站场区域阴极保护对线路阴极保护干扰的缓解方法

高桂飞，李慧玲，张平平，李 琛，孙冰冰，孙 勤

(1.青岛雅合科技发展有限公司，青岛 266101；2.中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司,乌鲁木齐 830017)

我国区域阴极保护应用始于20世纪50年代，经过几十年的发展，目前区域阴极保护已经在国内大部分工程站场的防腐蚀工程中得到广泛应用，如输油气站场[1-4]、大型罐区[5]、城市天然气站场[6]、炼油厂地下集输管网[7]等。随着区域阴极保护技术日趋成熟，相关标准如石油行业标准SY/T 6964-2013《石油天然气站场阴极保护技术规范》和国家标准GB/T 35508-2017《场站内区域性阴极保护》陆续出台，使区域阴极保护逐渐变成强制性措施，实现了阴极保护和主体工程同时设计、同时施工、同时投产，并且取得了显著的效果[2]。随着区域阴极保护的普及，其在实际应用过程中的问题也频繁出现，除了由于保护对象繁多、地下结构复杂等原因导致的阴极保护消耗电流大、保护不均匀、局部屏蔽[8]等问题，区域阴极保护对线路阴极保护的干扰也颇为明显[9-11]。

国内绝大多数长输管道采用强制电流阴极保护方式，其阴极保护系统电源(恒电位仪)的控制模式通常采用恒电位控制模式。恒电位控制模式的原理为：在绝缘接头(站场与线路电绝缘装置)外侧设置控制用参比电极，该参比电极实时测量该处线路管道的保护电位(该位置被称为馈流点)并将数值反馈给恒电位仪，恒电位仪会根据该电位与预置目标电位的差值，通过内部控制电路实时增大或减小输出电流，使得反馈点处电位无限接近预置电位。以上控制逻辑中，馈流点处参比电位将直接影响到线路阴极保护系统的电流输出大小，若该处参比电极受到外界环境的干扰产生电位偏差，则整个线路的阴极保护效果将会受到影响[9-11]。

区域阴极保护对线路阴极保护干扰类型通常有两种形式。如图1(a)所示，当站场区域阴极保护采用的阳极地床靠近线路阴极保护馈流点时，在很多情况下，部分区域的保护电流(干扰电流)会从馈流点附近流入至远处流出，此时馈流点处管道阴极极化程度增加，保护电位负向偏移，而线路的恒电位仪的电流输出降低，导致保护距离缩短。如图1(b)所示，当区域阴极保护采用的阳极地床远离线路阴极保护馈流点时，干扰电流会从线路远端流入至馈流点附近流出，此时馈流点处管道阴极极化程度减小或发生阳极极化，电位正向偏移，线路恒电位仪输出电流增大，远端线路出现过保护[12-15]。

(a) 近端流入远端流出

从阴极保护原理可知，阴极保护主要是利用辅助阳极提供电流，电流从被保护管道流入引起管道阴极极化从而抑制腐蚀。虽然管道流入电流过多会引起过保护，导致氢脆或防腐蚀层剥离[16]，但其出现的概率远比腐蚀小。对于图1(a)所示类型的干扰，只要适当调整区域阴极保护阳极地床位置或其输出电流大小即可解决其对线路阴极保护的干扰[17]。

对于图1(b)所示类型的干扰，目前采取的防干扰措施主要有以下几种[12]：

(1)对站外干线进行密间隔电位测试，将站外阴极保护系统的控制点转移至不受干扰的位置。虽然该方法可以使线路阴极保护恢复正常，但被干扰段仍存在电流流出和电位偏正的现象，未从根本上解决干扰问题。

(2)对控制点进行处理，安装排流地床以降低或消除干扰电流引起的附加极化或去极化。原理上，在控制点安装排流地床是行之有效的方法，但目前的普遍做法是在控制点附近或在被干扰段安装牺牲阳极。牺牲阳极的使用确实在一定程度上能给干扰管段提供阴极保护电流，抑制电流的流出，但区域阴极保护投用的电流量较大，牺牲阳极的输出电流有限，能否完全抑制难以把控。

(3)站外保护系统采用恒电流控制模式。恒电流控制虽能使远端阴极保护正常，但不能抑制近端干扰，且恒电流运行状态下，线路阴极保护电位无法控制，需要持续监测调整，对管理人员的专业水平要求较高，管理成本也会增加。

