在運天然氣站場追加區(qū)域陰極保護措施的難點及對策

延旭博

（河北省天然氣有限責任公司管道分公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

我國自20世紀70年代末在油田集輸站首次應用區(qū)域陰極保護技術(shù)，目前已在長輸管道站場內(nèi)已全面應用。而據(jù)國內(nèi)長輸管道站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)運行現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計，站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的一次設計的成功率遠低于干線管道，投產(chǎn)后的有效保護率達到100%的站場不足20%。主要是由于站場埋地金屬結(jié)構(gòu)物復雜，接地系統(tǒng)龐大，干擾屏蔽問題突出，輔助陽極床施工受區(qū)域限制較大，系統(tǒng)回路較多，調(diào)試和測試較困難等系列問題，制約了區(qū)域陰極保護的應用效果。

1 區(qū)域陰極保護技術(shù)概述

站場區(qū)域陰極保護，是以保護站內(nèi)埋地管道為目的，采用強制電流或犧牲陽極的方法，對站內(nèi)埋地管道進行電化學保護。施加區(qū)域陰極保護后，站內(nèi)埋地輸氣管道由防腐層被動防護轉(zhuǎn)為陰極保護聯(lián)合保護，大大提高了安全性。

1.1 區(qū)域陰極保護的必要性

在鋼制管道腐蝕控制方面，陰極保護的有效性和必要性是經(jīng)過長期試驗和實踐檢驗的。雖然，有些未設置區(qū)域陰極保護的輸氣站安全運行了20年以上，但這并不意味著僅靠噴漆的被動手段是可靠的，原因如下。

（1）出于防雷和防靜電的需要，站內(nèi)設置了與管道及其設備連接的龐大接地系統(tǒng)，且一般采用鍍鋅鋼帶等電位較高的金屬，如果埋地管道防腐存在缺陷，就會發(fā)生電偶腐蝕；

（2）輸氣站在較為密集的空間內(nèi)布置了大量的輸氣管道，且彎頭、三通等管件較多，這些均需要進行現(xiàn)場防腐，其防腐質(zhì)量與工廠預制成品相比有一定的差距，且現(xiàn)場防腐還受作業(yè)條件、作業(yè)工序、氣象條件及施工人員本身技術(shù)水平的影響，其可靠性遠低于干線管道。

因此有必要對管道進行陰極保護，強化站內(nèi)埋地管道的薄弱環(huán)節(jié)，消除腐蝕風險。

1.2 區(qū)域陰極保護的方法

陰極保護系統(tǒng)可采用犧牲陽極法或外加電流法，而目前外加電流法應用較為廣泛，其突出優(yōu)點是輸出電流可條件，適應不同的工況條件；陽極消耗低，壽命較長。采用強制電流法的輸氣站區(qū)域陰極保護系統(tǒng)一般由直流電源（恒電位儀）、輔助陽極（分布式淺埋或深井埋設）及參比電極、電纜等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 強制電流區(qū)域陰極保護系統(tǒng)示意圖

2 在運站場追加區(qū)域陰極保護的難點

2.1 原始資料缺失

對于在運站場，特別是一些運行年代較長的站場，往往經(jīng)過多次改造、維修，原有的設計圖紙已無法全面反映站場的現(xiàn)狀，且經(jīng)過電氣化、智能化改造后，地下除了埋地管道外，還分布了大量的接地扁鐵、電纜、信號線等，不僅影響設計的準確性，同時對施工中的風險控制帶來不利。特別是影響較大的接地系統(tǒng)，與區(qū)域陰極保護設計分屬兩個專業(yè)，設計人員往往只能估計接地網(wǎng)的分布，估算接地網(wǎng)的規(guī)模，在設計時往往由于缺少充分的資料，而嚴重制約了設計的成功率。

