LNG接收站及外輸金屬管道陰極保護方案比選及工程量計算研究

李龍煥，劉桂云，李賢才，勞錦洪

（1.廣州城建職業學院，廣東 廣州 510627；2.廣州燃氣集團有限公司，廣東 廣州 510625）

近年來，伴隨我國天然氣進口需求量的持續上升，LNG接收站的建設總量在不斷攀升[1]。根據相關技術規范的要求，LNG接收站及外輸金屬管道的防腐是重要的建設工作之一，其中陰極保護技術是金屬管道防腐工作的重要技術手段[2-6]。本文結合廣州LNG接收站建設情況，分析站場及外輸金屬管道陰極保護的技術方案，通過相關計算，得出站場及外輸金屬管道所需要的工程量，并對LNG接收站工程建設及后續防腐工作，具有實際的工作意義。

1 依托項目及陰極保護方式介紹

1.1 依托項目介紹

廣州LNG接收站位于廣州小虎島，建設一座可靠泊14.7萬立方米LNG船舶的高樁碼頭及LNG全包容儲罐，其中首期建設兩座16萬立方米LNG儲罐，高壓金屬管道管徑為DN700，線路總長度約7.5km，輸送至天然氣門站。該項目為高樁碼頭及全包容罐，相關設備受外部腐蝕小，本文主要對站場內的埋地工藝管道及站場外的輸配金屬管道的陰極保護進行研究。

1.2 陰極保護方式

為了抑制管道外壁金屬腐蝕，延長管道的使用壽命，陰極保護是行之有效的防腐蝕方法，陰極保護主要包括強制電流法和犧牲陽極法兩種[7，8]。

（1）強制電流陰極保護，又稱外加電流陰極保護。通過直流電源以及輔助陽極，迫使電流從土壤等介質流向被保護金屬，使金屬表面陰極電位降低到陽極電位，此時，被保護金屬結構電位低于周圍環境，整個金屬結構成為新的電路中的陰極，該陰極保護系統由整流電源（恒電位儀）、陽極地床、參比電極、連接電纜組成。

圖1 輸配工藝系統流程圖

（2）犧牲陽極陰極保護法，犧牲陽極法是將被保護金屬（陰極）與比之具有更負電位的合金（陽極）相連接，利用兩者間的電位差，通過消耗此陽極合金，達到對被保護金屬的保護。

1.3 陰極保護準則

當下述的任意一條要求被滿足，即可認為管道達到完全保護[9-11]：消除土壤IR降的前提下，測得的管道/電解質電位達到-0.85V或更負（相對于飽和Cu/CuSO4參比電極）；在陰極保護極化形成或衰減時，測取被保護管道表面與土壤接觸、穩定的飽和銅/硫酸銅參比電極之間的陰極極化電位差值最小為100mV；另外陰極保護狀態下管道的極限保護電位不能比-1200mV（相對于飽和Cu/CuSO4參比電極）更負。

2 線路段金屬管道陰極保護

2.1 線路段金屬管道的陰極保護方案選擇

在工程實施前期，需要對陰極保護的方法進行選擇：

（1）該項目的輸送管道距離較短，約7.5km，犧牲陽極造價低于強制電流法。

（2）該項目位于工業區，沿線金屬構筑物較多，采用犧牲陽極法可以有效抑制管道和附近金屬構筑物之間的交直流干擾。

（3）結合上述保護方法的優、缺點，本著經濟合理、安全可靠、便于管理的原則，該項目采用鎂合金犧牲陽極法對線路段管道提供陰極保護。犧牲陽極埋設方式見圖2。

圖2 犧牲陽極埋設示意圖

2.2 陰極保護工程量計算

按照犧牲陽極法，計算項目線路段埋地金屬管道陰極保護工程量。

2.2.1 計算參數

管道自然電位：-0.55V（相對于硫酸銅參比電極）；

最大保護電位：-1.48V；

最小保護電位：-0.85V；

保護電流密度：10μA/m2；

干線金屬管道電阻率：0.224Ω·mm2/m；

2.2.2 計算過程

采用圓柱形犧牲陽極填料時，接地電阻計算方式如下。

（1）單陽極、陽極組接地電阻計算：

Rv-立式單支犧牲陽極接地電阻（Ω）；

R總——陽極組總接地電阻（Ω）；

ρ-土壤電阻率（Ω.m）；

ρa-填包料電阻率，（Ω·m）；

L-陽極長度（m）；

La-帶填包料陽極長度（m）；

d-陽極等效直徑(m)；

D-帶填包料陽極直徑（m）；

t-陽極中心至地面的距離；

N-陽極數量；

K-修正系數1.3；

（2）陽極輸出電流的計算：

陽極輸出電流是由陰、陽極極化電位差除以回路電阻來計算。

Ia——陽極輸出電流（A）；

△E——陽極有效電位差（V）；

Ra——陽極接地電阻（Ω）。

（3）陽極支數的計算：

根據保護電流密度和被保護的表面積可算出所需保護總電流IA，再根據單支陽極輸出電流，即可計算出所需陽極支數，實際工程一般要取2～3倍的余量。

N-所需陽極支數；

IA-所需保護總電流（A）；

Ia-單支陽極輸出電流（A）。

（4）陽極壽命的計算：

根據法拉第電解原理，犧牲陽極的使用壽命可按下式計算，陽極利用率按0.85進行計算。

T—陽極工作壽命（a）；

W—陽極質量（kg）；

I—陽極輸出電流（A）；

ω—陽極實際消耗率（kg/A·a)