本工作针对区域阴极保护对线路阴极保护产生阴极干扰提出了一种新的解决方法：在确定干扰类型以及干扰范围的基础上，通过增设一套电位控制系统，以抵消区域阴极保护产生的阴极电场，使线路阴极保护系统恒电位仪运行正常，线路阴极保护达到未受干扰的状态，被干扰管道的电位达到阴极保护电位要求。此外，该系统由恒电位仪自动控制输出电流，即使干扰范围发生变化，也能自动调节输出电流抑制干扰。本工作在一个典型的区域阴极保护对线路阴极保护产生阴极干扰的站场，将上述电位控制系统进行了现场实施测试，验证该缓解方法的可行性。

1 干扰类型及干扰范围确定

选择西部某原油成品油管线泵站作为研究对象，该站分别有原油、成品油两条管线进出站。站内区域阴极保护采用强制电流阴极保护方式，阴极保护电源共计3台，阳极地床采用深井阳极的方式，分别布置在进出站管道走向的90°方向，设计时尽量远离了线路管道。由于两条管道同沟敷设，线路阴极保护采用两条管线联合保护的方式，并由沿线若干跨接线提供电流通路。线路阴极保护也采用强制电流阴极保护方式，阴极保护电源共计1台，阳极地床采用浅埋阳极地床方式。在原油、成品油管线进出站各处设置有绝缘接头，每个绝缘接头均设置了测试桩用以测量站内外电位以及评价绝缘接头工况。

1.1 干扰类型确定

据前期运行数据可知，当站内区域阴极保护投运时，线路恒电位仪在恒电位仪模式下无法正常投运，参比电位显示正值。恒电位仪初始运行状态如表1所示。

表1 线路阴极保护及区域阴极保护初始运行状态

从表1可知，该站场区域阴极保护初始运行状态全部为恒电流模式，线路恒电位仪参比电位为+0.157 V(相对于饱和硫酸铜参比电极，下同)，馈流点处管道正向极化，有电流流出，干扰方式疑似为远端流入近端流出。为验证该方式，在此运行状态下对绝缘接头内外侧电位以及外线第1、第2个(1434号和1435号)测试桩处电位进行测试，测试结果如表2所示。

表2 初始运行状态下绝缘接头处及外线电位测试值

由表2可知：初始运行状态下，原油、成品油出站绝缘接头外侧管线通电电位均偏正；由于原油出站绝缘接头处埋设有镁合金牺牲阳极，该处断电电位达到阴极保护准则(-1.2～-0.85 V)要求。而成品油管道绝缘接头外侧断电电位为-0.361 V，已高于正常碳钢的自然腐蚀电位(-0.8～-0.5 V)，说明此处管道有电流流出，阳极极化，若该处管道防腐蚀层有破损点，管道将存在腐蚀风险。测试桩内埋设的检查片测得电流方向也证实了绝缘接头外侧管道电流呈流出状态。

从出站两个测试桩的测量电位可知，站外管线在线路阴极保护无输出电流(见表1)情况下，通电电位均达到-1.2 V以上，且断电电位达标。该数据说明线路上的阴极保护电流并非由线路恒电位仪提供，在排除外界直流杂散电流情况下，该电流唯一来源为区域阴极保护。若此时将线路阴极保护恒电位仪预置电位设置为-1.2 V，则线路将会发生严重过保护现象，测试数据详见表3。综上所述，该站场区域阴极保护对线路阴极保护的干扰类型为典型的远端流入近端流出方式。

表3 线路恒电位仪预置-1.2 V时绝缘接头处及外线电位测试值

1.2 干扰范围确定

采用密间隔电位测试法，对干扰范围进行确定。在线路的出站方向，分别选取平行于管道、垂直于管道、45°等方向进行电位测试，测试间距为3 m，测试点分布见图2。当前后两个电位基本无变化时，测试结束，将测得数据绘制成曲线，从而获得干扰范围，结果见图3。

由图3可见，该阴极干扰电场在管道平行方向(3方向)干扰范围约60 m，在45°方向(2、4方向)干扰范围约85 m，在远离站场垂直方向(5方向)干扰范围约60 m，电场分布基本为圆弧状。而在近站场垂直方向(1方向)，电位梯度一直很小，且电位值一直偏正。查阅站场建设图可知，在此方向距围墙内侧0.5 m处有一条接地扁钢(见图2)，从而证实该条接地扁钢为阴极场干扰源。

图2 密间隔测试点分布

图3 不同方向密间隔电位曲线

2 缓解方案

2.1 方案设计

在获得准确的阴极电场分布以及干扰源的基础上，提出了一种新的缓解方案：

(1)在干扰源(接地扁钢)附近增设一条阳极带，另增加一台恒电位仪为其提供电流，使其产生的阳极电场，以抵消干扰源附近的阴极电场；

(2)新增阳极带的输出电流大小与阴极干扰电场的强度成正比，可分别在未受干扰区域和干扰区各设置一支参比电极，通过调节恒电位仪输出电流使得干扰区以及非干扰区电位一致，即完全抵消阴极电场导致的电位梯度；

