某油气站场接地系统对区域阴极保护效果影响规律的计算分析及处理方法

2021-12-13阎庆玲王宏新

腐蚀与防护 2021年1期

池恒,谷丰,崔伟,王莹,阎庆玲,王宏新

(1. 中国石油工程建设有限公司北京分公司，北京 100085； 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

随着油气输送系统规模和自动化水平的不断提高，站场及其接地系统规模庞大，结构错综复杂，站场内管道、通信、电气等系统联合接地作为一种经济有效的接地防护措施已在国内外得到了广泛使用[1]。一般情况下,当埋地钢制结构的保护电位为-850～-1 200 mV(相对于铜/硫酸铜参比电极，CSE，下同)时，其处于良好保护状态。近年来，针对复杂油气输送站场的区域性阴极保护越来越受到重视。区域阴极保护的保护对象数量繁多，不同接地材料(常见的如铜包钢、锌包钢、等离子模块等)的电化学性能[2-3]和表面状况与埋地管道、储罐等结构存在差异，这会对阴极保护系统产生重大影响。美国、中国和巴基斯坦等国家相继报道了由于接地系统影响而导致阴极保护系统发生异常以及诱发埋地设施腐蚀的案例[4-7]。

由于缺乏足够的沟通，接地系统与区域性阴极保护系统往往单独设计，这二者之间存在矛盾。即对于接地系统而言，与站场内所有设施直接电连接可有效降低发生电击的风险；但对于区域性阴极保护系统而言，结构物相互电连接意味着阴极保护电流需求量增大。由于复杂站场内埋地设施与接地系统的电连接点很多，采用直流去耦合器的方法实现电隔离虽然在理论上可行，却并不实际。将站场内所有埋地金属设施，包括接地极，作为整体进行联合保护是目前广泛采用的一种方法。要使阴极保护系统达到较好的保护效果，就应尽可能使被保护设施远离接地极[8]，但这受限于站场内的有限空间。同时，不同接地极在不同环境中对阴极保护效果的影响也不同， GUMMOW[9]对碳钢、硅铸铁、不锈钢、铜、镀锌钢、镀锡铜等六种接地极在不同土壤环境中的性能进行了研究，综合考虑认为镀锌钢是最理想的接地材料。KIRKPATRICK[10]认为不锈钢、牺牲阳极、混凝土覆裹的建筑钢筋、锌包钢或加阴极保护的碳钢可代替铜接地极。美国国家电气法规(NFPA70-2017)、国内电力行业等标准(GB 50065-2001)综合考虑接地和阴极保护系统，也不要求或不推荐使用铜接地极。其他学者也对接地材料进行了研究并推荐了相应的接地材料，GHESQUIERE[11]建议采用锌阳极；SCHAEFER[12]推荐采用镀锌钢接地棒；KIRKPATRICK[13]认为对联合接地网而言，锌接地极和绝缘铜线缆是很好的接地材料；LAWSON[14]推荐使用镀锡铜接地极代替铜接地极。上述研究结果表明，选取与阴极保护系统匹配的负电性接地材料(如锌包钢)也是增加兼容性的一种方法。联合保护阴极保护系统设计的难点在于阳极地床的布置方式，即如何优化设计阴极保护系统(采用近阳极和远阳极地床)也是实现区域性阴极保护系统与接地系统兼容性的重要举措。

本工作针对某油气站场内出现的区域性阴极保护系统和接地系统的兼容性问题展开研究，通过具体案例，计算分析接地系统对区域性阴极保护效果的影响规律，探寻二者的兼容性解决方案。

1 试验

某油气站场,站内埋地结构复杂，有开排、清水、消防等各种管线和裸铜接地导线、裸铜垂直接地棒等。根据收集到的站场资料对站场全部管线和接地进行建模，如图1所示。图中绿色(深)线为各类管线，黄色(浅)线为接地铜导线。建模完成后，对所有结构物进行边界元的网格划分，如图2所示。

图1 油气站场管线和接地的三维模型图Fig. 1 3D model of pipings and grounding in oil and gas station

