城市燃氣調壓站的區域陰極保護數值模擬及試驗研究

左 熠 邢琳琳 張繼龍 高觀玲 李 勇

（1. 北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035；2. 中國國際工程咨詢有限公司，北京 100083；3. 中煤建工集團有限公司，北京 100161）

0 引言

隨著我國能源升級進程的加快，城鎮燃氣行業發展迅速，調壓站數量不斷增加，燃氣調壓站周圍環境的復雜性也在逐年加大[1]。目前國內燃氣調壓站的埋地燃氣管線一般只有涂層防腐[2]，在建設初期除了對埋地管道進行絕緣層防護外，未采取其他的防腐措施。隨著該區域燃氣管線服役年限增加，站內燃氣管網的涂層逐步老化、破損，腐蝕問題日益嚴重[3,4]。據統計，某城市燃氣場調壓站埋地管道由于周邊土壤腐蝕性較強，且沒有施加陰極保護，造成管道發生外腐蝕穿孔，導致燃氣泄漏[5]。所以，為了進一步提高城市燃氣調壓站整體的安全管理水平，亟需對調壓站區域范圍內的燃氣管線增加和補充有效的區域陰極保護措施。

燃氣管網的區域性陰極保護技術，把某一區域內的所有燃氣管道和附屬設施作為一個整體進行控制和保護，由于保護區域范圍內的對象較多，城市環境復雜，地下市政設施交錯，范圍較小，給輔助陽極地床的設計帶來較大困難。近年來，隨著電化學和計算機技術的快速發展，數值模擬計算技術為油氣場站的陰極保護設計提供了有效解決方案[6,7]。該技術在輸油氣站場、壓氣站等長輸管道得到廣泛應用[8,9]，在復雜環境下的城市燃氣調壓站應用較少。本文通過現場測試和饋電實驗，建立陰極保護電位分布模型，基于數值模擬技術優選出燃氣調壓站區域陰極保護方案，并結合現場應用進行效果測試和評價，為城鎮燃氣調壓站區域陰極保護的應用和推廣提供依據。

1 現場測試與試驗

收集和分析站內埋地管網、接地網的分布、埋地金屬構件的外防腐層狀況、土壤電阻率分布情況及相關數據，開展電流需求量的測試和試驗工作，設計燃氣調壓站的區域陰保方案。

1.1 繪制站內管網及結構物分布圖

根據前期某燃氣調壓站的資料調研、現場調研和初步饋電實驗繪制了站內埋地管道、排污管道、陽極地床位置和管道測試點的分布簡圖（如圖1所示），為現場測試臨時陽極地床位置以及數學模型的科學建立提供參考。

圖1 某燃氣調壓站管網及結構物分布圖

1.2 土壤電阻率測試

通過ZC-8土壤電阻率測量儀，選取2處，測試獲得了某燃氣站地面以下4m左右范圍的平均土壤電阻率。所測的兩處調壓站站內土壤電阻率如表1所示。

表1 土壤電阻率測試結果

1.3 饋電試驗

為了獲得某燃氣調壓站區域陰極保護電流需求量和保護電位分布，在燃氣調壓站內建立臨時陰保系統，進行饋電試驗。結合前期測的站內管網和結構物分布情況，共選取3處位置埋設臨時陽極地床。臨時地床選擇鍍鋅扁鐵，采用直流電源為其提供陰保電流。

利用饋電試驗得到的不同位置陽極地床的各測試點管道通斷電電位測試結果，計算出管道電位偏移量ΔV=Voff-V自（CSE），如表2所示。根據現場饋電試驗測試數據，分析了各陽極地床保護下的通電電位分布情況和斷電電位分布情況，并且以100mV極化電位偏移準則作為保護判據，獲得了站內埋地管道的保護情況。饋電試驗結果說明在1#陽極地床的保護下，B1、B10、B12和B19四個測試點未達到保護標準，在2#陽極地床和3#陽極地床的保護下，管內所有測試點電位極化均超過了100mV。考慮主要是由于1#陽極地床所在位置的回路電阻較大，即使其輸出電壓很高，但輸出電流仍較小，只有0.6A，而2#和3#陽極的輸出電壓雖小，但是回路電阻很小，因此輸出電流較高，均達到了2A。

表2 （續）

表2 某燃氣調壓站饋電試驗測試數據

1.4 幾何模型建立

根據前期針對調壓站的資料查詢和現場核實信息，建立了調壓站區域性陰極保護系統數值模擬三維幾何模型，如圖2所示。對所建立的三維幾何模型進行數值計算網格劃分，如圖3所示。

