區域陰極保護對外管道干擾的案例

吳 翔

(國家管網集團西部管道有限責任公司，庫爾勒 841000)

隨著石油和天然氣管道站場的連續多年運行，站內管道和儲罐腐蝕泄漏事故頻繁發生，引起了管理方以及社會公眾的關注。為了減緩站場內部埋地油氣管道的腐蝕危害，大多數站場采取了區域陰極保護技術。區域陰極保護就是將某一區域內的所有預保護對象作為一個整體進行陰極保護，依靠輔助陽極的合理布局、保護電流的自由分配以及與相鄰設備的電絕緣措施，使被保護對象處于規定的保護電位范圍內[1-4]。一般區域陰極保護以外加電流法為主，系統由擬保護的各類埋地管線及與之電連接的金屬構件，陰極保護電源系統(恒電位儀)、輔助陽極地床、陰/陽極電纜、土壤電解質等部分組成。

與常規干線陰極保護相比，區域陰極保護具有保護對象多，保護電流消耗大，陽極地床設計難度大，后期調試整改工作量較大等特點[5-7]。

盡管目前西部管道公司所轄油氣站場已經廣泛采用區域陰極保護技術，但在實際運營管理中發現站場區域陰極保護存在一些普遍問題，這影響了區域陰極保護的效果和運行可靠性，還可能對站外管道造成干擾[8-9]：

(1)由于輸油氣站場內埋地金屬管道、綜合接地系統及構筑物基礎鋼筋等埋地金屬存在相互電連接，導致站場內部消耗陰極保護電流的對象多，陰極保護電流需求量大。在西部某些油氣站場，站場區域陰極保護系統的輸出電流超過100 A是很常見的。但即便在如此高的電流輸出情況下，這些站場仍無法實現有效陰極保護的全面覆蓋；

(2)由于站場區域陰極保護系統的電流輸出遠大于站外干線，常造成站內陰極保護系統對外部干線干擾的問題，如西部多個油氣站場均存在站內區域陰極保護系統對站外干擾的問題，造成站外陰極保護系統無法正常運行、進出站管道在絕緣接頭附近出現局部腐蝕。將站場區域陰極保護建設好、維護好已經成為管道完整性管理的一個重要部分。本工作結合西部某原油站場區域陰極保護實測數據，展示了區域陰極保護對站外管道產生的陰極干擾、陽極干擾，探討了區域陰極保護對站外管道產生影響的原因。

1 某原油站的測試數據

1.1 陰極保護概況

某原油站內埋地原油管道、消防管道及接地體，與儲罐、閥組區共同進行區域陰極保護，儲罐與管道、接地之間沒有電絕緣。原油站站區域陰保共有恒電位儀26臺，區域陰極保護輸出直流電流合計141 A。原油站區域陰極保護所用輔助陽極均為高硅鑄鐵陽極，除了個別陰極保護系統使用淺埋地床，其余輔助陽極均為深井陽極。

原油站內陰極保護系統的輸出和輔助陽極的接地電阻情況見表1。

表1 原油站內陰極保護系統的基本情況Tab. 1 Basic situation of cathodic protection system in crude oil station

1.2 絕緣接頭性能測試

使用uDL2雙通道同步測量絕緣接頭兩側的電位，并對兩側測量結果進行對比，若電位相差較大，則說明絕緣接頭的絕緣性能良好；若電位相差較小，則應繼續使用其他測試方法核實接頭的絕緣性能。由圖1可見：A管道出站絕緣接頭內側和外側的電位分別為0.81 V和-1.03 V；B管道進站絕緣接頭內側和外側的電位分別為-0.43 V和-2.47 V；C管道進站絕緣接頭內側和外側的電位分別為0.49 V和-2.4 V。三根管道絕緣接頭的絕緣性能都是良好。

1.3 站內區域陰極保護對站外管道的干擾情況

在研究站內區域陰極保護對外管道的干擾時，采取兩種測試方法。第一種是采用密間隔電位方法測試絕緣接頭外側管道的電位，找到波動變化停止或數值平穩點以確定干擾范圍。

由圖2可見：站內區域陰極保護對A、B以及C管道絕緣接頭外側管道造成了陰極干擾，干擾范圍是絕緣接頭外側200～300 m。在該范圍，管道排放來自站內區域陰極保護的直流雜散電流，具有很大的腐蝕風險。

A管道在絕緣接頭處通電電位約為+0.5 V，而在350 m遠的162號測試樁處，通電電位變為-2.5 V。B管道在絕緣接頭外側的通電電位約為-0.18 V，而在161號測試樁處為-1.1 V。C管道在絕緣接頭處電位為-0.61 V，在200 m遠處就恢復至-1.7 V。

為判斷站外管道受陰極干擾的具體的干擾源，在測試工作中執行了第二種測試方法，即逐個中斷站內區域陰極保護電源并維持站外管道陰極保護正常運行，用數據記錄儀連續記錄站外管道的電位波動情況，以判斷哪個回路的區域陰極保護對外管道造成了干擾。

由圖3可見:站內區域陰極保護對出站管道造成不同程度的陰極或陽極干擾。

(a) A管道出站絕緣接頭 (b) B管道出站絕緣接頭 (c) C管道出站絕緣接頭圖1 A、B及C管道的絕緣接頭兩側電位測量結果(2018-6-22)Fig. 1 Potential measurement results on both sides of the insulation joints of pipelines A (a), B (b) and C (c)(2018-6-22)

