浅述输油管线阴极保护方案设计

朱浩(北京中航油工程建设有限公司,北京 100621)



浅述输油管线阴极保护方案设计

朱浩
(北京中航油工程建设有限公司,北京 100621)

【摘 要】阴极保护技术作为油气长输管线工程中必不可缺的一部分,能够有效的抑制土壤对油气管道的腐蚀,极大的提高了油气长输管线运行寿命。本文结合广州场外航煤输油管线工程采用的以强制电流为主、牺牲阳极为辅的阴极保护方案,从设计的角度讨论了阴极保护方案设计时需要考虑的因素,方案参数计算方法以及杂散电流的影响因素及防治措施。

【关键词】输油管线 强制电流保护 牺牲阳极保护 杂散电流

1 概述

阴极保护作为防止金属腐蚀的有效技术，自1965年引入国内，经过40 多年的发展，目前已发展成熟，取得了显著的经济效益，在油气长输管线上得到广泛的应用。阴极保护技术主要分为强制电流法和牺牲阳极法，广州场外航煤输油管线工程采用的强制电流为主，牺牲阳极为辅的方案。

2 阴极保护原理

埋地金属管道腐蚀主要为电化学腐蚀，分析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种类型[1]，主要原理如下:

(1)析氢腐蚀。

阳极反应(Fe):Fe =Fe2++e-Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+正极(杂质):2H++2e-=H2

电池反应:Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2，即析氢腐蚀。(2)吸氧腐蚀。

负极(Fe):Fe=Fe2++2e-

正极:O2+2H2O+4e-=4OH-

总反应:2Fe+O2+2H2O=2 Fe(OH)2，即吸氧腐蚀。

强制电流法和牺牲阳极法共同的特点是给管道提供电流，避免金属管道因电子流失而发生腐蚀。管道阴极保护电位应为-850 mV或更负，阴极保护状态下管道的极限电位不能比-1200mV(CSE)更负，避免保护电位不足或过负。此外，上述保护电位准则难以达到时，可采用阴极极化电位差大于100mV作为判断依据[2]。

3 阴极保护设计原则及方法

3.1阴极保护方案

3.1.1 阴极保护方案比较

强制电流法保护范围大、输出电流可调节、不受环境介质影响、保护装置寿命长、工程越大越经济，但需要外部电源、对附近金属构筑物干扰大且维护管理量大。

牺牲阳极法无需外部电源、对附近构筑物干扰很小、保护电流分布均匀、投产调试后无需管理、工程越小越经济，但保护电流不可测、高电阻环境不宜使用、对防腐层质量要求较高、投产调试工作复杂[3]。

广州场外航煤输油管线(简称“场外管线”，下同)工程采用以强制电流为主，牺牲阳极为辅的阴极保护方案。

3.1.2 设计考虑因素

管线参数:采用L360钢材，一般段直缝电阻焊Φ406.4×8.0，穿越段直缝埋弧焊钢管Φ406.4×8.8，设计压力8MPa，常温输送航空煤油，钢管外防腐采用加强级3PE；

土壤电阻率:大部分地段200Ω.m左右；

杂散电流:管道沿线有高压线和电气化铁路；

设计保护年限:40年；

保护电位:消除土壤IR降的前提下，管/地电位达到-0.85V或更负(CSE)；或在阴极保护极化形成或衰减过程中，阴极极化电位差值最小为100mV。

3.2 阴极保护计算方法

阴极保护计算是阴极保护的核心技术，指导阴极保护设计和运行，计算方法参考GB/T 21448-2008，以场外管线阴极保护方案为例进行说明。

3.2.1 强制电流保护[2]

(1)保护长度计算。

式中:L—单侧管道保护长度，m；

△V—最大与最小保护电位之差，V；

D—管道外径，m；

JS—保护电流密度，A/m2，取值0.00002；

RS—管道线电阻，Ω/m；

ρT—钢管电阻率，Ω·mm2/m；

δ—管道壁厚，mm。

经计算，管道单侧保护长度为45km。

(2)保护电流计算。

按照被保护对象的实际面积和选取的保护电流密度，计算保护电流:

式中:I0—单侧管道保护电流，A；

Dp—管道外径，m；

Js—保护电流密度，A/m2；

L—保护管道长度，m。

(3)单支水平式辅助阳极接地电阻计算。

本工程设计采用高硅铸铁阳极，预包装阳极组尺寸规格为Φ 219×2000mm。阳极地床为浅埋阳极，埋设深度1.5米。阳极地床位置选取低洼、低电阻率区域，距管道垂直距离应不小于300m。

