王家沟油库区域阴极保护设计

赵常英，朱家祥，周冰，贾光猛，秦海燕

1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062552

2.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

王家沟油库区域阴极保护设计

赵常英1，朱家祥1，周冰2，贾光猛1，秦海燕1

1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062552

2.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

王家沟油库具有建设时间跨度大，区域面积大，储罐数量多，管网分布密集，防腐层种类多样且失效严重的特点。根据王家沟油库的特点，对其防腐层失效、接地极面积大导致的阴极保护电流需要量大，存在电位偏正的低电阻模块、土壤电阻率差别大易产生偏流、屏蔽，阳极安装受限等不利因素进行了详细分析，采用现场馈电试验、数值模拟计算等方式，对深井阳极地床、浅埋阳极地床、线性阳极地床等方案进行了筛选，优化选择出适合该项目的浅埋阳极地床类型和分布位置，并使整个库区监测点保护电位达标率达到94%以上。主要介绍王家沟油库阴极保护的设计要点及实施效果。

区域阴极保护；阳极地床；王家沟油库

1 项目概况

王家沟油库始建于1961年，现有4个罐区，共有各类储罐64座，储罐罐容从1 000 m3到5万m3不等，其中32座储罐罐底外壁已采用网状阳极进行强制电流阴极保护。据调查，库区内各种规格的埋地工艺管道总长度约91.53 km，仅有4.9 km实施了阴极保护。库区内还有超过2万m镀锌扁钢和300只低电阻模块等各类接地体。王家沟油库建设时间跨度大，管道敷设年限较早，有相当一部分外防腐层已失效。区域阴极保护存在以下不利因素：

（1）管道及储罐数量多，接地极面积大，管道防腐层绝缘性能差异大，甚至有的管道防腐层已完全失效，因此需要阴极保护电流量大。

（2）接地极种类多，存在电位偏正的低电阻模块，且水平及分层土壤电阻率差别大，2 m深土壤电阻率为40～151 Ω·m，4 m深土壤电阻率超出电阻测试仪量程，易产生阴极保护电流偏流、屏蔽。

（3）库区内管道及罐体自腐蚀电位差别大，在-0.37～-0.59 V，对阴极保护电流需求量不同。

（4）罐区及工艺区附近管网密集，造成阳极地床安装位置受限。

（5）带有阴极保护的线路横穿管道，如果地床设置不合理，会造成不同阴极保护系统间的相互干扰。

2 设计思路

2.1 阴极保护方式选择

牺牲阳极输出电流小，保护距离短，保护电流输出量不易调节，在区域保护对象难以估计的情况下，保护范围有限[1]。对于王家沟油库这种占地面积大、金属构筑物复杂的区域保护对象，所需保护电流多，牺牲阳极难以提供足够的电流。王家沟油库大部分区域土壤电阻率高于150 Ω·m，当土壤电阻率大于150 Ω·m时，不宜采用牺牲阳极形式，因此本工程采用强制电流阴极保护。立足现场条件，充分利用已有的阴极保护设施，将阴极保护区域按罐区进行了大的区域划分，分成了4个区域。在每个区域内又将储罐、管网划分成不同的小区域，每个小区域都由独立可调的恒电位仪设备供电。

2.2 地床选择

用于区域阴极保护的阳极地床分为深井阳极地床、浅埋阳极地床和线性阳极地床3种[2]。

2.2.1 深井阳极地床

深井阳极可有效地均衡保护电流分布，避免屏蔽和最大限度地消除干扰，尤其当地表空间小或地表土壤电阻率高时，深井阳极因其接地电阻小、占地少的优势是一个很好的选择。在区域阴极保护系统设计上，深井阳极地床倾向于把保护对象整体化，但由于屏蔽效应，保护区域边缘极化度较高，中心则因管道及接地体密集而极化程度较低。

