油气站场埋地管网阴极保护案例及对比分析

杨万国，刘同刚，徐风刚，薛 涛

（中石油工程设计公司新疆油建公司，新疆克拉玛依 834000）

油气站场埋地管网阴极保护案例及对比分析

杨万国，刘同刚，徐风刚，薛 涛

（中石油工程设计公司新疆油建公司，新疆克拉玛依 834000）

油气站场埋地钢制管道及金属构筑物的阴极保护较长输管道复杂，文章结合工程案例并依据投运后的实测数据，对多种保护方案进行了对比分析，指出站场阴极保护与相关专业特别是接地装置的关联度很高，制订保护方案时，要结合以往项目的经验，在充分调研、评估的基础上进行，方案应经相关方会审认可后方可实施，使其既达到阴极保护的目的，又要经济合理并且节能。

站场埋地管网；阴极保护；实施效果；对比

0 引言

油气站场地下管网复杂，金属构筑物众多，各类管道的直径大小不一，弯头、阀门与三通众多，焊口密集，工厂化防腐预制存在诸多困难，现场防腐受设计、施工、材料、环境、气温等影响，特别是除锈质量、作业环境、施工方法、气温、涂料质量等造成管网防腐质量缺陷多，导致站场埋地管网防腐层针孔、鼓包、剥离、脱落、腐蚀问题很突出。但由于受站场接地网 （体）众多、金属构筑物之间的相互影响、保护电流流失情况不确定、经验缺乏等多种因素影响，站场埋地管网往往未采用阴极保护或个别站场虽采用了阴极保护，但效果相差较大。近些年，我们施工过若干长输管道站场及原油储备库等站场的埋地管网阴极保护工程，保护效果参差不齐。如牺牲阳极效果差，传统辅助阳极（浅埋或深井）电流流失严重且电位分布不均匀，柔性阳极效果较理想但施工复杂，造价颇高。本文结合工程案例进行分析，并与同行进行交流。

1 案例及投运效果

1.1 案例一

某大型原油储备库，其一期工程共建10座10万m3的钢制储罐，罐区直埋油管道与消防管道总面积约43 000 m2。油管道外防腐采用涂刷无溶剂环氧涂料、包裹玻璃棉保温、玻璃棉外缠绕玻璃布并涂沥青漆的防腐保温结构；消防管道外防腐采用直接缠绕粘胶带的防腐结构。接地极材质为锌包钢 （类似于锌牺牲阳极），并采用镀锌扁钢将众多的接地极组成联合接地网。土质为砂砾石及卵石混合。阴极保护方案是对站区所有管网、储罐分别采用强制电流保护，见图1。

其中，10座原油储罐罐底外壁分别采用钛阳极网强制电流阴极保护，即每座罐用一台恒电位仪、罐底钛阳极网及8支参比电极 （其中5支硫酸铜、3支高纯锌）组成独立保护系统。单独投运效果良好 （保护电位设定到-1.15 V时，阳极输出电流0.5～3.5 A）。对罐区管网，用4口垂直深度达200 m的深井阳极组成强制电流阴极保护系统，阳极体为贵金属难溶阳极 （每口井9支），但投运效果很不理想。主要表现为：油管道保护电位普遍达不到保护要求 （即电位高于 -0.85 V），而消防管道局部过保护；对相邻油库已正常运行的阴极保护系统造成干扰 （新建油库与相邻原油库多条联络管道的电绝缘不够彻底），使原来设定好的电位变得更低；对10座新储罐的阴极保护系统造成干扰，使10座罐的恒电位仪输出电流几乎为零，个别罐的保护电位比原来设定值更低。罐区埋地管网阴极保护系统投运后的现场实测参数见表1。

表1 现场实测参数

从测试结果看，管网保护电流密度达2.28mA/m2（如果加上罐底面积则为1.05 mA/m2），对于埋地绝缘管道而言已是很高的值，但保护电位并未普遍达到保护要求，特别是油管道。

经多方现场测试与评估认为，消防管道系统相对独立，埋地部分的面积相对小一些，与相关接地金属设施的电绝缘相对彻底，且设置的接地装置相对较少，所以靠近阳极井的区域其保护电位普遍达到保护要求或过保护，如X02、X03、X05、X06测试电位。罐区中间的油管道与消防管道保护电位普遍达不到保护要求，原因是保护电流大部分被罐底和罐区接地网吸收，如Y02、X04测试电位分别为-0.79 V和-0.64 V。Y01、X01为汇流点，X01测试电位达不到保护要求，主要原因是油管道与消防管道均压垮接，电位受油管道的影响，并且通过联络管道与相邻旧站场的管网存在不同程度的电连接，将一部分电流吸 （分流）走。因为消防管道与油管道分别保护时，X01电位可达-0.89V或更低。

