大型石化裝置地下管網的區域性陰極保護方案

舒宗軍(長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南 岳陽 414000)

0 引言

石化裝置的金屬管道埋地敷設時，周邊的腐蝕環境比較惡劣，腐蝕類型又具有多樣性。而且石化企業廠區的大部分地下管網輸送的介質大多存在腐蝕性，因此管道的內外壁容易遭到腐蝕。管道被腐蝕后容易破裂穿孔，這樣就會造成管道內的介質發生泄漏，管道泄漏會帶來環境污染、起火爆炸等危害；管道泄漏會影響生產裝置的正常運行，嚴重時能直接導致生產裝置的生產停產，對企業的經濟會產生巨大的損失；每年由于管道腐蝕造成的經濟損失都是上百億元。

近年來，隨著陰極保護行業的發展及企業自身對管道腐蝕危害的重視，防止地下管網的腐蝕成了管道工程的重要內容，陰極保護是一種用于防止金屬在電介質中發生電化學腐蝕的保護技術。從1906 年德國建立第一個陰極保護工廠開始直至現在，陰極保護的相關技術已經發展較為成熟，目前已廣泛應用到石化企業中的鋼制儲罐罐底、埋地鋼制管道和地下金屬構筑物等的腐蝕控制[1]。

1 腐蝕控制方法的選擇

1.1 腐蝕控制方法概述

地下金屬結構腐蝕控制的方法有很多種，歸納起來主要有如下幾類方法[3-4]：(1)根據現場實際的環境情況，選用適用的耐腐蝕材料；(2)金屬表面增加保護性涂層，如：非金屬類涂層(礦物性油脂、聚氯乙烯等)和金屬類涂層(熱鍍鋅、鍍鋁等)；(3)改善金屬腐蝕環境的方法，如：更換土壤、金屬管道架空敷設等；(4)增加陰極保護措施，有犧牲陽極陰極保護和外加強制電流陰極保護。

目前公認的地下管道最為經濟和有效的腐蝕控制措施是陰極保護。

1.2 陰極保護方法分類

陰極保護技術是地下直埋敷設的金屬管線進行防腐保護最有效的手段之一。陰極保護技術的基本原理就是向被保護的金屬構筑物表面給予一個合適的外加電流，使該金屬物成為陰極，從而使金屬發生腐蝕時的電子轉移得到有效抑制，使腐蝕電流減小甚至趨于零，由此達到減緩和避免金屬構筑物表面發生腐蝕。

陰極保護技術根據外加陰極電流的來源不同可分為兩種方法：犧牲陽極陰極保護法和外加電流陰極保護法。下面對兩種方法的特點和適用場合分別介紹。

(1)外加電流陰極保護法。就是通過外加直流電源及輔助陽極，以達到降低腐蝕速率的陰極保護技術，它的技術特點是：陰極保護輸出電流大，能夠在較寬的范圍內連續調節保護電流的輸出量；受使用環境的影響很小，在土壤電阻率較高的環境中和腐蝕情況比較惡劣的環境下也有很好的效果；使用高惰性的輔助陽極時，能夠對金屬構筑物實行長期有效的保護；對外表面覆蓋層質量差的新、舊管道的陰極保護也能達到很好的效果；一次性建設投資相對較小，但后期運行期間的維護管理工作比較大。

(2)犧牲陽極陰極保護法。就是使用電位穩定且電位比被保護金屬更負的金屬或合金提供陰極極化電流進行保護的一項技術。常用的犧牲陽極的材料有鎂和鎂合金犧牲陽極、鋅合金犧牲陽極和鋁合金犧牲陽極等。犧牲陽極陰極保護法的技術特點是：外部不需要另外增加電源；前期一次性投資相對較高，在運行過程中對有色金屬的消耗偏大；輸出的陽極保護電流小、分布比較均勻及保護電流的使用效率較高，很難出現過保護的情況；對被保護管道附近的金屬物體不會有影響或者極小的影響；一般用于小規模的復雜管網系統的保護；施工工藝簡單，工程量較小，但調試工作比較復雜；后期保護電流不能調節，幾乎沒有可控性，正常投產后不需要專業的維護管理。