在南库区罐区内开展了深井阳极馈电实验，实地打了1口80 m深井，安装了12只高硅铸铁阳极。经测试，阳极地床接地电阻2.55 Ω，距离阳极井越远，保护电位越正，阳极井在南罐区内，其北侧隔路就是火车栈桥，栈桥铁轨通电电位-0.92～-1.52 V，栈桥附近的接地模块电位-0.72～-0.8 V，而南防火堤外靠近阳极井附近的管道电位-0.88～-1.68 V，阳极井附近地电位梯度分布以北侧的为最大，阴极保护电流流向铁轨最多。深井阳极输出的大部分电流被裸露的钢构件吸收，导致远端的管网很难得到足够的保护电流。而深井附近的密集管网，其电流分布（见图1）较均匀。对深井阳极附近的8条管道进行测试，它们的电位数值相近，为-0.948～0.957 V，基本不存在屏蔽。

图1 南库区深井阳极安装位置及电位分布情况

对于区域阴极保护，仅靠现场经验与传统技术难以合理确定深井阳极的位置及深度，将数值计算方法应用于阴极保护模拟计算的技术不仅降低了研究成本，还为站场阴极保护问题的解决提供了新途径[3]。根据王家沟油库管道的分布、走向及空置土地的分布，开展了数值模拟计算。初步设计了四种深井阳极分布方式，分别设置15、26、158和198口深井阳极，模拟不同分布方式下库区内埋地管道阴极保护电位的分布状况。深井阳极直径为150 mm，有效埋深为50～100 m，15口深井阳极，阴极保护电流总输出为225 A。在该阳极分布条件下，埋地管道阴极保护电位达到最小阴保电位-850 mV以上的管道只有极少部分，绝大多数的管道都是处于欠保护状态。深井阳极中释放的阴保电流绝大多数都被接地系统及储罐底板所吸收，受极保护护的管道吸收到的电流极少，其电位分布云图见图2。

图2 阴极保护电位模拟分布（15口深井阳极地床）

通过连续增加阳极井数量，与埋设15口深井阳极地床相比，埋设26口深井阳极地床的埋地管道阴极保护电位达到-850 mV以上的范围变大，但是总体上仍只有极少部分管道达到保护电位；在埋设有158口深井阳极条件下，埋地管道阴极保护电位达到-850 mV以下的管道范围变大很多，但处于接地极附近罐区内的管道大部分处于欠保护状态，而附近无接地极的埋地管道则处于过保护状态；在埋设有198口深井阳极条件下，埋地管道阴极保护电位达到-850 mV以的范围进一步增大，但仍需更多的阳极，此时总输出电流高达1 086 A，并出现严重的偏流现象，靠近阳极井附近的管道，保护电位已达到-1.9 V，超过标准规定的-1.2 V，但远离深井阳极处仍存在保护电位不足的管道，其电位分布云图如图3所示。上述情况表明，深井阳极很难兼顾好各个区域的阴极保护效果。

图3 阴极保护电位模拟分布（198口深井阳极地床）

从现场试验和模拟计算结果可以看出，库内的接地系统吸收了绝大多数的阴极保护电流，为了使更大区域的管道得到有效保护，需要相当数量的深井阳极地床。增加深井阳极地床的数量，一方面增大了工程投资，另一方面受保护管道发生过保护的风险也会增加。因此，在王家沟油库内单独采用深井阳极外加电流方案来保护埋地管道是不经济、不可取的。

2.2.2 浅埋阳极地床

因库区内2 m深左右区域的土壤电阻率较低，为浅埋阳极创造了条件。当阳极与管道距离小于近阳极点时，保护电位主要由阳极电位决定，在规定最小保护电位EP下，以达到最大保护长度L作为阳极位置的优化目标，计算阳极与管道的最小距离[4]。

在现场做了10组浅埋阳极馈电试验，每组阳极间距3～5 m，在靠近阳极的位置，管道较易得到保护，而距离较远处，保护电位不足，需要布设更多的阳极使其得到保护。在三条并行管道处进行测试，靠近阳极位置，电位偏负，存在一定的屏蔽作用。

