油气厂站区域性阴极保护体系构建与探讨

王林强,安 超,张 琪,贾海民,熊新民,甘小平

(1. 塔里木油田塔北勘探开发项目经理部,库尔勒 841000; 2. 塔里木油田天然气事业部,库尔勒 841000)

油气厂站区域性阴极保护体系构建与探讨

王林强1,安 超2,张 琪1,贾海民1,熊新民1,甘小平1

(1. 塔里木油田塔北勘探开发项目经理部,库尔勒 841000; 2. 塔里木油田天然气事业部,库尔勒 841000)

以某联合站和某天然气处理厂的区域性阴极保护为例，从源头设计和施工技术方面探讨油气厂站区域性阴极保护体系构建中的差异性及注意事项，补充牺牲阳极块的设置原则，探索区域性阴极保护的最佳保护效果。

区域性阴极保护；构建；探讨

区域性阴极保护主要是对集中在某一区域内的多个埋地金属结构以及主要集中在埋地管网较为密集的区域的保护技术[1]，是阴极保护技术的一种应用特例。如综合性的联合站、天然气处理厂等场所，保护对象为区域内的复合体。20世纪60年代国外开始进行区域性阴极保护的研究和应用，80年代初我国开始在油田和部分输油站尝试采用区域性阴极保护技术，90年代中后期区域性阴极保护技术相对成熟并逐步推广应用。国内外阴极保护工程实践证明，对输油泵站、油库罐区及油气集输联合站等采用区域性阴极保护技术比单管涂层防腐蚀技术和牺牲阳极技术更加有效[2-6]。实施区域性阴极保护后的油气厂站，可在很大程度上减缓金属设施的腐蚀，延长设施大修周期, 其经济效益和社会效益相当可观。

1　阴极保护

阴极保护是给受保护金属结构补充大量的电子，使被保护金属结构整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。一般对于小型或处于低土壤电阻率环境中(土壤电阻率小于100 Ω·m)的金属结构，如：城市管网、小型储罐等采取牺牲阳极的保护方式(见图1)；而对于大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等采用外加电流的保护方式(见图2)。

图1　牺牲阳极保护Fig. 1　Sacrificial anode protection

区域性阴极保护技术依靠牺牲阳极、外加电流保护方式的合理布局，保护电流的自由分配以及与相邻设备的绝缘措施，使被保护对象处于规定保护电位之内。区域性阴极保护过程中应结合规范，抓住重点，进行主次分明的保护。根据国内外的实践经验，在进行区域性阴极保护过程中应将阴极保护对象集中在储油罐底板、其次是埋地和地沟管线、以及相关设备。技术的难点在于如何依据实际情况，采用合理的布局设计和施工技术以达到最佳的阴极保护效果。

图2　外加电流保护Fig. 2　Applied current protection

2　区域性阴极保护体系

2.1外加电流保护

某联合站区域性阴极保护设立8座阴极保护站布局图(见图3)，设置11个通电点(见表1)对埋地非板式基础储罐、集中在埋地管网、罐体间直接相连的接地极、外输油气管道以及集油干线采阴极保护措施。而某天然处理厂区域性阴极保护建立2座阴极保护站布局相对简单，仅设置2个通电点(见表2)对原料气管道上的绝缘接头外侧的管道和厂外阀室内外输气管道上的绝缘接头之外的管道采取保护措施。阴极保护站主要由提供保护电流的阴极保护电源设备、站外阳极地床、阴极保护通电点及参比电极、各类连接电缆和电绝缘装置等组成。

从表1和表2可以看出，针对不同的腐蚀介质和保护对象，区域性阴极保护构建时联合站通电点保护对象涵盖储罐、管道，保护对象较为复杂，而天然气处理厂区域性阴极保护相对简单，布局上也是简单“一进一出”模式。

2.1.1 阳极地床

某联合站区域内设置8座组合式闭孔深井混合金属氧化物阳极地床。阳极井井口直径400 mm，设计深度80 m，接地电阻≤1.5 Ω。辅助阳极地床的位置应尽量设在土壤电阻率低于50 Ω·m处。阳极地床深度和位置地床选址注意以下因素：

(1) 地床与被保护管道、设备距离不宜小于50 m；

表1　某联合站阴极保护站通电点分布Tab. 1　The layout of cathodic protection power supply points in a union station

表2　某天然气处理厂阴极保护站通电点分布Tab. 2　The layout of cathodic protection power supply points in a natural gas plant