(3)新增系统运行后，线路恒电位仪应恢复到未受干扰时状态，线路电位应满足阴极保护标准。在未受干扰时(关闭区域阴极保护系统)线路恒电位仪的运行状态见表4，该运行状态下电位测试值以及线路密间隔电位测试值分别见表5和图4。

图4 线路恒电位在仪未受干扰的运行状态下线路密间隔电位测试值

表4 未受干扰时线路恒电位仪运行状态

表5 线路恒电位仪在未受干扰的运行状态下绝缘接头处及外线电位测试值

2.2 实施方法

(1)在站场管道出站方向，沿图2中1方向敷设一条阳极带，距离站内接地扁钢(干扰源)约1 m，阳极带为裸钢，敷设长度30 m，埋深0.8 m，基本与接地扁钢一致；

(2)在站内阴保间增设恒电位仪1台，将阳极带电缆引至恒电位仪的阳极接线端(输出正)，从站内阴极点引出一根电缆至恒电位仪的阴极接线端(输出负)；

(3)准备两支校准过的参比电极，分别放置在干扰最强点(绝缘接头外侧)以及非干扰段管道正上方，分别将这两支参比电极引线至新增恒电位仪零位及参比接线端子；

(4)调节新增恒电位仪预置电位为0 V，即两支参比电极的之间的电位差为0 V。

(5)实施设施以及各设备布置图如图5。

图5 新增电位控制装置布置图

3 干扰缓解效果

按上述实施方法对站场采取缓解措施后，对缓解措施的有效性进行检测。将原有区域阴极保护恒电位仪按原有运行模式运行，线路阴极保护恒电位仪运行时将其预置电位设置为-1.2 V，新增恒电位仪运行时将其预置电位设置为0 V，在此运行状态下运行4 h，各恒电位仪运行参数详见表6。随后对绝缘接头处电位、线路测试桩电位以及线路密间隔电位进行测量，测量结果详见表7及图6。

表6 恒电位仪运行参数

表7 实施缓解措施后绝缘接头处及外线电位测试值

从表7可见：在此运行状态下，线路阴极保护恒电位仪运行正常，输出电流较未采取缓解措施时(表3)明显减小，基本恢复到不受干扰时状态，此时绝缘接头外侧以及线路测试桩电位也均达到阴极保护准则要求，未出现过保护或欠保护的情况。从图6可以看到，前4个密间隔测试点的通电电位偏负，其主要原因为测量参比电极受新增阳极带阳极电场的影响。在将参比电极移至阳极电场外后，电位基本平稳，管道通电电位在-1.330 V左右，与1434号测试桩和1435号测试桩通电电位基本一致。以上结果说明，区域阴极保护阴极电场基本被完全抵消，线路阴极保护恢复正常。

图6 实施缓解措施后线路密间隔电位测试值

在上述缓解方案中，区域阴极保护输出模式及大小均未发生变化，但新增电位控制系统为区域阴极保护增加了一个电流回路，这可能对原区域阴极保护产生影响。为验证可能产生的影响，对数据做以下分析：首先，从区域阴极保护各恒电位仪状态显示可知，在新增系统投运之后，相同输出电流情况下参比电位较之前相比无明显变化；其次，区域阴极保护恒电位仪对应的控制参比电极可能距离新增阳极地床较远，不受其影响，因此技术人员又对新增阳极地床附近区域的站内管线进行了电位测量，测试结果表明，该区域站内管道及接地电位较原先都有明显的负向极化趋势，但均未产生过保护现象。综上，新增电位控制系统未对区域阴极保护造成负面影响。

该方法利用恒电位仪在恒电位控制模式下的自动调节输出功能，将被干扰段与非干扰段的电位差控制在0 V，也就意味着，即使区域阴极保护输出电流发生变化，干扰电场增强或减弱，该新增系统也能根据干扰强度自动调节阳极带的输出电流，从而抵消同等大小的干扰电场。值得注意的是，新增阳极地床的位置应根据干扰源以及干扰范围确定，不能在任意点埋设，若埋设位置存在问题，可能结果适得其反。

4 结论

提出一种站场区域阴极保护对线路管道阴极保护阴极干扰缓解方法，通过新增一套电位控制系统，自动调节输出电流，使得新增电场能抵消原有区域阴极保护产生的阴极电场，且对原有区域阴极保护无负面影响。该方法一方面能解决区域阴极保护对线路产生的阴极干扰问题，使得线路阴极保护正常投运，另一方面日常操作和维护较为简单，运行寿命长，即使电场发生变化也能自动调节，避免了重复治理，减轻了管理负担，具有明显的经济效益和推广前景。