在运天然气站场追加区域阴极保护措施的难点及对策

2023-06-02延旭博

全面腐蚀控制 2023年4期

延旭博

（河北省天然气有限责任公司管道分公司，河北石家庄 050000）

0 引言

我国自20世纪70年代末在油田集输站首次应用区域阴极保护技术，目前已在长输管道站场内已全面应用。而据国内长输管道站场区域阴极保护系统运行现状调查结果统计，站场区域阴极保护系统的一次设计的成功率远低于干线管道，投产后的有效保护率达到100%的站场不足20%。主要是由于站场埋地金属结构物复杂，接地系统庞大，干扰屏蔽问题突出，辅助阳极床施工受区域限制较大，系统回路较多，调试和测试较困难等系列问题，制约了区域阴极保护的应用效果。

1 区域阴极保护技术概述

站场区域阴极保护，是以保护站内埋地管道为目的，采用强制电流或牺牲阳极的方法，对站内埋地管道进行电化学保护。施加区域阴极保护后，站内埋地输气管道由防腐层被动防护转为阴极保护联合保护，大大提高了安全性。

1.1 区域阴极保护的必要性

在钢制管道腐蚀控制方面，阴极保护的有效性和必要性是经过长期试验和实践检验的。虽然，有些未设置区域阴极保护的输气站安全运行了20年以上，但这并不意味着仅靠喷漆的被动手段是可靠的，原因如下。

（1）出于防雷和防静电的需要，站内设置了与管道及其设备连接的庞大接地系统，且一般采用镀锌钢带等电位较高的金属，如果埋地管道防腐存在缺陷，就会发生电偶腐蚀；

（2）输气站在较为密集的空间内布置了大量的输气管道，且弯头、三通等管件较多，这些均需要进行现场防腐，其防腐质量与工厂预制成品相比有一定的差距，且现场防腐还受作业条件、作业工序、气象条件及施工人员本身技术水平的影响，其可靠性远低于干线管道。

因此有必要对管道进行阴极保护，强化站内埋地管道的薄弱环节，消除腐蚀风险。

1.2 区域阴极保护的方法

阴极保护系统可采用牺牲阳极法或外加电流法，而目前外加电流法应用较为广泛，其突出优点是输出电流可条件，适应不同的工况条件；阳极消耗低，寿命较长。采用强制电流法的输气站区域阴极保护系统一般由直流电源（恒电位仪）、辅助阳极（分布式浅埋或深井埋设）及参比电极、电缆等构成，如图1所示。

图1 强制电流区域阴极保护系统示意图

2 在运站场追加区域阴极保护的难点

2.1 原始资料缺失

对于在运站场，特别是一些运行年代较长的站场，往往经过多次改造、维修，原有的设计图纸已无法全面反映站场的现状，且经过电气化、智能化改造后，地下除了埋地管道外，还分布了大量的接地扁铁、电缆、信号线等，不仅影响设计的准确性，同时对施工中的风险控制带来不利。特别是影响较大的接地系统，与区域阴极保护设计分属两个专业，设计人员往往只能估计接地网的分布，估算接地网的规模，在设计时往往由于缺少充分的资料，而严重制约了设计的成功率。

2.2 接地系统的影响

随着输气站自动化、智能化水平的不断进步，其工艺管道、电气、自控、通信系统均与防雷防静电接地网连接，构成了庞大的接地网，且接地电阻很小（防雷相关规范要求小于4欧姆）。区域阴极保护以站内埋地管道为保护对象，但其很难实现与接地系统等的彻底绝缘，在已建成区域阴极保护系统的输气站实测发现，通过接地网流失的阴极保护电流可达恒电位仪输出电流的80%以上[1]，且由于接地系统电阻很小，极易造成对埋地管道的保护电流屏蔽和干扰。

2.3 地质条件的影响

输气站的地质条件对区域阴极保护的设计、施工和运行均有影响。对于经过多年运行的站场，土壤经过自然沉降，不同土层的土壤电阻率、含水量及微生物活动情况均会有所不同，在设计阶段单一的考虑土壤电阻率的影响是不充分的。