(2) 地床应避免设在存在有害物质(碳氢化合物、重金属盐和盐水等)污染的区域；

(3) 阳极井开口位置应高出洪水位；

(4) 土层厚、无石块，便于施工；

(5) 地势低洼，地下无金属构筑物的地方。

天然气处理厂区域内阴极保护站采用水平浅埋式阳极地床，阳极地床埋设在距地表1～5 m的土层中的厂外。其埋设深度位置和地床选址原则为：

(1) 水平浅埋连续式阳极地床采用加铬高硅铸铁辅助阳极。高硅铸铁阳极易碎、易断裂，凡断裂后不得再用；

(2) 阳极引出电缆与阳极的接触电阻应小于0.01 Ω；拉脱力数值应大于阳极自身质量的1.5倍；

(3) 接头应密封可靠，阳极采用水平浅埋式阳极。

2.1.2 参比电极

对于联合站内区域中的埋地非板式储罐罐底板下均埋设2支长效Cu/CuSO4参比电极做为基准电位点，用于测量保护结构体点位。区域内参比电极埋设情况见表3。其埋设要求如下：

(1) 将Cu/CuSO4参比电极预先用蒸馏水或淡水配制的饱和CuSO4溶液中浸泡24 h，应注意电极完全浸没于溶液中；

(2) 把装有回填料的包装袋打开，将浸没电极的CuSO4溶液倒入其中，用溶液把填料搅拌成均匀稠泥状，再将浸泡过的电极埋设于回填料中央，扎好包装袋，注意预留出导线；

(3) 在指定位置砂垫层中挖好长宽各500 mm，深250 mm的砂坑，将泡好的参比电极连同回填料置于预挖的埋设坑中，再向坑中填细砂，并向坑中浇适量淡水，保证电极与周围砂层之间的导电性；

(4) 参比电极埋设完毕后，将参比电极引出电缆按指定方向在砂垫层中开挖电缆沟，电缆沟深度100 mm，参比电极引出电缆敷设完成后在电缆沟内填充工程细砂；

(5) 参比电极引出电缆沿测试桩内电缆套管直接连入接线板的接线柱。

表3　某联合站储罐参比电极Tab. 3　The reference electrode of tank in a union station

天然气处理厂区域中长效Cu/CuSO4参比电极通常埋设在通电点附近的冻土层以下,见表4，外用棉布袋装填填包料，参比电极置于填包料中间，每袋填包料为膨润土20 kg，填包料应充分浸水湿润，参比电极周围应用细土回填。为了确保参比电极的正常工作，参比电极顶部需要安装一根PVC管，上盖配套的PVC地漏，并略低于地面，管内填充细砂至地面高度，以方便运行维护中定期灌水，保持长效硫酸铜参比电极处于湿润的土壤环境中。

表4　某天然气处理厂参比电极Tab. 4　The reference electrode in a natural gas plant

从表3和表4可以看出，相比较天然气处理厂区域性阴极保护体系的相对集中、管网单一，联合站区域性阴极保护对象涵盖储罐板底和埋地管线，区域相对分散等因素对源头优化设计和施工提出较高要求。

2.1.3 测试桩

联合站区域性阴极保护电位测试桩安装在距储罐罐底边缘1.5 m处，与管道连接的区域性阴极保护电位测试桩设置在距管道中心线1.5 m处。而天然气处理厂在绝缘接头安装处设置绝缘接头测试桩，方便检测绝缘接头的绝缘性能。测试导线采用双芯电缆，采用双焊点铝热焊与管道连接。各焊点与通电点焊点、绝缘接头保护设施(避雷器)焊点的相对。

2.2极化电位

极化电位ΔE为被保护结构体施加阴极保护电流后，管道对地电位向负值方向移动形成保护电位E与在断电状态下被保护结构体的对地自然电位Ek之间的差值。即：ΔE=│E-Ek│。保护电位的确定依据以下3个原则：

(1) 一般情况下自然电位在-550～750 mV时，被保护管段对地保护电位E=-850 mV(Cu/CuSO4参比电极,下同) ，即可处于较好的保护状态；

(2) 当对保护地电位不在这个范围内时，被保护管段极化电位ΔE最低要达到100 mV，以保证足够的阴极极化；

(3) 对地保护电位E不得超过-1 500 mV；对地电位超过-1 500 mV以后，有产生电解或阴极剥离的可能性，为防止这种情况的发生，将对地电位确定为向负向极化不超过-1 200 mV。

极化电位的测试方法如下：将阴保系统停运行，测被保护结构体的对地自然腐蚀电位Ek得出一组数据；恒电位仪打开后，测得处于通电状态测被保护结构体的保护电位E。将Ek和E两组数据进行对比分析，保护电位在预设范围内就为正常，否则就要重新调试。在有测试片的情况下，以测试片的值作为Ek；有绝缘接头正常的情况下，也可以未保护端的电位为Ek。

