电位衰减计算在埋地钢制管道阴极保护设计中的应用

崔进杰，刘高生，宋章喜

1中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊

2中国石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 郑州

1. 引言

沙特拉斯坦努拉管道工程项目是沙特阿美为了最大限度地维持产能、增强管线运行灵活性、降低对沿线城镇环境破坏的风险，而实施地在役管道改造项目。项目新建φ30 英寸、φ40 英寸、φ42 英寸、φ46英寸到φ48 英寸陆上管道10 条，管线位于4 个正在运行的管廊带内。阴极保护设计需统一考虑新建管线和已有管线，对已有的阴极保护系统的容量、状态进行评估和升级。阴极保护站采用整流器，将利用阿美的供电系统，在阀室附近设置。阴极保护设计比往常更为复杂，保护范围有效覆盖全部管线尤为重要。

外加电流法阴极保护是埋地钢制管道防止腐蚀的主要技术，广泛应用于长输管道[1]。按照国内外通常的设计思路，管线的保护范围在选择横电位仪或整流器时已经考虑进去，即：根据管线规格、长度和保护电流密度等进行工艺计算，结合效率等因素，选择横电位仪或整流器。具体公式为：

其中：

Ir——阴极保护电流需求；

D——管道直径；

L——管道保护长度；

i——设计规范要求的电流保护密度。

本文所论述的方法，是根据管线外加电流，随着管线长度的增加，由于保护损耗和电流衰减，而达到最低规范保护电位时的管线长度。

2. 电位衰减计算

衰减计算是对埋地钢制管道施加外加电流阴极保护后，在满足规范要求的保护参数下，根据衰减公式计算出最长保护距离，将其与整流器或恒电位仪的保护距离进行对比，从而判断保护长度是否满足要求。

2.1. 电位变化计算

电流流出点的最大电位改变公式如下：

其中：

C1——电流流出点的最大电位改变；

C2——点X 处的电位改变；

α——为衰减常数；

Lmax——从阴极保护电流流出点到满足规范保护电位下管道的最长距离。

2.2. 最大保护长度

在满足设计规范情况下，管道最大保护长度计算公式如下：

2.2.1. 最大电位改变C1 的计算

其中：

P1——电流流出点最大电位；

P2——管道对土壤的自然电位。

2.2.2. 管线任一点X 的电位改变C2 的计算

其中：

P3——管道对土壤的最小电位；

P2——管道对土壤的自然电位。

2.3. 衰减常数

其中：

Rs——钢管线性电阻率(Ω/km)；

RL——防腐层泄露电阻率(Ω/km)。

2.3.1. 钢管线性电阻率RS的计算

其中：

ρs——钢的电阻率(Ω/m)；

L——钢管长度(m)；

A——钢管的横截面积。

钢管横截面积按照下式计算

其中：

D——管道直径；

t——钢管壁厚。

2.3.2. 防腐层泄露电阻RL的计算

其中：

f——防腐层电导率(S/m2)；

D——钢管直径；

L——钢管长度(m)。

3. 应用实例

3.1. QA 管廊阴极保护

QA 管廊跨度为61 km，包括QA-4 和QA-10，其中QA-4 新建2 条42 寸管线共计35.2 km，已存在42 寸管线12 km，已存在40 寸管线21 km；QA-10 新建2 条30 寸管线共计11.7 km，已存在30 寸管线53.7 km，已存在24 寸管线1.3 km。管线位于靠近海边的沙漠地区(Subkha 地区)，水位较浅，土壤电阻率小。

管道阴极保护采用外加电流法，设计寿命20 年，阴极保护设计要求对管廊内的平行管线同时施加。按照沙特阿美企业规范(SAES-X-40)，阴极保护设计及运行标准如表1：

Table 1. Cathodic protection criteria for berried pipeline 表1. 埋地管道阴极保护标准

根据阴极保护工艺计算及材料选择，最终确定采用50 V/300 A 的整流器和混和金属氧化物阳极地床，采用深井阳极，对管廊内的并行管道同时进行保护，每20 km 设置一处阴保站(安装整流器)。

按照上述设计，如何从不同的角度，判定阴极保护能否覆盖全部管道，采用电位衰减计算，是较为有效的方法。

3.2. 保护范围计算

3.2.1. 电位的计算

按照沙特阿美公司阴极保护规范，运行的最大电位不能高于−1.15 V，通过测量管道对土壤的自然电位为0.6 V。

电流流出点的最大电位改变C1为：

通过测量，管道对土壤的最小电位P3为0.85 V，则管线任一点X 的电位改变C2为：

3.2.2. 衰减常数的计算

管道规格为42 英寸，壁厚为11.1125 mm 管道横截面积计算

钢的电阻率为0.18 × 10−6Ω/m，钢管长度取1 km，则钢管线性电阻率RS为

钢管直径1.016 m，长度取1 km，防腐层电导率30 S/m，防腐层泄露电阻RL为

由已求得的RS和RL，计算衰减常数为：

3.2.3. 最长保护距离

根据已求得的C1、C2和α，最长保护距离(衰减长度) Lmax为

直径为42 英寸的钢管长度为47.2 km，阴保站设计的跨度为20 km，而计算的保护范围64.49 km 远远大于20 km，按照阴保设计，阴极保护的范围完全满足要求。

按照同样的方法，计算其它几种并行管道，结果均能满足保护要求。所以，阴极保护设计选定的保护方案、整流器、阳极地床等满足要求，能够实现对全部管道的有效保护。

3.3. 影响应用效果的因素

影响计算效果的因素为管线路由内的土壤环境、规范要求的保护电位、土壤自然电位和土壤最小电位、防腐层电导率、钢管规格等，其中规范保护电位在设计选定规范时，就已经确定；钢管规格在管线水力计算确定后，即可确定；防腐层电导率根据选择的防腐材料类型，能够确定。因此，影响的主要因素是土壤环境、土壤电位测量方式、土壤自然电位和土壤最小电位。

该算法主要适用于土壤电阻率相对较小的环境，案例所在的沙特沿海Subkha 和沙漠地区，地下1.5 m的电阻率最小处为0.01 Ω，最大处为1.23 Ω。土壤自然电位和最小电位是计算使用的重要数据，其测定采用4 支CU/CuSO4参比电极温纳测量方法，测量多组数据，求平均值，以获得高准确度的数据，从而达到好的计算效果。

4. 结束语

在埋地钢制管道外加电流阴极保护设计中，通过电位衰减计算，对判断能否全部覆盖整条管线具有较多优点。一是，采用与阴极保护工艺计算不同的角度，验证保护范围，增加了设计的严谨性；二是，计算步骤清晰、简单快速，使用方便；三是，计算所需的数据容易获得。