圖2 調壓站埋地結構物三維幾何模型

圖3 網格劃分

1.5 實驗室極化曲線測試

在實驗室測試獲得裸鋼在現場土壤中的極化曲線用于下一步邊界條件反演。采用美國Gamry公司Reference 3000型電化學工作站進行測試。主要包括工作電極、參比電極和輔助電極的三電極體系，工作電極電極為尺寸為10×10×5mm的20#鋼，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極是混合金屬氧化物（MMO），介質為某燃氣現場帶回的土壤，掃描速率：1mV/s，掃描范圍為在開路電位基礎上從-1.5V掃到1V。陰極極化曲線如圖4所示。

圖4 陰極極化曲線

1.6 邊界反演

通過不斷改變涂層面電阻率和破損率來調整涂層管道的極化特性，并以饋電實驗得到的斷電電位測試數據作為對比條件，最終獲得帶涂層管道的極化邊界條件，在此基礎上再對陽極的優化分布方案進行計算。表3為管道涂層反演結果，圖5中（a）、（b）分別為1#陽極地床和3#陽極地床保護下模擬斷電電位與反演結果對比。從圖5可以看出，實測電位與模型計算電位擬合效果較好，說明我們建立的數學模型基本可靠。

圖5 模擬斷電電位與反演結果對比

表3 調壓站內埋地燃氣管道反演涂層結果

2 某燃氣調壓站區域陰保方案數值模擬計算

基于反演計算得到的燃氣管道極化邊界條件，再進行陽極地床分布優化設計，通過調整陽極分布位置、數量和陽極地床形式，得到了深井陽極地床、淺埋陽極地床保護下的管道保護效果，對比不同的陽極地床方案，獲得最佳陽極地床方案。

當在調壓間南側站內設深井陽極地床1處，陽極深40m，活性段長度為20m，具體位置如圖5所示，陽極輸出電流為-9.72A。管道保護電位分布云圖結果如圖6所示，結果表明，電位分布范圍為-0.85～-1.193V（CSE），站內、外的燃氣管道均得到了有效保護。

圖6 方案1城市燃氣調壓站陽極地床位置分布圖

分別在進線管道靠近大門一側、過濾區南側、調壓間南側和北側埋設4處淺埋陽極地床，陽極的位置如圖7所示，1#～4#陽極地床的輸出電流分別為-4A，-4A，-1.8A，-0.8A，共10.6A。云圖結果如圖8所示，電位分布范圍為-875.17 mV～-1198.3mV （CSE），站內外所有管道得到有效保護。

圖7 方案1城市燃氣調壓站保護電位分布云圖

圖8 方案2城市燃氣調壓站陽極地床位置分布圖

綜合以上兩種陽極地床優化研究結果，以及燃氣調壓站實際測試和勘察工作，由于該站地理位置位于北京西北方位，地層中巖石層結構較淺，根據經驗難以開挖深40m的深井陽極，因此該站最終采用淺埋分布式陽極地床，陽極地床具體位置如圖7所示。

3 某燃氣調壓站區域陰保效果測試

根據以上研究形成燃氣調壓站的區域陰保方案，并開展了現場應用。施工完成，區域陰極保護系統投產運行后，對整個燃氣調壓站的保護效果進行了現場檢測，并與管道極化電位模擬計算結果做了對比分析（如圖8所示），埋地管道極化電位在-0.93～-1.10V（CSE）之間，滿足相關標準要求。構建完成后，測量圖8中某些點的電位，對比如圖9所示。從圖9可以看出，數值結果與現場數據吻合較好，最大相對誤差小于5%，說明數值模擬對于預測此類站CP系統的性能是有效的。

圖9 方案2城市燃氣調壓站保護電位分布云圖

圖10 管道極化電位模擬計算與實際測量對比圖

4 結語

通過燃氣調壓站區域陰極保護數值模擬及保護方案研究，可以得到以下結論：

（1）現場饋電試驗法可以準確確定在役燃氣調壓站的陰極保護電流需求量；

（2）基于饋電試驗結果反演獲得帶涂層管道極化邊界條件的計算方法，能夠確認管道極化陰極邊界條件；

（3）利用數值模擬計算方法能夠預測城市燃氣調壓站的保護效果，為陽極地床設置提供多種參考和解決方案，同時也為復雜城市環境下的城市燃氣調壓站在技改過程中的區域陰極保護設計提供有效途徑。