(a) A管道出站絕緣接頭

對A管道出站造成陰極干擾的陰極保護系統編號如下：1#、2#、3#、4#、5#(輕微)、8#、9#、10#(輕微)、11#(輕微)、12#、14#。

對A管道出站造成陽極干擾的陰極保護系統編號如下：6#(輕微)、7#、13#。

對B管道出站絕緣接頭外側管道產生陰極干擾的站內區域陰極保護系統編號為： 1#、2#(嚴重)、3#、7#(嚴重)、8#、9#、10#、11#、12#、13#(較嚴重)。

站內所有的區域陰極保護陽極都對C管道絕緣接頭外側管道造成陰極干擾，干擾的范圍大概是絕緣接頭外側200 m。

(a) A管道

2 陰極干擾的成因

在強制電流陰極保護系統中，被保護的結構物吸收直流電流，在它周邊會產生一個陰極電勢場，周邊地電位會降低(相對于遠地)，如果外部金屬結構物處于該陰極電勢場內，就會受到陰極干擾。圖4為一個陰極干擾的案例，兩條金屬管道近距離交叉，干擾源管道安裝了陰極保護系統，被干擾管道穿越了干擾源管道周邊的陰極電勢場，受到陰極干擾。被干擾管道在交叉點排放雜散電流，具有一定的腐蝕風險。

圖4 陰極干擾示意圖Fig. 4 Schematic diagram of cathodic interference

在一些實施了站內區域陰極保護的案例中，由于站內強制電流陰極保護系統輸出電流過大，站內陰極保護系統對站外(絕緣接頭接頭外側)管道產生了干擾。圖5所示是典型的站內陰極保護系統對站外管道的陰極干擾。站外管道的遠端吸收的雜散電流經管道流向站內方向，在絕緣接頭的根部進入土壤電解質，繞過絕緣接頭后進入站內。在絕緣接頭的外側根部，管道電位出現明顯的正向偏移，具有很大的腐蝕風險。

圖5 站內區域陰極保護對外管道的干擾示意Fig. 5 Schematic illustration of the interference of cathodic protection to external pipelines in the station area

區域陰極保護對外管道也可能產生陽極干擾。靠近輔助陽極的管道吸收直流電流，然后在管道某防腐層破損點處返回至大地。在本工作研究的案例中，區域陰極保護對外管道的干擾主要表現為陰極干擾。

區域陰極保護對站外管道的陰極干擾嚴重影響了外管道陰極保護系統的運行，帶來了嚴重的腐蝕風險。導致該問題的根本原因是站場內埋地管線和站內接地、基礎等金屬結構物的電連接，這不僅造成了極高的陰極保護電流需求，還帶來了嚴重的屏蔽與干擾問題。

此外，站場內廣泛使用深井陽極輔助地床，也是西部油氣站場出現區域陰極保護對外管道產生嚴重陰極干擾的一個重要因素。深井陽極距離管道和站內接地體的距離都較遠，處于陽極的遠地管道和接地體吸收的電流大小與它們的對地電阻呈反比關系。接地體是裸露的金屬且總面積巨大，接地電阻很低，所以絕大多數陰極保護電流都被接地體吸收。這就造成陰極保護系統的輸出電流顯著增大，且在接地體周邊形成了范圍較廣的陰極電勢場，對外管道造成了陰極干擾。

將站內埋地管道架空，即可以解決金屬在電解質中發生的腐蝕問題。除了將埋地管道架空處理外，在站場區域陰極保護的設計和施工中還可以考慮以下的方法：

(1) 在設計階段采用饋電試驗或/和數值模擬的方式優化陽極的分布以及輸出電流[10-12]；

(2) 采用分布式陽極：輔助陽極與被保護管道近距離布置，減少接地體所吸收的電流，提升管道的保護效果[13]；

(3) 改變管道與接地體的連接方式，通過阻直通交類產品實現兩者的連接，避免接地體吸收陰極保護電流；統籌工藝、電氣、通信、儀表和土建等專業的設計思路，盡量減少輸油氣站場需要進行陰極保護的埋地金屬構筑物的數量[14-15]；

(4) 盡量避免使用易造成陰極干擾問題的輔助陽極安裝方式，比如在西部區域應慎重使用深井陽極[16]。

土壤電阻率等外部因素也可能造成上述陰極干擾問題，在對這些干擾問題進行評價和緩解時，應考慮到這些因素的影響。

在站場區域陰極保護的運行中，如果使用100 mV陰極極化保護準則，則陰極保護系統的輸出電流較使用-850 mV極化電位準則要低，對外部管道的干擾也會降低。但在復雜站場區域使用100 mV陰極極化準則有諸多限值，應慎重采用[17]。

在進行站場區域陰極保護的設計和施工時，應統籌考慮絕緣接頭外側管道的陰極保護和陰極干擾問題。在絕緣接頭處應設置陰極保護測試裝置，定期對外管道的保護電位進行檢測。

3 結論

區域陰極保護系統對外管道的干擾是大型油氣站場常見的問題。隨著站場區域陰極保護技術的應用普及，該干擾問題引起了廣泛的注意。

區域陰極保護對外管道造成陰極干擾的原因是外管道處于站內被保護結構物的陰極電勢場內。消減該陰極電勢場的范圍和強度是緩解陰極干擾的重要措施。從我國西部區域的現場應用情況看，在站內區域陰極保護系統中使用深井陽極往往會造成絕緣接頭外側的陰極干擾。采用分布式輔助陽極、使用阻直通交類產品將接地體與被保護管道隔離，都可以降低站內區域陰極保護的輸出電流，緩解站外管道受到的陰極干擾。

在區域陰極保護項目實施前，采用饋電試驗與數值模擬結合的方法，可以對設計進行優化，有助于消減區域陰極保護對外管道的干擾。