天然气站场阴极保护设计运行关键技术探讨

2023-04-23解静刘超李军姜旭

全面腐蚀控制 2023年11期

解静刘超李军姜旭

（1. 中国石油长庆油田分公司伴生气综合利用项目部，陕西西安 710016；2. 中油国际管道有限公司，北京 102206；3. 国家管网集团西南管道有限责任公司天水输油气分公司，甘肃天水 741020；4. 中国石油天然气销售陕西分公司，陕西西安 710000）

0 引言

长输管道腐蚀控制技术成熟，普遍采用防腐层配合强制电流阴极保护技术的方式，有效提高管道系统性能和使用寿命[1]。大型天然气站场设备设施集中布置（压缩机、过滤分离器、阀门、工艺管道及汇管），站内区域相对狭小，埋地、架空、管沟敷设方式多样化，工艺、消防、排污、给排水多种管道，建筑、设备的地下接地系统，由于上述多种因素，天然气站场阴极保护设计运行技术还需完善提高，例如不同设备之间屏蔽和干扰，保护电位设计与实际差异较大，恒电位仪电流输出过高等问题。天然气站场管道和设备防腐层等级低于干线管道，如防腐层破损或者失效，如果缺乏可靠的阴极保护技术，天然气站场产生较大的腐蚀泄漏风险。分析天然气站场阴极保护设计、施工、运行和维护中的关键瓶颈问题，结合我国输气管道工程实践经验，提出了保证天然气站场安全可靠运行的实施建议。

1 天然气站场阴极保护技术需求

天然气站场阴极保护技术指将所有保护对象作为整体进行防护，通过辅助阳极合理布局、保护电流平均分配，以及管道和设备之间的可靠绝缘措施，实现管道和设备处于特定阴极保护电位范围。天然气站场阴极保护技术需解决以下关键问题：

（1）保护对象、接地系统繁杂，防腐层等级较低，阴极保护电流消耗高；

（2）需妥善处理与管道干线阴极保护系统、地下金属结构、回路之间的干扰屏蔽问题；

（3）天然气站场输油易燃易爆高风险区域，需解决大功率恒电位仪短路打火问题；

（4）需解决深井阳极设计选型以及受场地条件限制问题。

2 阴极保护系统设计

相对管道干线采用三层聚乙烯涂层（3LPE），国内部分天然气站场管道和设备采用无溶剂环氧涂层现场涂装方式，防腐层质量不能完全保证[2]。该产品在潮湿环境中易产生破损和漏点，造成严重的局部点蚀，也是造成天然气站场阴极保护电流输出较高的重要原因。天然气站场接地系统除设备防雷接地，还包括厂房、建筑的混凝土钢筋网，大部分保护电流在此流失，也是造成阴极保护电流几十安甚至一百安的原因。

结合国内天然气管道工程实践，降低阴极保护电流的可行措施是保证管道涂层完整性，定期检测维修破损点；接地系统与阴极保护系统隔离，接地装置采用镀锌扁钢，定期检查接地装置锈蚀状况。天然气站场阴极保护设计中一项重要参数是电流密度。行业标准SY/T 0088-2016《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》规定输油站或油库区域性阴极保护电流密度为5mA/m2～10mA/m2。但针对天然气站场阴极保护电流密度缺少规定，建议新建天然气站场设计中该数值选取应考虑土壤类型、电阻率、含水量、含氧量，以及深井阳极型式、工艺管道防腐层状况等因素合理选取，并对站内接地系统电流流失情况进行评估，必要时进行馈电试验、建立临时阳极地床、计算结构对地电阻，估算天然气站场阴极保护电流量级，合理选择阴极保护电流密度参数。

3 阴极保护干扰和屏蔽

由于天然气站场保护对象繁多，地下金属结构复杂、分布密集，站内阴极保护系统队干线干扰影响严重，管道干线阴极保护系统装置也位于站内，两套阴极保护系统在涂层状况、电流需求和安全性方面存在差异，电位控制点（阴极通电点和零位点）、参比电极设置在出站端绝缘接头外侧2m处，该位置处于站内阴极保护系统范围内，强电流形成电磁场会对干线管道阴极保护系统产生干扰。可行措施是站场阴极保护系统的阳极地床尽可能远离管道干线阴极保护系统控制点，或者将控制点位置移至非影响区（站区外管道干线进行密间隔电位测试评估干扰情况）；另一方面，恒电位仪控制点安装排流电极，降低或消除干扰电流造成的附加极化或者去极化。此外天然气站场区域有限，电源设备集中布置，通过接地线可能有较大电流流入成为杂散电流干扰源，交流干扰电压大于15V会对金属构筑物产生腐蚀问题。