通过数值模拟计算，设计了浅埋阳极分布方式，模拟阳极数量不同、间距不同条件下库区内埋地管道阴极保护电位的分布。为使库区内所有管网及未做阴极保护的罐底得到保护，沿管道和储罐周围需立式安装1577只浅埋高硅铸铁阳极，阳极间距3～5m，个别单根管处距离为20 m。在雅安库，罐区内为1 000 m3储罐，且储罐底部未安装网状阳极，采用在罐区防火堤内埋设浅埋阳极进行保护，其电位分见图4。

图4 1577只浅埋阳极地床埋地管道阴极保护电位模拟分布

2.2.3 线性阳极地床

线性阳极为近阳极，距被保护构筑物距离较近，沿长度方向分布，电流能优先流到最近的构筑物上使之得到保护，很少出现大量电流流向其他埋地构筑物而造成浪费，并产生干扰的现象[5]，即使接地极会吸收部分电流，但由于管道靠近阳极，还是有大部分电流会流向管道。

王家沟油库是改造项目，线性阳极不仅材料费高，其施工安装费也非常高，库区内均为在役管道，管道附近埋设有电缆、光缆，埋设线性阳极需沿管道进行人工开挖，并安装于距离管道3～5 m处，全场区91.35 km的管道，埋深从1.5～5 m不等，线性阳极的安装施工费高昂，而且有挖断电缆、光缆甚至管道的风险。线性阳极的另一劣势是油库会不断地进行后期改造，如果管道、电缆等隐蔽工程开挖不慎，会造成挖断线性阳极，因此该方案未被采纳。

3 设计方案

根据馈电试验和数值模拟结果，提出如下设计方案：

王家沟油库区域阴极保护共新增恒电位仪（75 V/50 A）35台，浅埋高硅铸铁阳极1 577只，每只阳极可输出电流0.6～0.8 A。每台恒电位仪接4个阳极防爆接线箱，1个防爆接线箱连接4～5组高硅铸铁阳极（每组4只）。为监测保护效果，设置131个智能电位采集仪，可将采集电位通过射频方式上传至现有的专家系统。将所有的接地模块更换为锌包钢。

在区域阴极保护中，被保护体的跨接十分必要。一般土壤电阻率通常在103～106Ω·cm，而金属电阻率在10-5～10-6Ω·cm，其比值为10-8～10-12，一个横截面积为0.01 m2的金属导体等价于电阻率为106Ω·cm、横截面积为1 010 m2的土壤，可见大地中的金属构筑物是具有很强吸引电流的载体。当保护电流在土壤内因电阻过大难以流向被保护管道时，通过导线跨接，可以大大缩短电流路径，使被保护体电流密度增加，电位得到有效降低，因此为保证阴极保护电流均匀分布，在管网密集处设计了大量的跨接。

4 实施情况

王家沟油库已施工完毕，处于最终调试期，具体实施与初步设计有所不同：初步设计要求将模块接地极更换为锌接地，因现场模块接地极位置无法探测，所以未做更换；初步设计考虑阳极垂直埋设，为减少土方，拟用钻孔方式，但场区内管网实际位置无法准确探测，钻孔有钻透管道或损坏电缆的风险，因此改用人工开挖，阳极改为水平埋设，埋深约2 m。

2015年7月对南库区进行了预验收，通过现场调试，在罐区周围减少阳极15只；在南侧管廊带处，管道长约100 m，阳极间隔20 m，保护电位不足，因此在13 m及67 m处增加了2只阳极。南库区均能满足阴极保护准则要求的断电电位-0.75 V（该罐区土壤电阻率＞100 Ω·m）或100 mV要求。

2016年1月对王家沟油库整体进行了初步调试，92%的区域得到了正常保护，8%部位存在欠保护。欠保护区域主要是距离阳极较远或出现了屏蔽的管网密集区域。新增恒电位仪的输出总电流为128.7 A，原有的恒电位仪输出总电流为49.7 A，合计178.4 A，模拟推算所需电流298 A，馈电推算所需电流292 A，实际电流值低于这两种计算值。通过现场测试，不同位置的阳极输出电流也不均衡，单只阳极输出电流为0.1～0.4 A。