2.2 接地系統(tǒng)的影響

隨著輸氣站自動化、智能化水平的不斷進步，其工藝管道、電氣、自控、通信系統(tǒng)均與防雷防靜電接地網(wǎng)連接，構(gòu)成了龐大的接地網(wǎng)，且接地電阻很小（防雷相關規(guī)范要求小于4歐姆）。區(qū)域陰極保護以站內(nèi)埋地管道為保護對象，但其很難實現(xiàn)與接地系統(tǒng)等的徹底絕緣，在已建成區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的輸氣站實測發(fā)現(xiàn)，通過接地網(wǎng)流失的陰極保護電流可達恒電位儀輸出電流的80%以上[1]，且由于接地系統(tǒng)電阻很小，極易造成對埋地管道的保護電流屏蔽和干擾。

2.3 地質(zhì)條件的影響

輸氣站的地質(zhì)條件對區(qū)域陰極保護的設計、施工和運行均有影響。對于經(jīng)過多年運行的站場，土壤經(jīng)過自然沉降，不同土層的土壤電阻率、含水量及微生物活動情況均會有所不同，在設計階段單一的考慮土壤電阻率的影響是不充分的。

2.4 測試點設計

在區(qū)域陰極保護系統(tǒng)測試點設計方面，還存在設計不合理的問題，一般在大型的站場設計10～12個，中小型站場只有4～8個。根據(jù)長輸管道區(qū)域陰極保護測試的結(jié)果分析認為[2]，以上的測試點數(shù)量遠遠達不到全面測試評估陰極保護效果的水平，或者測試點設計的位置不能反映出保護效果較差的區(qū)域。從表1可以看出，站場管道的保護電位存在明顯不均勻的問題，僅通過有限數(shù)量的測量點無法反映其整體保護水平。

表1 某在運輸氣站饋電試驗記錄

2.5 系統(tǒng)回路設計

在系統(tǒng)回路設計方面，由于站場管道分多個區(qū)域，各個區(qū)域管道的規(guī)模不同，因此一般采用多個回路分區(qū)域保護[3]，而目前各個回路的通電點、區(qū)域的劃分尚無相關的規(guī)定和要求。當一個回路的通電點，或管道靠近其他系統(tǒng)的保護管道或陽極，則會受其他系統(tǒng)干擾，導致該回路的輸出偏低，管道保護電位就偏低。這也是目前站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)中常見的問題。

2.6 運行管理方面

在區(qū)域陰極保護系統(tǒng)運行管理方面，日常的保護電位測試是直接反映其保護效果的指標，而站場管道不同于干線管道，按測試樁的位置測量保護電位就能全面反映其整體保護效果。對于站場管道，其呈網(wǎng)狀分布，各個區(qū)域?qū)芈返妮敵鰠?shù)都存在差異，且各回路之間干擾問題突出，保護電位分布不均的情況較為普遍，和準確地測量和判斷出保護不足的區(qū)域是關鍵，而目前還沒有相關的標準和統(tǒng)一的經(jīng)驗可借鑒。目前的一些長輸管道站場采用在管道周圍埋設長效參比電極，或安裝參比管、試片等多種方式進行測量。

3 在運站場追究區(qū)域陰極保護的對策

3.1 現(xiàn)場調(diào)研收資

在開展區(qū)域陰極保護設計的前期，需要調(diào)研輸氣站的基本情況，包括各類埋地管道的管徑、長度、位置和接地極的分布等資料；對于圖紙不齊全的，可以在現(xiàn)場進行小范圍、多點開挖，驗證管道及接地的分布。

3.2 饋電試驗和數(shù)值仿真模型技術(shù)的結(jié)合應用

近年來，數(shù)值模擬技術(shù)已成為區(qū)域陰極保護系統(tǒng)設計優(yōu)化的有效手段。即通過建立站場管道金屬、土壤及陰極保護系統(tǒng)回路的數(shù)值計算模型，結(jié)合各種金屬筑構(gòu)物的極化特性，計算出陰極保護電流及電位的分布，并以此來指導和優(yōu)化陽極地床的選型、布局及回路的設置[4]。數(shù)值模擬技術(shù)對區(qū)域陰極保護的設計優(yōu)化提升有一定的促進作用，但其計算精度往往也受限于多種因素，特別是邊界條件的確定，尤其是被保護管道的陰極極化邊界條件、接地網(wǎng)金屬的陰極極化特性及埋地金屬結(jié)構(gòu)的分布和規(guī)模，這些對計算結(jié)果有較大的影響。

