大型復雜在運輸氣站區域陰極保護設計和應用

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

隨著站內管道完整性管理理念的普及，對在運輸氣站場追加區域陰極保護已成為腐蝕控制的必要手段。對于運行多年、經過多次擴建的站場，其工藝流程及接地系統復雜、新舊管道互聯互通，且地下的各類電纜位置、埋深情況不明，區域陰極保護的設計和實施存在一定難度。單純的理論計算已無法滿足其設計的需求，在詳細調研的基礎上，結合饋電試驗和數值仿真的方法，對區域陰極保護系統進行設計，并檢驗其效果。

1 概述

1.1 輸氣站基本情況

輸氣站Z位于華北平原地區，占地面積40畝，涵蓋三條輸氣主管線以及兩條支線管道，基本參數如表1所示。

站內工藝管道建成年代不一，材質不同，早期站內工藝及接地系統圖紙已無法參考，另外經過多次改造，如加手動閥門更換為電動閥門、就地壓力表、溫度表更換為壓變、溫變等，新增大量接地。近年隨著輸氣量增加和管網互聯實施，在老舊工藝區東側新建工藝區。廠區平面圖如圖1所示。

圖1 輸氣站Z平面圖

1.2 資料調查

在資料收集和調查階段，主要調研站場工藝管道管徑、埋地管道基礎參數、現場測量土壤環境條件、接地網的規模、材料類型以及區域的分布情況，以便充分掌握站場的相關資料，分析實施區域陰極保護的可行性條件及需要注意的問題。

（1） 現場埋地管道調研情況

站內區域陰保的對象包括站內埋地工藝管線、放空管線、排污管線等。埋地管道規格有Φ20～Φ1219等多種，總長度約2641m，總表面積約2502m2，統計表如表2所示；

表2 站內埋地管道規格統計表

（2）土壤電阻率調研

經使用ZC-8接地電阻測量儀實地測量，Z輸氣站的土壤電阻率調研數值如表3所示；

表3 站內土壤電阻率調查表

（3）其他資料收集

收集Z輸氣站的工藝流程圖、新建工藝區的設計資料、接地系統資料、與管道連接的放空、排污管道資料及所在區域的地質勘查報告等。

2 Z輸氣站區域陰極保護系統設計

2.1 保護方式選擇

對于工藝簡單、規模較小的站場，可以考慮采用犧牲陽極法保護，但該方法電流輸出量小，對于大型場站很難實現有效保護。結合GB/T 35508-2017《場站內區域性陰極保護》等規范要求，采用強制電流法，同時輸氣站X工藝較為復雜，陰極保護電流消耗量大， 采用多回路設計，避免單回路負荷過大、電流分布不均勻等問題。

2.2 陽極布置方式

在已建成的站場追加區域陰保系統，陽極布置方式可以采用分布式淺埋陽極地床、深井陽極地床或兩種方式結合[1]。

（1）分布陽極多用于地表空間較大，且土壤電阻率不高的情況下。分布式淺埋陽極地床在合理布置的前提下，自身干擾較小，可以使被保護體擁有更為均勻的電位分布。分布式淺埋陽極對站內空間的要求較高，站內開挖工程量大，特別是補加區域陰保的站場，在開挖中難免與已有的接地系統、各類動力、通訊的強弱電的電纜交叉，增加施工風險。此外，在間距較近的情況下，分布式淺埋陽極會產生比較大的干擾問題，屏蔽現象也很突出，遠離陽極的被保護體不能被保護[2]；

（2）深井陽極地床是通過鉆井技術，將陽極豎向布置的形式。該布置方式占地小，可以避免大面積開挖，可最大程度的遠離工藝區施工，地下隱蔽工程破壞風險低，因此較為適用在運輸氣站追加區域陰極保護措施時使用。但深井陽極的電流覆蓋區域較大，如果站場周邊存在其他金屬構建物，如化工廠、修理廠等，保護電流容易流向站場外的其他金屬構建物，因此在工業企業較為密集的開發區、工業區等位置應慎重使用。此外，深井陽極地床在工作中，受保護的管道作為一個整體被極化，保護區域內部管道及接地系統間容易發生屏蔽。即接地較為密集的區域保護電流大量流向接地系統，管道保護不足，因此需要結合分布式陽極進行調整和優化；

