站場區域陰極保護對線路陰極保護干擾的緩解方法

高桂飛，李慧玲，張平平，李 琛，孫冰冰，孫 勤

(1.青島雅合科技發展有限公司，青島 266101；2.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司,烏魯木齊 830017)

我國區域陰極保護應用始于20世紀50年代，經過幾十年的發展，目前區域陰極保護已經在國內大部分工程站場的防腐蝕工程中得到廣泛應用，如輸油氣站場[1-4]、大型罐區[5]、城市天然氣站場[6]、煉油廠地下集輸管網[7]等。隨著區域陰極保護技術日趨成熟，相關標準如石油行業標準SY/T 6964-2013《石油天然氣站場陰極保護技術規范》和國家標準GB/T 35508-2017《場站內區域性陰極保護》陸續出臺，使區域陰極保護逐漸變成強制性措施，實現了陰極保護和主體工程同時設計、同時施工、同時投產，并且取得了顯著的效果[2]。隨著區域陰極保護的普及，其在實際應用過程中的問題也頻繁出現，除了由于保護對象繁多、地下結構復雜等原因導致的陰極保護消耗電流大、保護不均勻、局部屏蔽[8]等問題，區域陰極保護對線路陰極保護的干擾也頗為明顯[9-11]。

國內絕大多數長輸管道采用強制電流陰極保護方式，其陰極保護系統電源(恒電位儀)的控制模式通常采用恒電位控制模式。恒電位控制模式的原理為：在絕緣接頭(站場與線路電絕緣裝置)外側設置控制用參比電極，該參比電極實時測量該處線路管道的保護電位(該位置被稱為饋流點)并將數值反饋給恒電位儀，恒電位儀會根據該電位與預置目標電位的差值，通過內部控制電路實時增大或減小輸出電流，使得反饋點處電位無限接近預置電位。以上控制邏輯中，饋流點處參比電位將直接影響到線路陰極保護系統的電流輸出大小，若該處參比電極受到外界環境的干擾產生電位偏差，則整個線路的陰極保護效果將會受到影響[9-11]。

區域陰極保護對線路陰極保護干擾類型通常有兩種形式。如圖1(a)所示，當站場區域陰極保護采用的陽極地床靠近線路陰極保護饋流點時，在很多情況下，部分區域的保護電流(干擾電流)會從饋流點附近流入至遠處流出，此時饋流點處管道陰極極化程度增加，保護電位負向偏移，而線路的恒電位儀的電流輸出降低，導致保護距離縮短。如圖1(b)所示，當區域陰極保護采用的陽極地床遠離線路陰極保護饋流點時，干擾電流會從線路遠端流入至饋流點附近流出，此時饋流點處管道陰極極化程度減小或發生陽極極化，電位正向偏移，線路恒電位儀輸出電流增大，遠端線路出現過保護[12-15]。

(a) 近端流入遠端流出

從陰極保護原理可知，陰極保護主要是利用輔助陽極提供電流，電流從被保護管道流入引起管道陰極極化從而抑制腐蝕。雖然管道流入電流過多會引起過保護，導致氫脆或防腐蝕層剝離[16]，但其出現的概率遠比腐蝕小。對于圖1(a)所示類型的干擾，只要適當調整區域陰極保護陽極地床位置或其輸出電流大小即可解決其對線路陰極保護的干擾[17]。

對于圖1(b)所示類型的干擾，目前采取的防干擾措施主要有以下幾種[12]：

(1)對站外干線進行密間隔電位測試，將站外陰極保護系統的控制點轉移至不受干擾的位置。雖然該方法可以使線路陰極保護恢復正常，但被干擾段仍存在電流流出和電位偏正的現象，未從根本上解決干擾問題。

(2)對控制點進行處理，安裝排流地床以降低或消除干擾電流引起的附加極化或去極化。原理上，在控制點安裝排流地床是行之有效的方法，但目前的普遍做法是在控制點附近或在被干擾段安裝犧牲陽極。犧牲陽極的使用確實在一定程度上能給干擾管段提供陰極保護電流，抑制電流的流出，但區域陰極保護投用的電流量較大，犧牲陽極的輸出電流有限，能否完全抑制難以把控。

(3)站外保護系統采用恒電流控制模式。恒電流控制雖能使遠端陰極保護正常，但不能抑制近端干擾，且恒電流運行狀態下，線路陰極保護電位無法控制，需要持續監測調整，對管理人員的專業水平要求較高，管理成本也會增加。

本工作針對區域陰極保護對線路陰極保護產生陰極干擾提出了一種新的解決方法：在確定干擾類型以及干擾范圍的基礎上，通過增設一套電位控制系統，以抵消區域陰極保護產生的陰極電場，使線路陰極保護系統恒電位儀運行正常，線路陰極保護達到未受干擾的狀態，被干擾管道的電位達到陰極保護電位要求。此外，該系統由恒電位儀自動控制輸出電流，即使干擾范圍發生變化，也能自動調節輸出電流抑制干擾。本工作在一個典型的區域陰極保護對線路陰極保護產生陰極干擾的站場，將上述電位控制系統進行了現場實施測試，驗證該緩解方法的可行性。