我们建议相关方将4口阳极井的电流均提升到40 A（阳极生产厂家明确的最高电流），保护电位会普遍降低 （电位绝对值提高），如果保护电位均低于-0.85 V，局部过保护可采用其他方式改善，也可逐个对接地体进行改造，使其既符合接地保护的要求又能满足阴极保护的要求。但问题是恒电位仪额定功率为50 A/50 V，不可能再提高输出电压来增大输出电流 （超过额定电压或额定电流会自动停机）。所以，该保护系统有待进一步完善后再投运。

运行一年后，因工艺改造，将新、旧站场之间的联络管道全部加装绝缘接头，Y01、X01电位变为-1.01 V、-1.20 V，Y02、Y03变为-0.88 V、-1.17 V，但X04仍然偏高 （-0.76 V）、X06仍然偏低 （-2.64 V），4台恒电位仪输出电流分别为：27.8 A （南侧）、37.6 A （西侧）、21.7 A （北侧）、23.6 A（东侧）。4台恒电位仪的总输出功率达5 kW左右。

1.2 案例二

该原油储备库二期工程新建8座10万m3的钢制储罐，罐区直埋地油管道与消防管道总面积约为29 000 m2。

8座原油储罐罐底外壁阴极保护采用和一期相同的保护方式，而罐区管网则采用柔性阳极强制电流阴极保护。油管道和消防管道外防腐均采用涂无溶剂环氧涂料后再缠绕粘胶带的防腐结构。接地极仍为锌包钢结构， 罐区内G1013、G1014、G1015罐，G1016、G1017、G1018罐，G1019、G1020罐分别设置为3个相对独立的接地网 （实际上很难做到完全独立），其余需要接地的设施就近设置接地极。所有进出站的管道包括一期工程，均采用绝缘接头的方式做到新、老管网的电气绝缘。

柔性阳极与被保护管网最外侧的管道保持同一埋深，并保持相互之间0.3 m的间距进行敷设，阳极上下铺细土并在顶部盖砖。投运效果达到了设计和相关规范的要求，且对已有的阴极保护系统和8座原油储罐罐底外壁阴极保护系统几乎没有影响。见图2。

在图2中，消防管道和油管道相邻的测试桩之间各设置一个接线箱，其中Y04、X07为通电点。油管道与消防管道保护系统可单独运行，也可将两管道采用均压线跨接后统一保护。油管道与消防管道保护系统各自单独投运正常后，通过对管网进行沿线保护电位测量，保护电位均低于-0.85 V。但是在运行期间也发现：沿柔性阳极敷设路由进行管网电位测试，有个别管网测试点的电位偏低（X08），也有个别管网测试点电位偏高 （Y05）。经现场勘验，电位偏低区域土壤含水率过高，回填土干燥的区域则电位偏高，其中的关联关系有待于进一步实践。投运初期的现场实测参数见表2。

表2 现场实测参数

1.3 案例三

一座天然气输配站 （图略）的装置区占地面积约820 m2，装置区埋地主管道及延伸到站外的三条长度分别为47、49、36 m的火炬、排污、放空埋地管道 （采用无溶剂环氧防腐涂料层加聚丙烯网状增强编制纤维胶带复合防腐结构）与占地面积约456 m2的接地网 （镀锌角钢和镀锌扁钢）干线均采用相对独立的柔性阳极保护方案 （各自用一套恒电位仪），柔性阳极沿埋地主管道和主接地扁钢敷设，共用AFLX-1500柔性阳极约764 m，完工后投运效果较理想。埋地管网恒电位仪输出电压2.83 V、电流1.37 A、电位-1.24 V，共设电位测试桩4处，用便携式参比电极测试，分别为-1.22（汇流桩）、-0.93、-1.03、-1.01 V；接地网恒电位仪输出电压3.03 V、电流1.60 A、电位-1.23 V、共设电位测试桩2处，用便携式参比电极测试，分别为-1.22（汇流桩）、-1.11 V。

实际上，埋地管网与接地网关联度很高 （金属连接处很多），将两套保护系统的汇流点用电缆跨接后用一套恒电位仪送电，其保护效果与两套恒电位仪送电没什么本质区别，只是输出电流是两者之和，进一步说明站场接地网与埋地管网阴极保护的关联度很大。

1.4 案例四

某小型原油转油站，站区管网相对简单，且直埋地部分的金属保护体面积不大 （≤1 500 m2，含两座小型储罐），接地装置采用传统镀锌角钢和镀锌扁钢，除站区与站外长输管道采用绝缘法兰外，其余管网与管网之间、管网与金属构筑物之间没有采取电绝缘措施，阴极保护采用几十组镁合金牺牲阳极。整个站场接地网的综合接地电阻为0.9 Ω，牺牲阳极单组接地电阻为32～49 Ω，阳极组空载输出电位平均-1.49 V，输出电流为12.5～42 mA，管网自然电位-0.56～-0.58 V，投运后保护电位与自然电位几乎没差别。原因是管网与金属构筑物接地点太多且不均匀，牺牲阳极组输出电流太小——等同于锌接地极。