（3）輸氣站X的陽極地床布置方式

結合上述情況，為減少工藝區內施工，降低風險，同時兼顧經濟性和保障區域陰保系統效果，輸氣站X的陰極保護系統在設計中以深井陽極為主，同時采用分布式淺埋陽極補充陰極保護系統中屏蔽嚴重的薄弱環節，優化整體電流分布。

2.3 保護回路設計和恒電位儀選型

（1）保護回路設計

由于區域陰極保護系統的復雜性，為了提供更好的保護效果，一般將站場分為多個保護區域，進行多保護回路設計[3]。在輸氣站X的陰極保護系統中，根據其埋地管道的特點，為其設計4各回路，在原工藝區和新建工藝區分布設置1個深井陽極地床回路、1個分布式淺埋陽極回路；

（2）恒電位儀選型

根據回路設計，區域陰極保護的電源設備選用1機5回路交流恒電位儀，4用1備。為了確定其具體輸出功率等參數，還要對輸氣站X陰極保護系統的電流需求量進行進一步的研究。

1）理論計算

依據《GB/T 21448-2017 埋地鋼質管道陰極保護技術規范》等規范要求，輸氣站X區域陰保系統對電流要求計算如下：

根據圖紙及現場調研涿州站埋地管道規格有Φ20-Φ1219等多種，總長度約2641m，總表面積約2502m2，埋地管道防腐為冷纏帶防腐層，采用保守電流密度0.8mA/m2。根據管道表面積計算陰保電流需求I1=2502m2×0.8mA/m2=2A。

考慮到輸氣站內龐大的接地系統影響，大量的陰極保護電流將通過接地系統流失，相關研究表明這部分流失電流可達整個陰極保護系統的85%以上。設計過程中，接地體表面積的大小會直接影響所需提供保護電流的大小。而接地體面積的統計往往比較困難，為保證足夠的系統余量，在計算保護電流大小時，需要在管道（以裸管對待）表面積的基礎上乘以一個系數來表征接地體消耗的陰保電流。此次設計中系數取1.5。裸金屬采用電流密度按10mA/m2計算，接地極陰保電流需求I2=2502m2×1.5×10mA/m2=37.53A。

管道加接地極的總陰保陰保電流需求為I=I1+I2=39.53A。如果電流平均分配到4路恒電位儀，每路恒電位儀輸出電流10A；考慮電流分布中一定的不均勻性，考慮2倍的裕量，選型為恒電位儀規格定為40V/20A；

2）饋電試驗

可以看到，上述理論中對于接地系統的影響，采用了基于經驗和參考同類項目進行估算的方法計算其電流消耗，具有一定的誤差風險。為此，采用現場饋電試驗的方法對上述計算進行驗證。

在該輸氣站現場進行饋電試驗，饋電總電流10A，新舊工藝區內的工藝管道、排污管道、放空管道的出入土點斷電電位均負于-850mVcse。通過饋電試驗，同樣證明40V/20A恒電位儀可以滿足需求。

2.4 陽極材料選擇

站內區域陰極保護的陽極可采用的陽極材料有石墨陽極、高硅鑄鐵陽極、混合金屬氧化物陽極（MMO）、柔性陽極等[4]。石墨陽極雖然造價較低，但容易損壞，近年逐步被淘汰。柔性陽極一般用于新建站場與埋地管道同溝敷設，保護效果較好，但如果用于在運站場改造，工程量較大。因此，在運輸氣站場追加區域陰極保護使用高硅鑄鐵陽極或者MMO陽極較為適宜，兩種陽極材料均由良好的導電性能、穩定耐用。對比高硅鑄鐵陽極消耗率≤0.45kg/（A·a）和MMO陽極消耗率＜1mg/（A·a），考慮到場站區域陰保所需陰保電流較大，從消耗率、使用年限角度來對比，采用MMO陽極可保證隱蔽工程較長的運行年限，避免后期陽極失效導致的再次開挖。