1 干擾類型及干擾范圍確定

選擇西部某原油成品油管線泵站作為研究對象，該站分別有原油、成品油兩條管線進出站。站內區域陰極保護采用強制電流陰極保護方式，陰極保護電源共計3臺，陽極地床采用深井陽極的方式，分別布置在進出站管道走向的90°方向，設計時盡量遠離了線路管道。由于兩條管道同溝敷設，線路陰極保護采用兩條管線聯合保護的方式，并由沿線若干跨接線提供電流通路。線路陰極保護也采用強制電流陰極保護方式，陰極保護電源共計1臺，陽極地床采用淺埋陽極地床方式。在原油、成品油管線進出站各處設置有絕緣接頭，每個絕緣接頭均設置了測試樁用以測量站內外電位以及評價絕緣接頭工況。

1.1 干擾類型確定

據前期運行數據可知，當站內區域陰極保護投運時，線路恒電位儀在恒電位儀模式下無法正常投運，參比電位顯示正值。恒電位儀初始運行狀態如表1所示。

表1 線路陰極保護及區域陰極保護初始運行狀態

從表1可知，該站場區域陰極保護初始運行狀態全部為恒電流模式，線路恒電位儀參比電位為+0.157 V(相對于飽和硫酸銅參比電極，下同)，饋流點處管道正向極化，有電流流出，干擾方式疑似為遠端流入近端流出。為驗證該方式，在此運行狀態下對絕緣接頭內外側電位以及外線第1、第2個(1434號和1435號)測試樁處電位進行測試，測試結果如表2所示。

表2 初始運行狀態下絕緣接頭處及外線電位測試值

由表2可知：初始運行狀態下，原油、成品油出站絕緣接頭外側管線通電電位均偏正；由于原油出站絕緣接頭處埋設有鎂合金犧牲陽極，該處斷電電位達到陰極保護準則(-1.2～-0.85 V)要求。而成品油管道絕緣接頭外側斷電電位為-0.361 V，已高于正常碳鋼的自然腐蝕電位(-0.8～-0.5 V)，說明此處管道有電流流出，陽極極化，若該處管道防腐蝕層有破損點，管道將存在腐蝕風險。測試樁內埋設的檢查片測得電流方向也證實了絕緣接頭外側管道電流呈流出狀態。

從出站兩個測試樁的測量電位可知，站外管線在線路陰極保護無輸出電流(見表1)情況下，通電電位均達到-1.2 V以上，且斷電電位達標。該數據說明線路上的陰極保護電流并非由線路恒電位儀提供，在排除外界直流雜散電流情況下，該電流唯一來源為區域陰極保護。若此時將線路陰極保護恒電位儀預置電位設置為-1.2 V，則線路將會發生嚴重過保護現象，測試數據詳見表3。綜上所述，該站場區域陰極保護對線路陰極保護的干擾類型為典型的遠端流入近端流出方式。

表3 線路恒電位儀預置-1.2 V時絕緣接頭處及外線電位測試值

1.2 干擾范圍確定

采用密間隔電位測試法，對干擾范圍進行確定。在線路的出站方向，分別選取平行于管道、垂直于管道、45°等方向進行電位測試，測試間距為3 m，測試點分布見圖2。當前后兩個電位基本無變化時，測試結束，將測得數據繪制成曲線，從而獲得干擾范圍，結果見圖3。

由圖3可見，該陰極干擾電場在管道平行方向(3方向)干擾范圍約60 m，在45°方向(2、4方向)干擾范圍約85 m，在遠離站場垂直方向(5方向)干擾范圍約60 m，電場分布基本為圓弧狀。而在近站場垂直方向(1方向)，電位梯度一直很小，且電位值一直偏正。查閱站場建設圖可知，在此方向距圍墻內側0.5 m處有一條接地扁鋼(見圖2)，從而證實該條接地扁鋼為陰極場干擾源。

圖2 密間隔測試點分布

圖3 不同方向密間隔電位曲線

2 緩解方案

2.1 方案設計

在獲得準確的陰極電場分布以及干擾源的基礎上，提出了一種新的緩解方案：

(1)在干擾源(接地扁鋼)附近增設一條陽極帶，另增加一臺恒電位儀為其提供電流，使其產生的陽極電場，以抵消干擾源附近的陰極電場；

(2)新增陽極帶的輸出電流大小與陰極干擾電場的強度成正比，可分別在未受干擾區域和干擾區各設置一支參比電極，通過調節恒電位儀輸出電流使得干擾區以及非干擾區電位一致，即完全抵消陰極電場導致的電位梯度；