2.4 测试点设计

在区域阴极保护系统测试点设计方面，还存在设计不合理的问题，一般在大型的站场设计10～12个，中小型站场只有4～8个。根据长输管道区域阴极保护测试的结果分析认为[2]，以上的测试点数量远远达不到全面测试评估阴极保护效果的水平，或者测试点设计的位置不能反映出保护效果较差的区域。从表1可以看出，站场管道的保护电位存在明显不均匀的问题，仅通过有限数量的测量点无法反映其整体保护水平。

表1 某在运输气站馈电试验记录

2.5 系统回路设计

在系统回路设计方面，由于站场管道分多个区域，各个区域管道的规模不同，因此一般采用多个回路分区域保护[3]，而目前各个回路的通电点、区域的划分尚无相关的规定和要求。当一个回路的通电点，或管道靠近其他系统的保护管道或阳极，则会受其他系统干扰，导致该回路的输出偏低，管道保护电位就偏低。这也是目前站场区域阴极保护系统中常见的问题。

2.6 运行管理方面

在区域阴极保护系统运行管理方面，日常的保护电位测试是直接反映其保护效果的指标，而站场管道不同于干线管道，按测试桩的位置测量保护电位就能全面反映其整体保护效果。对于站场管道，其呈网状分布，各个区域对应回路的输出参数都存在差异，且各回路之间干扰问题突出，保护电位分布不均的情况较为普遍，和准确地测量和判断出保护不足的区域是关键，而目前还没有相关的标准和统一的经验可借鉴。目前的一些长输管道站场采用在管道周围埋设长效参比电极，或安装参比管、试片等多种方式进行测量。

3 在运站场追究区域阴极保护的对策

3.1 现场调研收资

在开展区域阴极保护设计的前期，需要调研输气站的基本情况，包括各类埋地管道的管径、长度、位置和接地极的分布等资料；对于图纸不齐全的，可以在现场进行小范围、多点开挖，验证管道及接地的分布。

3.2 馈电试验和数值仿真模型技术的结合应用

近年来，数值模拟技术已成为区域阴极保护系统设计优化的有效手段。即通过建立站场管道金属、土壤及阴极保护系统回路的数值计算模型，结合各种金属筑构物的极化特性，计算出阴极保护电流及电位的分布，并以此来指导和优化阳极地床的选型、布局及回路的设置[4]。数值模拟技术对区域阴极保护的设计优化提升有一定的促进作用，但其计算精度往往也受限于多种因素，特别是边界条件的确定，尤其是被保护管道的阴极极化边界条件、接地网金属的阴极极化特性及埋地金属结构的分布和规模，这些对计算结果有较大的影响。

馈电试验计算是在现场设置临时阴极保护站并埋设一定数量的阳极，组成简易的区域阴极保护系统，对管道进行通道并测量各点电位，通过对输出电流的调整实现该区域的阴极保护电位达标，从而得到埋地管道所需保护电流密度，用以指导设计。这种基于试验的方法弥补了理论计算的不足，特别是与数值模拟技术结合，可以弥补前期收资中的不足和错误。

基于上述两种技术的特点，在设计阶段可以将两者联合使用，即在输气站站场建模阶段，因接地系统的各类扁铁等分布、尺寸等很难准确测量，采用预估的方法。建模完成后，设置与馈电试验相同的边界条件，对比模型中的电位分布于馈电试验的真实数据，进而对模型进行校准和修正[5]。经过修正完善的模块可以良好的反映输气站的管道电位分布，是数值模拟计算成功的关键。

3.3 多回路智能测试设备的研发和应用

智能阴极保护参数测试远传设备在输气管道的干线上已广泛应用。配套各种试片，其可以按设定的频率采集多种阴极保护参数，包括通电电位、断电电位、自然电位、交直流电流密度等参数。在区域阴极保护领域，以往通过人工测试，一方面测试点有限，无法反映真实的阴极保护电位分布；另一方面，占用大量的人力和时间，测试的频率无法很高，在阴极保护系统因环境等因素变化时，电位随之变化，无法及时发现并调整恒电位仪的运行状态。此外，人工测量往往具有随机性和人为操作习惯带来的误差。

随着智能测试技术的发展，多回路智能测试设备已经可以应用在区域阴极保护测试桩领域[6]，其可同时具备多达5个以上的测试回路，在设定的时间采集不同位置的阴极保护参数，这些数据可以为恒电位仪的运行调节提供依据。