2016年3月至7月连续对王家沟油库进行调试和整改，欠保护部位增加了阴极跨接点并补设阳极。截止7月中旬，系统调试电位达标率达到97.9%，整个内测试电位不存在欠保护区域，但有2.1%的电位为过保护区域，新增恒电位仪的输出总电流为111.3 A，原有恒电位仪的输出总电流为58.6 A，系统整改之后恒电位仪的输出电流变化不大。补加阳极使整个电流电位分布更加均匀，以前需要更大电流输出才能达到保护要求的区域，通过补加近阳极，使该区域阳极地床接地电阻减小，在同等条件下能获得更多的保护电流，所以在欠保护区域增加阳极之后新建系统的恒电位仪总电流输出有所降低，而原有的系统电流需求量上升主要是因为该部分电位有一部分处于欠保护的状态。最终的电流需求量待调试后或许有微小变化，目前系统调试电位达标率达到94.6%。

5 结论及建议

区域阴极保护设计应根据库区的特点，重点考虑阴极保护区域的划分、阳极地床的选择和位置的确定。

（1）对于类似王家沟这样的特大型库区，采用模拟计算与现场调试相结合的方式设计区域阴极保护更为切合实际。

（2）区域阴极保护管道之间的跨接十分必要，可直接改变因土壤电阻率不同、管道防腐层绝缘性差异、电流衰减等造成电流不均的现象，达到电流重新分布的目的。

（3）王家沟管网采用浅埋阳极，系统调试电位达标率随季节有少许变化，达到94.6%～97.9%，实践证明采用浅埋阳极这种近阳极的方式取得了预期的保护效果。

[1]马含悦，杜磊，杨阳，等.区域阴极保护技术概况及其发展[J].腐蚀与防护，2014，35（5）：425-429.

[2]李海坤，谢涛，王颖，等.区域阴极保护实践与分析[J].天然气与石油，2013，31（2）：73-75.

[3]杜炘洁.站场区域阴极保护数值模拟技术研究[D].成都：西南石油大学，2013.

[4]翁永基.阴极保护设计中的模型研究及其应用[J].腐蚀科学与防护技术，1999，11（2）：99-110.

[5]程明，屠海波，张平，等.线性阳极在阳曲压气站区域性阴极保护中的应用.腐蚀与防护，2012，33（4）：338-341.

Design ofregionalcathodic protection for Wangjiagou OilDepot

ZHAO Changying1，ZHU Jiaxiang1，ZHOU Bing2，JIAGuangmeng1，QIN Haiyan1
1.China Petroleum Engineering HuabeiCompany，Renqiu 062552，China
2.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

Wangjiagou OilDepot has the features oflong construction time span，large regionalarea，large numberofstorage tanks，dense pipeline network distribution and various coatings with serious failure.According to the characteristics of Wangjiagou Oil Depot，this paper analyzes in detail the negative factors as follows：A lot of cathodic protection current is required because of the failure of anticorrosive coating and the large ground area；Bias current and shield are easily produced because of the presence of low resistance module with positive potential and different soil resistivity；Installation of anode bed is limited.Furthermore，through field feeding experiment and numericalsimulation，deep wellanode，shallow buried anode and flexible anode are screened and the type of shallow buried anode and the distributive location are optimally selected.Ultimately，protection potentials of more than 94%monitoring points met requirements.The key points of the design for cathodic protection of the oildepot and the implementation effect are mainly introduced.

regionalcathodic protection；anode bed；Wangjiagou OilDepot

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.017

赵常英（1968-），女，河北唐山人，高级工程师，1989年毕业于西南石油学院，现从事防腐设计工作。

2016-07-15；

2016-11-01

Email：34142622@qq.com