屏蔽问题在天然气站场阴极保护系统中比较普遍，一般的工艺管道与接地系统、钢筋基础、电气装置和排水管道的密集区，该区域保护电流在土壤中产生电位梯度，如位于区域中央屏蔽效应达到最大。如管道防腐层质量较差或存在破损点，屏蔽问题更严重，导致阴极保护效果不足。针对该问题只依靠远阳极系统是不够的，可采取在未达到保护效果的特定位置采用近阳极分散布置或者镁锌牺牲阳极方式是进行补充保护，使得阳极影响区互相叠加，改善区域内电流分布以消除屏蔽。从阴极保护系统设计施工采取分阶段实施，先完成主保护回路（远阳极系统）通电调试，再根据测试结果布置近阳极型式，也能起到减缓屏蔽的效果。

4 天然气站场安全防护

天然气站场属于一级防火区域。阴极保护系统电流通常达到几十安甚至上百安，如设备故障或短路，可能发生电击打火问题。一般的，阴极保护设备因为本质安全型防爆设备，供电设备应满足GB 50058-2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》。调研国内天然气站场阴极保护系统设计中设置滑动变阻器用于调节阳极输出电流值，存在不同程度的烧蚀问题，主要原因是滑动变阻器产品质量和大电流热作用，从而队天然气站场安全运行造成风险隐患。新建天然气站场是否采用该做法值得商榷，从调整控制保护电流分布均衡角度出发，本质方法是阳极型式选型、埋设位置和数量等因素。

5 辅助阳极设计选型

辅助阳极选型、埋深、数量、布置形式是天然气站场阴极保护系统设计的关键环节，合理的辅助阳极设计可以保证保护电流均匀分布，同时有效避免或限制干扰和屏蔽影响，保证阴极保护电位满足标准规范。国内天然气站场一般选用深井阳极、浅埋阳极和柔性阳极三种。

深井阳极可有效释放保护电流，保护范围广，针对站场区域小和土壤电阻率高的情形，地质条件要求被保护金属结构与深井阳极之间不能含高电阻率的岩石层。为保证阴极保护电流均匀流至保护体，考虑经济性和施工难度，深井阳极埋深应大于20m。国内某天然气站场采用两路深井阳极地床，经测试站区边缘保护电位较高（放空区），站区中心区仍不满足保护要求（压缩机区），分析原因为接地体密集屏蔽问题，采取补充牺牲阳极进行保护。可看出，深井阳极侧重将保护体整体极化，保护边缘极化程度较高，中心区域可能存在屏蔽而极化程度较低，需要采用辅助阳极保护措施。

高硅铸铁浅埋阳极埋入地表下1～5m长期湿润土层中，分为集中式和分布式埋设两种型式。集中式也称远阳极，距离被保护体较远，阳极成组埋设于含回填料的阳极沟，通过阳极地床输出大功率电流，将站场管道设备整体极化。国内某天然气站场集中式阳极设计形式为4组、每组5支，分别设置在站场东西南北方向边缘处。分布式也称近阳极，采用单只或多支阳极沿被保护体2～3m安装。集中式阳极施工方便，无需单只阳极电流调整，但因大电流输出整体极化，存在站内屏蔽问题；靠近远阳极管道电位较高，站场中心区域可能不满足保护要求，集中式阳极对于站场规模较大可能不适用，或者采用远阳极分散布置并与近阳极相结合的方式，例如在中心区域、管道接地体密集区设置近阳极，远阳极和近阳极分别电流调节分配的做法。

柔性阳极具有保护电位分布均匀、电流密度高、寿命长、可靠性高特点，柔性阳极广泛应用于大型储罐底板以及密集管网阴极保护，解决深井阳极电位不均匀和干扰屏蔽问题。柔性阳极安装要求是与被保护体距离约300mm；柔性样机如与管道交叉，应采用套管予以隔离；阳极上方300mm回填土进行细筛。但目前天然气站场应用还不广泛，原因是柔性阳极安装施工要求高，需要紧贴管道设备安装，如管道设备检修维护可能造成与柔性阳极短接，且施工检测难度大。