图2 所有结构物的网格划分Fig. 2 Meshing of all structures

采用美国Gamry公司的Gamry reference 3000电化学工作站进行极化曲线测试，测试采用裸露工作面为1 cm2的碳钢、锌或铜试样，参比电极采用饱和甘汞电极(SCE)，据此得到数值模拟计算的边界条件如下图3所示，图中电位相对于饱和铜/硫酸铜参比电极(CSE)。

2 结果与讨论

2.1 接地系统对阴极保护效果的影响

由于现有接地设计未考虑接地对阴极保护的影响，接地与管线均为电联通状态，需要将接地与管线进行联合保护设计。分别采用牺牲阳极和外加电流阴极保护的方法进行优化设计，各种阳极的基本信息见表1。

表1 阳极的基本信息Tab. 1 Basic information of anodes

接地与管线电联通状态下，对各种阳极的形状、位置、数量等进行优化，使管线的保护电位满足-850～-1 200 mV的标准要求，电位见图4。由于联合保护时单独深井阳极保护无法满足阴保要求，需与浅埋阳极联合使用(下文称为混合阳极)。

如果接地与管线绝缘，或者不考虑接地的影响，再次对各种阳极形状、位置、数量等进行优化，得到管线满足-850～-1 200 mV(相对于CSE)标准要求的优化方案，电位分别如图5所示。

在沟槽开挖基本完成时，运输管材及管件并布置在沟旁。尽量缩短管材在沟旁的存放时间，以避免外界损伤管材并减少阳光照射。布管时应小心轻放，防止损伤管材，管口连接前应封堵，防止泥土进入。

(a) 碳钢地极 (b) 铜极地 (c) 锌极地图3 不同接地材料的极化曲线Fig. 3 Polarization curves of different ground materials

由表2可见，将管道与接地电绝缘，优化方案的阳极用量和电流需求量都明显减小。故在区域性阴极保护设计中，应慎重采用正电性接地材料，如铜、铜包钢，否则将给阴极保护设计带来困难，导致阳极数量大、电流需求量高，危害埋地设施的安全运行。

2.2 区域性阴极保护系统与接地系统的兼容处理方法及其效果

通过调研标准和文献可知，目前对于接地问题的主要处理措施如下。

(1) 直流电隔离：将被保护金属与接地系统直流电隔离，防止阴极保护电流流失，同时保持两者之间交流电连通，保证接地系统的正常运行；

(2) 阳极性接地材料：采用负电性材料作为接地，如锌包钢；

(3) 接地材料部分绝缘：将距离管道较近或与管道交叉的裸铜接地线进行部分绝缘处理；

(4) 水平接地绝缘：将水平铜接地绝缘，仅保留垂直接地棒为裸露状态。

针对这些处理措施，仍以该站场模型为研究对象，采用数值模拟计算方法进行研究。

(a) Mg牺牲阳极 (b) 柔性阳极

(c) 浅埋阳极 (d) 混合阳极图4 接地与管道连通条件下，阳极优化后的管线的保护电位分布云图Fig. 4 Cloud diagram of protection potential distribution of pipeline after optimization of anode under grounding and pipeline connection condition： (a) Mg sacrificed anode; (b) flexible anode; (c) shallow buried anode; (d) mixed anode

表2所示为接地和管线联合保护或接地和管线电绝缘条件下，优化方案中阳极的数量及输出电流情况。

表2 不同阳极布置方式下的优化方案Tab. 2 Optimal scheme under different anode layout

2.2.1 接地与管道直流电隔离

因为接地和阴极保护分别通过交流和直流电流，因此将接地与管道进行直流电隔离可以彻底消除接地对阴极保护的不利影响。之前已研究了不考虑接地时阴极保护的情况，这大大降低了阴极保护设计的难度。但由于站内管道和其他埋地结构物错综复杂，很难保证完全电隔离，在浅埋阳极方案下研究接地与管道直流电隔离不完全，导致有1处和3处电连接点的情况，进行计算。

(a) Mg牺牲阳极 (b) 柔性阳极

(c) 浅埋阳极 (d) 混合阳极图5 接地与管道绝缘条件下，阳极优化后的管线的保护电位分布云图Fig. 5 Cloud diagram of protection potential distribution of pipeline after optimization of anode under grounding and pipeline insulation condition: (a) Mg sacrificed anode; (b) flexible anode; (c) shallow buried anode; (d) mixed anode