(3)新增系統運行后，線路恒電位儀應恢復到未受干擾時狀態，線路電位應滿足陰極保護標準。在未受干擾時(關閉區域陰極保護系統)線路恒電位儀的運行狀態見表4，該運行狀態下電位測試值以及線路密間隔電位測試值分別見表5和圖4。

圖4 線路恒電位在儀未受干擾的運行狀態下線路密間隔電位測試值

表4 未受干擾時線路恒電位儀運行狀態

表5 線路恒電位儀在未受干擾的運行狀態下絕緣接頭處及外線電位測試值

2.2 實施方法

(1)在站場管道出站方向，沿圖2中1方向敷設一條陽極帶，距離站內接地扁鋼(干擾源)約1 m，陽極帶為裸鋼，敷設長度30 m，埋深0.8 m，基本與接地扁鋼一致；

(2)在站內陰保間增設恒電位儀1臺，將陽極帶電纜引至恒電位儀的陽極接線端(輸出正)，從站內陰極點引出一根電纜至恒電位儀的陰極接線端(輸出負)；

(3)準備兩支校準過的參比電極，分別放置在干擾最強點(絕緣接頭外側)以及非干擾段管道正上方，分別將這兩支參比電極引線至新增恒電位儀零位及參比接線端子；

(4)調節新增恒電位儀預置電位為0 V，即兩支參比電極的之間的電位差為0 V。

(5)實施設施以及各設備布置圖如圖5。

圖5 新增電位控制裝置布置圖

3 干擾緩解效果

按上述實施方法對站場采取緩解措施后，對緩解措施的有效性進行檢測。將原有區域陰極保護恒電位儀按原有運行模式運行，線路陰極保護恒電位儀運行時將其預置電位設置為-1.2 V，新增恒電位儀運行時將其預置電位設置為0 V，在此運行狀態下運行4 h，各恒電位儀運行參數詳見表6。隨后對絕緣接頭處電位、線路測試樁電位以及線路密間隔電位進行測量，測量結果詳見表7及圖6。

表6 恒電位儀運行參數

表7 實施緩解措施后絕緣接頭處及外線電位測試值

從表7可見：在此運行狀態下，線路陰極保護恒電位儀運行正常，輸出電流較未采取緩解措施時(表3)明顯減小，基本恢復到不受干擾時狀態，此時絕緣接頭外側以及線路測試樁電位也均達到陰極保護準則要求，未出現過保護或欠保護的情況。從圖6可以看到，前4個密間隔測試點的通電電位偏負，其主要原因為測量參比電極受新增陽極帶陽極電場的影響。在將參比電極移至陽極電場外后，電位基本平穩，管道通電電位在-1.330 V左右，與1434號測試樁和1435號測試樁通電電位基本一致。以上結果說明，區域陰極保護陰極電場基本被完全抵消，線路陰極保護恢復正常。

圖6 實施緩解措施后線路密間隔電位測試值

在上述緩解方案中，區域陰極保護輸出模式及大小均未發生變化，但新增電位控制系統為區域陰極保護增加了一個電流回路，這可能對原區域陰極保護產生影響。為驗證可能產生的影響，對數據做以下分析：首先，從區域陰極保護各恒電位儀狀態顯示可知，在新增系統投運之后，相同輸出電流情況下參比電位較之前相比無明顯變化；其次，區域陰極保護恒電位儀對應的控制參比電極可能距離新增陽極地床較遠，不受其影響，因此技術人員又對新增陽極地床附近區域的站內管線進行了電位測量，測試結果表明，該區域站內管道及接地電位較原先都有明顯的負向極化趨勢，但均未產生過保護現象。綜上，新增電位控制系統未對區域陰極保護造成負面影響。

該方法利用恒電位儀在恒電位控制模式下的自動調節輸出功能，將被干擾段與非干擾段的電位差控制在0 V，也就意味著，即使區域陰極保護輸出電流發生變化，干擾電場增強或減弱，該新增系統也能根據干擾強度自動調節陽極帶的輸出電流，從而抵消同等大小的干擾電場。值得注意的是，新增陽極地床的位置應根據干擾源以及干擾范圍確定，不能在任意點埋設，若埋設位置存在問題，可能結果適得其反。

4 結論

提出一種站場區域陰極保護對線路管道陰極保護陰極干擾緩解方法，通過新增一套電位控制系統，自動調節輸出電流，使得新增電場能抵消原有區域陰極保護產生的陰極電場，且對原有區域陰極保護無負面影響。該方法一方面能解決區域陰極保護對線路產生的陰極干擾問題，使得線路陰極保護正常投運，另一方面日常操作和維護較為簡單，運行壽命長，即使電場發生變化也能自動調節，避免了重復治理，減輕了管理負擔，具有明顯的經濟效益和推廣前景。