2.5 陽極布置優化

陽極的布置是否合理決定了陰極保護電流是否能夠均勻分布，有效的對全站埋地管道進行保護。以經驗為基礎的設計方法缺少科學的分析和計算，已無法滿足區域陰極保護系統設計的需要。結合基礎資料調查、饋電試驗數據，采用數值模擬軟件，對輸氣站的管道、接地系統等進行建模，并采用有限元計算法，優化陽極的分布，同時可以直觀的看到電位的分布情況[5]，如圖2所示。

圖2 輸氣站X數值仿真電位分布圖

通過數值仿真的優化，輸氣站內所有埋地管道極化電位均達到-850mV～-1200mVcse。

3 應用效果與分析

3.1 陰極保護有效率驗證

該輸氣站區域陰極保護實施完成后，對全站管道進行了密間隔點位測試，共計測試279處，極化電位全部在-0.85～-1.25V有效保護范圍內，區域陰極保護系統合格，證明了本設計思路和方法的可行性。

3.2 數值仿真的準確性

通過對區域陰極保護系統投運后全部測試數據與數值仿真結果的對比分析，發現：新工藝區部分符合率較高，誤差在5%以內，舊工藝區的誤差較高，大部分在10%左右，部分數據誤差達到了15%。

究其原因，是因為新工藝區的圖紙等資料較為齊全，接地系統分布清晰；舊工藝區的接地系統只能靠經驗、估計和少量開挖驗證，導致該部分區域在進行數值仿真時，邊界條件誤差較大，仿真結果誤差較高[6]。雖然通過了饋電試驗的數據進行了校準，但仍無法完全消除其影響。

3.3 與干線管道陰極保護干擾情況

因輸氣站的干線陰極保護的長效參比電極一般埋深在站場附近，容易受到站內區域陰極保護電流的影響，導致反饋的干線保護電位不準。如圖3所示，如果干線參比電極處管道有站場區域陰極保護電流流入，反饋給干線恒電位儀的信號為線路電位偏負，干線恒電位儀輸出較少，導致干線陰極保護不足。反之，干線將產生過保護，管道有析氫風險。

圖3 站內外陰極保護干擾成因圖

針對上述情況，本項目設計和實施中，采取以下措施最大限度避免干擾的發生：

（1）深井陽極地床在選址中盡可能遠離干線管道控制點，并合理接近保護對象。在數值模擬仿真計算中考慮其對干線陰極保護的影響，并結合仿真結果對深井陽極地床選址進行優化；

（2）對干線陰極保護系統的控制點采取排流措施，消除干擾電流的影響[7]；

（3）在確保站內管道陰極保護達標的前提下減小相應回路輸出電流[8]。

通過陽極位置的優化，站內區域陰極保護系統投用后，未對干線陰極保護系統產生明顯影響。測量干線陰極保護電位正常無波動。

4 結語

（1）通過饋電試驗和數值仿真技術優化區域陰極保護系統設計的方法是有效可行的，同時通過優化陽極布局，能有效避免復雜回路間的屏蔽和干擾，使得保護電流的均勻分布，保證系統的有效性。但實際投運后，各回路的輸出電流只有2A-5A恒電位儀選型偏大；

（2）由于原始資料的缺失、站場工藝本身的復雜性、土壤電阻的變化等原因，在數值仿真中邊界條件無法完全與現場一致，會降低仿真結果的準確性。因此，一方面，在設計中應盡量準確收集現場資料，并結合開挖等方法明確接地系統的規模；另一方面，恒電位儀選型時要留有一定的裕量，方便后期調節；

（3）對于已運行多年、又經過多次擴建的站場，其工藝區內不同材質的管道極化特性不同，根據不同材料的性質確定適當的陰極保護電流，是后期運行管理的重點。