在實際工程中，犧牲陽極的設計壽命一般為10年～15年。

2.2.3 計算結果及主要工程量

在工程實施之前，先計算陽極組的接地電阻，進一步推導出陽極輸出電流，從而計算出所需要的陽極數量，線路部分陰極保護主要工程量見表1。

表1 線路部分陰保主要工程量

3 LNG站場工藝金屬管道陰極保護

3.1 站場內陰極保護方案選擇

（1）根據LNG站場埋地工藝金屬管道實際情況，站場埋地管道長度較短，約1.2km，管道表面積較小，采用犧牲陽極的造價遠小于強制電流法。

（2）采用強制電流會對金屬構筑物產生干擾，而采用犧牲陽極可以避免對鄰近的金屬構筑物的干擾。

（3）站場內的電力接地系統與區域性陰極保護關系密切，電力接地系統要求與大地的接地電阻盡可能的小，以釋放沖擊/故障電流，保證站場內設施和人員的安全，而陰極保護則要求站內管道盡可能的與大地絕緣，以消除腐蝕。

（4）結合上述保護方法的優、缺點，本著經濟合理、安全可靠、便于管理的原則，該站場采用鎂合金犧牲陽極陰極保護系統對埋地金屬管道進行陰極保護。

3.2 站場電連續及電絕緣要求

（1）工藝站場內管線多，為防止連接處導電性能的減弱，確保陰極保護電流的暢通，應對各連接點選擇合理地方做電連續性跨接。

（2）站內埋地管網和線路段金屬管道的陰極保護是相對獨立的系統，為了避免陰極保護電流的流失和不同陰極保護系統間的相互干擾，應對站內、外金屬管道之間不同陰極保護系統的管道進行電絕緣。絕緣的主要內容包括：站場內金屬管道與站外金屬管道的電絕緣，站場內保護的金屬管道和其他非保護埋地金屬構筑物的電絕緣，站內的管墩、管架等均應與管道之間做好電絕緣處理，同時對絕緣裝置進行相應的強電沖擊保護；每個絕緣裝置都設置一套絕緣裝置保護系統，該工程采用火花間隙對絕緣接頭進行防強電沖擊保護，每個絕緣接頭保護器處設一個絕緣接頭測試樁。

3.3 站場部分陰極保護工程量

站場部分陰極保護主要工程量見表2。

表2 站場陰極保護主要工程量

4 陽極工作環境及埋設要求

為了保證犧牲陽極在土壤中的穩定性，必須用合適的化學填料填充陽極。它的功能是：將陽極緊貼于填料，提高了工作環境；減小陽極的接地電阻并增加其輸出電流；填料中的化學成分對陽極產品的溶出、不產生結癡、降低無用極化作用；保持長時間的陽極地床濕潤；對化學填包料的基本要求是：低電阻率，高滲透性，不容易流失，良好的防潮性能。

用袋裝和就地鉆孔兩種犧牲陽極充填材料。袋裝必須采用自然纖維面料，禁止使用化學纖維面料；現場鉆孔充填雖然有很好的效果，但是填料的使用量很大，如果一不小心，很可能會將土壤顆粒帶入填料，從而影響充填質量，填料的厚度應該保持在5cm～l0cm左右。陽極埋置在離管外壁3mm～5mm處，不宜超過0.3m，埋深應以陽極頂端離地不低于lm為佳。

5 測試系統

為檢驗陰極保護的效果及絕緣裝置的可靠性，測試系統的設置是十分必要的，根據沿線情況，該項目采用防腐金屬管測試樁，每500m設置1支電位測試樁，與其它金屬管道交叉處設置1支交叉管道測試樁，在定向鉆穿越兩側，各設置1支電位測試樁；測試樁可兼作里程樁。該項目測試的內容包含以下幾方面：

5.1 輸出電流的測量

因為測試樁輸出電流很低，多為mA級，因此，它的測量方法比較嚴格，儀器內部電阻越低越好，常用“零阻電流表”（國產的電偶腐蝕計具有此項功能）。

5.2 陽極有效電位差的測量

這是一種特殊的犧牲陽極參數，將參比電極置于最接近陽極的兩個位置，測量出的閉合電勢之差即為陽極有效電位的差異。

5.3 金屬管道電位的測量

參比電極必須盡可能地接近于金屬管道。在評估保護作用時，參比電極應該放在兩套陽極中間部位管道上方。由于采用犧牲陽極連接后，不能對管線的自然電勢進行測量，因此，在試驗樁處應設置一塊與鋼管材料相同的輔助試塊，以作為自然電位的測量。

5.4 套管內金屬管道保護電位的測量

如果在套管中安裝了帶狀陽極，則要對套管內管道的保護電位進行測試，將參比電極置于套管中，使其與電解質相接觸。該測試在實踐中比較困難，通常僅用于分析問題。

6 結論與建議

本文針對持續增加的LNG接收站及外輸金屬管線，提出陰極保護技術對埋地金屬管道防腐，是行之有效的措施。通過對具體項目進行分析，比較強制電流法和犧牲陽極法對項目的優劣，選擇犧牲陽極陰極保護方法對該項目進行保護；進一步通過計算，得出犧牲陽極保護所需要的工程量，為項目后續工程造價、工程施工及保證工程質量提供基礎理論研究。