式中:Ra—水平式辅助阳极接地电阻，Ω；

ρ—土壤电阻率，Ω·m，取值为150；

La—辅助阳极长度(含填料)，m；

Da—辅助阳极直径(含填料)，m。

(4)阳极地床接地电阻计算。

式中:Rz—阳极地床接地电阻，Ω；

Ra—单支水平式辅助阳极接地电阻，Ω；

F—辅助阳极电阻修正系数；

n—辅助阳极支数。

(5)电源系统及阳极地床。

式中:P—电源功率，W；

I—保护电流，A；

V—电源设备的输出电压，V；

η—电源设备效率，一般取0.7；

RZ—辅助阳极接地电阻，Ω；

R1—导线电阻，Ω；

RC—阴极过渡电阻，Ω；

Vr—辅助阳极地床的反电动势，V；焦炭填充时取Vr=2V；

α—管道衰减因素，m-1；

L—被保护管道长度，m；

rt—管道线电阻，Ω/m；

Rt—防腐层过渡电阻率，Ω·m；

I0—单侧保护电流，A。

经计算，电源输出电流为1.79 A，输出电压为8.9V，输出功率22.74W。电源设备不能满负荷运行，本设计裕量取50%。

3.2.2 牺牲阳极保护

对于河流、公路的穿越段采用牺牲阳极作为增补措施，在河流和公路定向钻穿越部位两端各增设4支镁合金牺牲阳极。在此不做详细的计算。初步估算一般取全线10%的作为保护长度，根据所需的保护电流以及单支牺牲阳极的发电电流，计算出所需的牺牲阳极数量。

3.3 杂散电流的影响因素及措施

防护杂散电流腐蚀一般采取“以防为主， 以排为辅， 防排结合， 加强监测”的综合防护措施。杂散电流大小的基本趋势是外加电流越小、土壤电阻率越大、管线埋深和水平距离越大、防腐层破损越小，对应的杂散电流越小[3]，从如下几方面考虑杂散电流的防治措施:

(1)在条件准许的情况下，增加埋地管线与杂散电流电流源(如地铁、电气化铁路、输变线路、城市、工厂等杂散电流干扰源)平行及交叉距离[4]；(2)对于有杂散电流干扰段埋地金属管线，管沟回填时换填电阻率较大的土壤；(3)采取绝缘性能好(如3PE)防腐层，选择可靠的补口防腐材料(如聚乙烯热收缩套)和施工工艺，对下沟回填的管线进行电火花检测，及时修补有缺陷的防腐层[5]。(4)根据杂散电流的强度采取合理的排流措施，场外管线采用“固态去耦合器+裸铜线排流床”的排流方法。

4 结语

在长输管线阴极保护设计，通常采用强制电流保护为主，牺牲阳极为辅的方案。在确定路由时，需要明确周边杂散电流源的情况(如地下电缆、输油输气管线、高压电塔、变电站以及电气化铁路等)，在条件准许时增加安全距离。在设计计算时，根据保护电位、防腐层种类、管材、土壤电阻率、电流保护密度等确定设计参数。此外，还需注意牺牲阳极材料、套管屏蔽、绝缘法兰干扰以及参比电极等问题，使阴极保护能达到最佳效果[6]。

参考文献:

[1]杜秀玲,吴希革,李楠.浅谈埋地钢质管道阴极保护对3PE涂层的影响.腐蚀与防护.2007.5.

[2]GB/T21448-2008.埋地钢质管道阴极保护技术规范.

[3]曹阿林.埋地金属管线的杂散电流腐蚀防护研究(博士学位论文).重庆:重庆大学材料科学与工程学院,2010.

[4]宋吟蔚,王新华,何存富 等.埋地钢质管道杂散电流腐蚀研究现状.腐蚀与防护,2009:517-518.

[5]胡士信.管道阴极保护技术现状及展望[J].腐蚀与防护,2004,25 (3):93-101.

[6]王芷芳,王健.阴极保护工程设计中的若干问题.腐蚀与防护,2000: 164-166.

作者简介:朱浩(1988—),男,湖北武汉人,硕士研究生,助理工程师,从事输油管道设计工作。