2 化工廠地下管網陰極保護實例

2.1 現場條件及陰極保護方案

中石化長嶺分公司10 萬噸/年雙氧水法制環氧丙烷裝置埋地鋼質管道主要為消防管網、自來水管網、循環水管網及排污管網。場地擬建于湖南岳陽地區，該地區為丘陵地區，該區域表層主要為人工填土(人工填土為黃褐色、灰褐色，不均勻，松散，濕，且以板巖碎塊為主，一般粒徑2～5 cm，最大粒徑50 cm，含量60%～75%，余為礫石和粘性土填充，繼配不均勻，新近回填，未完成自重固結。該層主要分布于場地大部分區域，層厚不均勻，層厚0.30～10.50 m)，該層土質不均勻，且多以碎石為主。其土壤電阻率分布嚴重不均，若采用傳統的分布式陽極進行陰極保護會出現保護電位分布不均、過保護或保護不足的現象，同時，由于土壤電阻率偏高，若采用傳統地床接地方式，接地電阻過大，導致輸出電流受限。因此，擬采用MMO/Ti 柔性陽極結合犧牲陽極的陰極保護方式，盡可能的使輔助陽極靠近被保護的金屬管道敷設，在最大程度上減少土壤的損耗，減小接地電阻，最終實現保護電位能均勻分布、使用壽命長、系統穩定的設計目標。

本設計采用基于MMO/Ti 的柔性陽極的強制電流保護方式，MMO/Ti 的柔性陽極額定排流密度不小于100 mA/m，采用柔性陽極實施區域保護具有電位分布均勻，設計、施工成功率高和技術經濟性較好的優勢。

由于廠區內埋地管道種類較多，分布不均，交錯、平行埋設情況較多，這必然給區域性陰極保護的調試帶來很大的困難。本工程采用的柔性陽極強制電流保護系統，可對單根柔性陽極的給定電位及輸出電流進行綜合調試，避免了屏蔽和干擾影響，使保護電流盡可能地分布均勻，各種埋地管道得到充分地保護，確保整個站場內的區域性陰極保護的有效性。

由于采用柔性陽極實施埋地管網的區域性陰極保護，在整個施工過程中，應嚴格注意對柔性陽極體的保護，并確保按照廠家柔性陽極電纜接頭技術要求進行連接。同時，應采用有效的方式確保柔性陽極敷設中與區域內接地系統扁鋼交叉處的有效絕緣，以減少保護電流的損耗，使被保護管道表面上的保護電位均衡分布。

區域內埋地管網總長度為4 888 m，柔性陽極沿著埋地管網敷設，對于部分大直徑管道需沿管道兩端敷設。由于區域內埋地管網進、出廠區處均未設計絕緣接頭，因此，管道進、出保護區域的管段需設計犧牲陽極作為增補保護措施。

2.2 陰極保護計算說明

2.2.1 保護面積計算

管道保護面積計算如下：

式中：S為被保護面積(m2)；D為管道直徑(m)；L為管道被保護長度(m)。

2.2.2 保護電流計算及恒電位儀選型

對地下金屬管道實施陰極保護時，使地下金屬管道基本不發生腐蝕或金屬管道被完全保護時所需要的保護電流密度稱之為最小保護電流密度，在陰極保護系統的設計中一般稱作保護電流密度。

保護電流密度是決定金屬構筑物防腐蝕效果的一個重要參數。如果在陰極保護的設計中選用的保護電流數值偏小，將會使得金屬管道的保護不完整，從而使管道不可避免的發生腐蝕；而設計保護電流密度參數過高可能會發生過保護的情況，通過氫致剝離損壞防腐層的完整性，產生嚴重的腐蝕并進一步影響陰極保護系統的正常運行，也會造成資源的浪費及影響生產的正常運行。

保護電流密度數值需根據項目具體情況確定，與很多因素有關，如：被保護金屬管道的材質、管道表面的涂層材料、環境溫度、土壤里含有的各種介質特性、組成以及外界環境條件等，有些因素還應考慮施工質量及施工工藝的主觀性影響。陰極保護電流密度參數的選取將會受這些因素的影響發生較大的變化。

本方案綜合考慮裝置區埋地管道所處的環境狀況、埋地管道防腐層的種類與質量、埋地管道腐蝕的實際情況，同時考慮接地系統對陰極保護電流的額外消耗情況，以及以往的工程經驗，本次陰極保護系統設計中采用的保護電流密度i為8.5 mA/m2。根據被保護管道的實際面積和設計采用的保護電流密度，保護電流按下式計算：