饋電試驗計算是在現(xiàn)場設置臨時陰極保護站并埋設一定數(shù)量的陽極，組成簡易的區(qū)域陰極保護系統(tǒng)，對管道進行通道并測量各點電位，通過對輸出電流的調(diào)整實現(xiàn)該區(qū)域的陰極保護電位達標，從而得到埋地管道所需保護電流密度，用以指導設計。這種基于試驗的方法彌補了理論計算的不足，特別是與數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合，可以彌補前期收資中的不足和錯誤。

基于上述兩種技術(shù)的特點，在設計階段可以將兩者聯(lián)合使用，即在輸氣站站場建模階段，因接地系統(tǒng)的各類扁鐵等分布、尺寸等很難準確測量，采用預估的方法。建模完成后，設置與饋電試驗相同的邊界條件，對比模型中的電位分布于饋電試驗的真實數(shù)據(jù)，進而對模型進行校準和修正[5]。經(jīng)過修正完善的模塊可以良好的反映輸氣站的管道電位分布，是數(shù)值模擬計算成功的關鍵。

3.3 多回路智能測試設備的研發(fā)和應用

智能陰極保護參數(shù)測試遠傳設備在輸氣管道的干線上已廣泛應用。配套各種試片，其可以按設定的頻率采集多種陰極保護參數(shù)，包括通電電位、斷電電位、自然電位、交直流電流密度等參數(shù)。在區(qū)域陰極保護領域，以往通過人工測試，一方面測試點有限，無法反映真實的陰極保護電位分布；另一方面，占用大量的人力和時間，測試的頻率無法很高，在陰極保護系統(tǒng)因環(huán)境等因素變化時，電位隨之變化，無法及時發(fā)現(xiàn)并調(diào)整恒電位儀的運行狀態(tài)。此外，人工測量往往具有隨機性和人為操作習慣帶來的誤差。

隨著智能測試技術(shù)的發(fā)展，多回路智能測試設備已經(jīng)可以應用在區(qū)域陰極保護測試樁領域[6]，其可同時具備多達5個以上的測試回路，在設定的時間采集不同位置的陰極保護參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以為恒電位儀的運行調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

3.4 土壤環(huán)境監(jiān)測儀的應用

管道的電化學腐蝕全程都發(fā)生在土壤當中，土壤的性質(zhì)如電阻率、含水量、微生物、溫度、沉降速度等受環(huán)境影響而不斷變化，因此對這些數(shù)據(jù)進行記錄和研究，有助于掌握不同地質(zhì)條件下的區(qū)域陰極保護分布規(guī)律和地質(zhì)條件變化對電位、電流的影響，進一步從本質(zhì)對區(qū)域陰極保護系統(tǒng)進行全面有效性評價。

3.5 電絕緣的應用

實踐和數(shù)值仿真的結(jié)果表明接地系統(tǒng)對區(qū)域陰極保護的影響是巨大的。對龐大的、低電阻的接地系統(tǒng)進行有效的直流電絕緣可以有效減少陽極用量和恒電位儀直流電流輸出。

對于接地系統(tǒng)相對簡單的輸氣站場，可以采用固態(tài)去耦合器等設備，在隔離直流的同時保證交流通過性，確保接地的安全可靠。對于接地系統(tǒng)較為復雜，無法全面做到直流電絕緣的輸氣站場，可以對接地系統(tǒng)進行分析，實現(xiàn)部分絕緣[7]。

4 結(jié)束語

（1）對于站內(nèi)埋地管道，實施區(qū)域陰極保護是消減腐蝕風險，確保本質(zhì)安全的有效手段。鑒于區(qū)域陰極保護的復雜性，必須進行詳細的調(diào)查和合理的設計，降低設計風險；

（2）通過多種先進技術(shù)的綜合應用，可以很好的克服在運輸氣站場追加區(qū)域陰極保護的問題，并提高管道保護率，優(yōu)化恒電位儀的運行。