過調研標準和文獻可知，目前對于接地問題的主要處理措施如下。

(1) 直流電隔離：將被保護金屬與接地系統直流電隔離，防止陰極保護電流流失，同時保持兩者之間交流電連通，保證接地系統的正常運行；

(2) 陽極性接地材料：采用負電性材料作為接地，如鋅包鋼；

(3) 接地材料部分絕緣：將距離管道較近或與管道交叉的裸銅接地線進行部分絕緣處理；

(4) 水平接地絕緣：將水平銅接地絕緣，僅保留垂直接地棒為裸露狀態。

針對這些處理措施，仍以該站場模型為研究對象，采用數值模擬計算方法進行研究。

(a) Mg犧牲陽極 (b) 柔性陽極

(c) 淺埋陽極 (d) 混合陽極圖4 接地與管道連通條件下，陽極優化后的管線的保護電位分布云圖Fig. 4 Cloud diagram of protection potential distribution of pipeline after optimization of anode under grounding and pipeline connection condition： (a) Mg sacrificed anode; (b) flexible anode; (c) shallow buried anode; (d) mixed anode

表2所示為接地和管線聯合保護或接地和管線電絕緣條件下，優化方案中陽極的數量及輸出電流情況。

表2 不同陽極布置方式下的優化方案Tab. 2 Optimal scheme under different anode layout

2.2.1 接地與管道直流電隔離

因為接地和陰極保護分別通過交流和直流電流，因此將接地與管道進行直流電隔離可以徹底消除接地對陰極保護的不利影響。之前已研究了不考慮接地時陰極保護的情況，這大大降低了陰極保護設計的難度。但由于站內管道和其他埋地結構物錯綜復雜，很難保證完全電隔離，在淺埋陽極方案下研究接地與管道直流電隔離不完全，導致有1處和3處電連接點的情況，進行計算。

(a) Mg犧牲陽極 (b) 柔性陽極

(c) 淺埋陽極 (d) 混合陽極圖5 接地與管道絕緣條件下，陽極優化后的管線的保護電位分布云圖Fig. 5 Cloud diagram of protection potential distribution of pipeline after optimization of anode under grounding and pipeline insulation condition: (a) Mg sacrificed anode; (b) flexible anode; (c) shallow buried anode; (d) mixed anode

當接地與管道直流電隔離，但仍有1處電連接點時，采用518支淺埋陽極，輸出電流為30 A，才能使管道達到良好的保護效果，電流需求量較完全電隔離時的明顯提高(1.8 A)。當接地與管道有3處電連接點時，采用518支淺埋陽極，輸出電流為45 A，才能使管道達到良好的保護效果，此時電流需求量已經達到接地完全電隔離時的25倍。表3所示為接地與管線不同連接情況下的電流需求量。

表3 接地與管線不同連接情況下電流需求量Tab. 3 Current demand under different connection conditions between grounding and pipeline

綜上，雖然電隔離是處理接地影響的有效措施，但是一旦電隔離不完全，仍然會對陰極保護造成嚴重的負面影響。

2.2.2 陽極性接地材料

由于銅接地的自腐蝕電位較正，無陰極保護時，其與管道電連接將作為陰極，而管道成為陽極，形成電偶腐蝕。若接地采用自腐蝕電位較負的鋅或鋅包鋼，不僅不會對陰極保護產生不利影響，即使沒有陰極保護，接地本身也可以作為犧牲陽極為管道提供一定的保護。圖6為站場接地采用鋅時埋地設施的電位分布情況，可見由于接地較多，管道均被保護。

圖6 鋅接地條件下埋地設施的電位分布云圖Fig. 6 Potential distribution cloud diagram of buried facilities under zinc grounding condition

然而，鋅接地存在如耐蝕性較差，壽命較短等問題。由圖7可見，所有鋅接地都在為管道提供保護電流，部分區域輸出電流較大，接地消耗較快。

圖7 鋅接地條件下的電流密度分布云圖Fig. 7 Cloud diagram of current density distribution under zinc grounding condition

鋅作為犧牲陽極為管道提供電流會加速其自身消耗，縮短壽命。如果服役環境本身的腐蝕性較強，鋅接地的壽命會更短。

2.2.3 接地與管道交叉處絕緣

由于聯合保護的代價較大，而從深井陽極和混合陽極兩種方案的對比可知，保護效果較差的原因很可能是接地與管道存在交叉或距離過近，為此，考慮將接地與管道交叉的部分進行絕緣處理，深井陽極方案下計算結果如圖8所示。此時電流需求量由85 A降至65 A，同時保護效果明顯提高。對于具備條件的站場，可以重點考慮該種措施。當然，在站場區域陰極保護中使用深井陽極輸出大電流，具有引起站外管道陰極干擾或陽極干擾的風險。在設計中應對陽極、長效參比位置進行合理安排，避免干擾問題。

圖8 深井陽極條件下，接地與管道交叉處絕緣時管道的電位分布云圖Fig. 8 Under the condition of deep well anode, the potential distribution cloud diagram of the pipeline when the grounding and the intersection of the pipeline are insulated

2.2.4 水平接地絕緣

水平接地絕緣是另一個處理思路。在前述518支淺埋陽極方案中，將水平接地絕緣，輸出電流由80 A降至7.8 A，即可達到良好的保護效果。或將陽極數量從518支降低到124支，輸出電流為8 A，也可達到良好的保護效果，陽極分布和電位分布圖如下圖9所示。

(a) 陽極分布圖 (b) 電位分布云圖圖9 水平接地絕緣條件下的陽極分布情況和電位分布云圖Fig. 9 Anode distribution (a) and potential distribution cloud diagram (b) under horizontal ground insulation condition

通過以上計算可知，對于銅接地的情況，將水平接地絕緣，有利于降低陰極保護設計的難度，提高保護效果。

綜上所述：接地與管道電隔離的措施最有利于改善陰極保護效果，對于簡單的站場，可以考慮電隔離的方法，通過去耦合器等專用工具來實現。推薦采用陽極接地材料，比如鋅接地，可以實現良好的陰極保護效果，同時，為了提升鋅接地的壽命，仍然需要設計區域性陰極保護系統。考慮接地和管道聯合保護時，可通過對接地進行局部絕緣(交叉處絕緣、水平接地絕緣)和優化陽極地床(數量和位置)來實現接地和管道的聯合保護。

3 結論

(1) 接地系統對區域性陰極保護有重要影響，會造成所需電流增大且保護電位分布不均勻，影響程度主要由接地系統與埋地設施的電連接性、接地極的數量、相對位置和接地材料電負性決定；

(2) 接地與埋地設施通過去耦合器等工具實現直流電隔離是處理簡單站場接地系統和區域性陰極保護系統兼容性的最佳選擇；

(3) 對于無法實現直流電隔離的復雜站場，采用陽極性接地材料是提升接地系統和區域性陰極保護系統兼容性的較好方法；

(4) 對于已經投用且接地與管道電連接的站場，可以考慮關鍵位置(接地和管道交叉、靠近處)接地絕緣處理，改善陰保效果。