根據表1 中計算出的管道保護面積，陰極保護的總保護電流I為：I=0.008 5×2.5×6 629.36=140.87(A)

表1 管道保護面積

為了保證電流余量，選擇2 臺3×50 V/50 A 恒電位儀(2 用1備)，即可滿足陰極保護系統的要求。

2.2.3 均壓保護

均壓保護就是采用金屬導線將鋪設在同一地溝、相鄰平行或交叉的管道，以及通過法蘭或閥門連接在一起的管道間形成電氣通路，以消除管道之間的電位差的目的。采取此措施可確保保護電位均勻分布，防止遭到雜散電流的腐蝕，可使陰極保護的區域增大。根據裝置區地下管網分布的具體實際情況，初步在保護區域設置均壓線18 處。

2.2.4 陰極保護檢測

陰極保護系統正常運行時，工作人員要隨時準確的掌握整個系統的運行狀況跟實際保護情況，就需要經常對整個陰極保護系統的電位進行檢測。在工程設計中通常采用在整個保護區域內設置多個電位綜合測試樁來實現。通過電位綜合測試樁測得保護電位的數據來判斷陰極保護系統的保護狀況。

該企業陰極保護方案中，根據裝置區的具體情況，共設立了14 個電位測試樁，用于對整個系統保護電位實時監測。因此在日常維護中，對電位測試樁及其連線的電氣連接檢測尤為重要。

3 陰極保護經濟效益分析

3.1 埋地管網運行期間各項費用統計

根據有關部門提供的數據資料，中石化長嶺分公司10 萬噸/年雙氧水法制環氧丙烷裝置埋地管網總造價估計為1 000 萬元。若不對管道采取陰極保護，管道的使用壽命約為15 至20 年，之后管道就需要更換。埋地管道經過陰極保護后，使用壽命可達30 年。本項目4 888 m 管線更換需要直接工程費用1 000 萬元(按DN 400 的管線測算)，平均每年節約33.3 萬元。不采取陰極保護的管道使用期間極易發生管網泄漏，估計網管搶修費用每年約為2 萬元。

3.2 節水費用統計

根據經驗，地下管網若發生腐蝕泄漏需要額外補水。估測本項目若不采取陰極保護造成的額外補水量約為冬季50～70 立方米/天，夏季120～140 立方米/天。如果以平均80 立方米/天估算，每年需要額外補水的量約為29 200 立方米，工業水通常的價格為5 元/立方米，僅此一項的損失就高于14.6 萬元/年。地下輸水管網追加陰極保護系統之后，將節約水費約14.6 萬元/年。

3.3 陰極保護系統運行期間各項費用統計

陰極保護系統一次性投資估算為274.91 萬元，陰極保護系統投運后埋地管網的使用壽命由15 到20 年提高到30 年，使用壽命約增加1.5 倍數。在陰極保護系統在使用期內，需消耗的各項費用如下：(1)陰極保護運行期間電費(主要考慮恒電位儀的輸入功率)約為197.1 萬元。(2) 陰極保護系統的維護費用按工程總投資的8%估算，約為22 萬元。

3.4 經濟效益分析

陰極保護系統運行后每年的直接經濟效益按下式計算：

按上式計算的結果，使用陰極保護系統每年的直接經濟效益約為41.8萬元。本項目總投資274.91萬元，大約6.58 年即可收回投資。

4 結語

對于石化裝置地下管網而言，盡管采用一定的涂層及其他防腐措施，但是由于受到各重因素的干擾，還是很容易出現腐蝕問題。大型石化裝置地下管網使用區域性陰極保護后，管道的使用壽命可延長1.5 倍以上，且極大減少了由于管道腐蝕發生的泄漏問題。同時也為企業長周期安全生產節約了大量資金。

本項目采用的柔性陽極在上世紀九十年代就已廣泛應用于石油化工裝置的地下金屬構筑物陰極保護系統中。采用柔性陽極的陰極保護區域的各項數據都趨于最佳，很少存在保護不完全或過保護的現象。因此極大的提高的地下金屬構筑物的抗腐蝕能力，保障了生產裝置的安全平穩運行。