2 对比分析

从以上案例看出，对站场埋地管网，采用柔性阳极保护方案的效果明显优于其他保护方式，而且保护电流相对小，电位也更为均匀。而深井阳极保护方式，从能量平衡和保护电流密度的角度看，深井阳极到被保护体之间有大量金属构筑物 （电流吸收体）将保护电流吸收走，使得被保护体得不到保护或完全保护，且保护电流过大。深井阳极与保护体距离不等，被保护设施漏电点多且不均匀，不像长输管道漏电点少且相对均匀。浅埋阳极保护除存在深井阳极类似的问题外 （虽没有实例，可以推断），电位不均匀问题可能更显突出，除非阳极床设置分布广、密度高，数量多。牺牲阳极因输出电流小，用于站场埋地管网保护效果很差。

通过对比分析看出，站场接地网和其他接地金属构筑物对管网阴极保护的影响很大，必须引起足够重视，使其既要符合接地保护的要求，又要满足阴极保护的要求。特别是对于大型站场，除考虑上述因素外，还应考虑电位均匀性问题，如采用均压器件、耦合器件、排流器件使整个管网保护电位更加均匀。

3 结束语

站场特别是大型站场钢制埋地管网阴极保护较长输管道和钢制储罐单独采用阴极保护要复杂得多，应该采用经实践检验成熟且相对经济的保护方案，如柔性阳极和钛阳极带保护方案等，并在此基础上不断完善，使其既达到规范规定的保护要求，又达到节约一次性投资和日后运行费用的目的。关键是在确定保护方案时，应根据被保护管网的面积、走向布置、金属构筑物的分布、接地网的设置、与其他相关装置的相互影响、管网的防腐结构、土质与环境情况、投资概算等因素进行全面考虑，特别是要与工艺、电气、仪表、土建、金属结构等专业进行沟通协调，把可能影响阴极保护的因素尽可能列出来，并根据拟选择的保护方案进行逐个排除，如管网与管网之间的电绝缘、管网与储罐等大型金属构筑物之间的电绝缘、接地极材质与形式、接地网组成、储存与输送介质特性、安全方面的要求等，由相应专业充分考虑上述因素并采取适宜的措施，最终使阴极保护系统达到理想的投运效果，降低恒电位仪的输出电压与输出电流，达到节能的目的。

对于保护面积不大、地下管网相对简单的站场，采用传统辅助阳极 （深井或浅埋）是合适的，虽然保护电流相对大一些，且保护电位不均匀性较明显 （特别是浅埋辅助阳极方式），但相对简单经济。牺牲阳极保护因输出电流小，且牺牲阳极（组）日后容易演变为特殊接地，所以用于站场不合适。面积较大、地下管网与构筑物复杂、受接地网和接地金属构筑物影响明显的站场，应采用柔性阳极或难溶性贵金属阳极带保护，同时将接地网也统一进行阴极保护。

总之，影响站场埋地金属管网阴极保护的因素很多，设计制订保护方案时，要结合以往项目的经验，在调研、沟通、实测的基础上进行方案评估。施工过程必须严格按规范、设计图纸、产品技术文件进行，特别是要与土建、安装、电气等专业沟通协调，把可能产生的问题解决在施工之前，避免日后返工和出现阴极保护投运效果差甚至不能正常投运的现象。

[1]赵常英.输油站场区域阴极保护[J].石油工程建设，2010，（5）：48-50.

Application Cases and Comparative Analysis of Cathodic Protection for Buried Pipelines at Oil and Gas Stations

YANG Wan-guo（Xinjiang Petroleum Construction Company of China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Kelamayi 834000,China），LIU Tong-gang,XU Feng-gang,et al.

Cathodic protection of buried pipelines and metal structures at oil and gas stations is more complicated than that of long-distance pipelines.This paper carries through comparative analysis on several cathodic protection schemes for oil and gas stations based on engineering cases and measured data.It points out that the station cathodic protection is closely associated with corresponding specialties,especially with grounding devices；formulating protection schemes should refer to the experience from previous projects and be on the basis of sufficient investigation and evaluation；scheme should be implemented after making a joint checkup and authorization in order to realize its cathodic protection function and save cost and energy.

buried pipeline at station;cathodic protection;implementation effect;comparison

TE988

B

1001－2206（2011）05－0046－04

作者介绍：杨万国 （1961-），男，甘肃武威人，高级工程师，注册自动化系统工程师，1981年毕业于兰州石油学校自动化仪表专业，后在职依次取得专科、本科学历，一直从事电气、仪表、通信、阴极保护工程施工及管理工作。

2010-10-08；

2011-06-01