下列情况要及时调整参数设置：

(1) 四季气候发生变化，雨季、旱季、汛期等情况下管道的自然腐蚀电位Ek也在发生变化，这样就需要进行参数的调整。

(2) 当进行管道维护作业时，被保护体的总面积出现了变化(焊接、搭接、割除管道)或外防腐蚀层质量出现变化，就要重新设置参数。

(3) 在条件许可的情况下，可记录当地的气候变化，记录内容为气温、降水量。根据当地季节变化，在测试自然腐蚀电位的基础上，进行参数调整。

从表5和表6可以看出，无论是油气储运设备众多的联合站，还是设备相对简单的天然气处理厂，采用外加电流阴极保护结构体时控制电位的选择均在-1 200～-850 mV。而恒电位仪因保护构筑体不同，输出电流、电压波动较大。

表5　某联合站阴极保护测试桩Tab. 5　Cathodic protection test piles in a union station

表6　某天然气处理厂阴极保护测试桩Tab. 6　Cathodic protection test piles in a natural gas plant

2.3牺牲阳极保护

在区域性外加电流阴极保护的基础上，根据工程实际施工中，对于达不到保护电位的被保护结构体采用牺牲阳极块补充阴极保护。牺牲阳极块埋在结构体两侧，牺牲阳极块距离被保护结构体外壁3～5 m，最小不宜小于0.5 m，同侧阳极间距2～3 m。牺牲阳极采用卧式埋设冻土层以下，低于结构体底部至少0.5 m。阳极通过测试桩与结构体连接，具体位置可根据现场情况进行调整。

对于小型储罐、腐蚀速率较快的储罐也考虑设计牺牲阳极块。

3　结论与探讨

针对不同区域内的阴极保护结构体的差异，区域性油气厂站阴极保护体系构建时会综合考虑外加电流与牺牲阳极两种方式的有效结合，已达到被保护结构体金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

区域性阴极保护是将整个区域内的所有地下金属结构体全部纳入保护范畴,不论是联合站还是天然气处理厂在区域性阴极保护设计时都会统筹考虑阳极地床、参比电极、测试桩以及通电点的选取安置，补充牺牲阳极块问题。在油气厂站区域性阴极保护体系构建中联合站保护电流通常较大，不同通电点之间的区位选择、参比电极埋设都会对保护系统的电流造成干扰；接地设施与埋地管道、钢筋混凝土基础的接触，使该区域内土壤中产生电位梯度，形成屏蔽效应。而天然气处理厂实施阴极保护相对简单,保护电流通常较小,一般不会对站内管道金属结构造成明显干扰合屏蔽。

[1]天津大学物理化学教研室编. 物理化学[M]. 北京:高等教育出版社,1993.

[2]张金珠,杜艳霞. 深海油气开发应用阴极保护技术面临的几点问题[J]. 腐蚀科学与防护技术,2012,24(1):71-73.

[3]陈洪源,范志刚,刘玲莉,等. 区域性阴极保护技术在输气战场中的应用[J]. 油气储运,2005,24(5):41-44.

[4]杜艳霞,张国忠. 输油泵站区域性阴极保护实施中的问题[J]. 腐蚀与防护,2006,27(8):417-419.

[5]刘玲莉,陈洪源,刘明辉,等. 输油气站区阴极保护中的干扰与屏蔽[J]. 管道技术与设备,2005,2:31-33.

[6]王燕. 某油库区域阴极保护实践[J]. 腐蚀与防护,2011,32(7):562-564.

Structure and Discussion of Regional Cathodic Protection System in Oil-gas Stations

WANG Lin-qiang1, AN Chao2, ZHANG Qi1, JIA Hai-min1, XIONG Xin-ming1, GAN Xiao-ping1

(1. Taber Exploration & Development Administration Department of Tarim Oilfield, Korla 841000, China;2. Natural Gas Department of Tarim Oilfield, Korla 841000, China)

Regional cathodic protection is a corrosion protection technology which is mainly used in intensive areas of underground pipe network and mesh metal structures. When a regional cathodic protection system in oil-gas stations is constructed, the protected objects are not a single one but a complex system which consists of crossed underground pipe network, grounding network and tank bottom. The regional cathodic protection systems in a union station and in a natural gas plant are compared, the difference of regional cathodic protection systems are discussed from the design and construction technology, the setting principle of sacrificial anode block is peresented. The best protection effect of regional cathodic protection is explored.

regional catodic protection; structure; discussion

10.11973/fsyfh-201510018

2014-10-23

王林强(1988-),工程师,学士,从事油气田地面工艺管理、防腐蚀技术工作,13999619368,qlw10@sina.com

TG174.41

B

1005-748X(2015)10-0986-04