当接地与管道直流电隔离，但仍有1处电连接点时，采用518支浅埋阳极，输出电流为30 A，才能使管道达到良好的保护效果，电流需求量较完全电隔离时的明显提高(1.8 A)。当接地与管道有3处电连接点时，采用518支浅埋阳极，输出电流为45 A，才能使管道达到良好的保护效果，此时电流需求量已经达到接地完全电隔离时的25倍。表3所示为接地与管线不同连接情况下的电流需求量。

表3 接地与管线不同连接情况下电流需求量Tab. 3 Current demand under different connection conditions between grounding and pipeline

综上，虽然电隔离是处理接地影响的有效措施，但是一旦电隔离不完全，仍然会对阴极保护造成严重的负面影响。

2.2.2 阳极性接地材料

由于铜接地的自腐蚀电位较正，无阴极保护时，其与管道电连接将作为阴极，而管道成为阳极，形成电偶腐蚀。若接地采用自腐蚀电位较负的锌或锌包钢，不仅不会对阴极保护产生不利影响，即使没有阴极保护，接地本身也可以作为牺牲阳极为管道提供一定的保护。图6为站场接地采用锌时埋地设施的电位分布情况，可见由于接地较多，管道均被保护。

图6 锌接地条件下埋地设施的电位分布云图Fig. 6 Potential distribution cloud diagram of buried facilities under zinc grounding condition

然而，锌接地存在如耐蚀性较差，寿命较短等问题。由图7可见，所有锌接地都在为管道提供保护电流，部分区域输出电流较大，接地消耗较快。

图7 锌接地条件下的电流密度分布云图Fig. 7 Cloud diagram of current density distribution under zinc grounding condition

锌作为牺牲阳极为管道提供电流会加速其自身消耗，缩短寿命。如果服役环境本身的腐蚀性较强，锌接地的寿命会更短。

2.2.3 接地与管道交叉处绝缘

由于联合保护的代价较大，而从深井阳极和混合阳极两种方案的对比可知，保护效果较差的原因很可能是接地与管道存在交叉或距离过近，为此，考虑将接地与管道交叉的部分进行绝缘处理，深井阳极方案下计算结果如图8所示。此时电流需求量由85 A降至65 A，同时保护效果明显提高。对于具备条件的站场，可以重点考虑该种措施。当然，在站场区域阴极保护中使用深井阳极输出大电流，具有引起站外管道阴极干扰或阳极干扰的风险。在设计中应对阳极、长效参比位置进行合理安排，避免干扰问题。

图8 深井阳极条件下，接地与管道交叉处绝缘时管道的电位分布云图Fig. 8 Under the condition of deep well anode, the potential distribution cloud diagram of the pipeline when the grounding and the intersection of the pipeline are insulated

2.2.4 水平接地绝缘

水平接地绝缘是另一个处理思路。在前述518支浅埋阳极方案中，将水平接地绝缘，输出电流由80 A降至7.8 A，即可达到良好的保护效果。或将阳极数量从518支降低到124支，输出电流为8 A，也可达到良好的保护效果，阳极分布和电位分布图如下图9所示。

(a) 阳极分布图 (b) 电位分布云图图9 水平接地绝缘条件下的阳极分布情况和电位分布云图Fig. 9 Anode distribution (a) and potential distribution cloud diagram (b) under horizontal ground insulation condition

通过以上计算可知，对于铜接地的情况，将水平接地绝缘，有利于降低阴极保护设计的难度，提高保护效果。

综上所述：接地与管道电隔离的措施最有利于改善阴极保护效果，对于简单的站场，可以考虑电隔离的方法，通过去耦合器等专用工具来实现。推荐采用阳极接地材料，比如锌接地，可以实现良好的阴极保护效果，同时，为了提升锌接地的寿命，仍然需要设计区域性阴极保护系统。考虑接地和管道联合保护时，可通过对接地进行局部绝缘(交叉处绝缘、水平接地绝缘)和优化阳极地床(数量和位置)来实现接地和管道的联合保护。