李振軍 王成 吳錦強 趙康

國家管網集團西部管道公司

 

摘要：通過對不同形式陽極地床保護下的站場區域陰極保護系統進行測試，評價各種形式陽極地床的區域陰極保護效果及對干線管道的干擾影響。結果表明，在埋地金屬結構物密集區域，由于接地網的漏電和屏蔽作用，西部管道采用深井陽極地床難以使金屬結構物密集區域的被保護管道達到有效的陰極保護；將分布式淺埋陽極埋設在被保護管道附近，陰保電流可通過較短的路徑到達被保護管道表面，使被保護管道得到有效的陰極保護。深井陽極地床電流分布范圍廣，極易從干線管道遠離站場的位置流入管道、從絕緣接頭外側流出，回到站場內部，會造成絕緣接頭外側電位偏正，形成陰極干擾；而分布式淺埋陽極和柔性陽極對干線管道造成的陰極干擾較小。

關鍵詞：區域陰極保護；分布式淺埋陽極；深井陽極；雜散電流干擾

 

區域陰極保護技術作為防止站場埋地金屬結構物腐蝕的一種有效措施，已經在國內外得以廣泛應用[1,2]。區域性陰極保護是將站場內的金屬結構物作為保護對象，依靠陽極地床的合理設計、保護電流的合理分配以及相鄰工作區的相對隔置，使得保護對象處于陰極保護準則要求的范圍之內。區域陰極保護主要有犧牲陽極方式和強制電流方式[3]。強制電流陰極保護方式中，陽極地床的形式和分布是決定系統設計成功與否的關鍵，在選擇輔助陽極地床時，需要基于站場特點，根據不同輔助陽極地床的特點進行選擇，目前輔助陽極地床的形式主要有深井陽極，淺埋陽極和柔性陽極[1,3]。西部管道站場區域陰極保護系統保護對象繁多，陰極保護電流需求大，地下金屬結構復雜，干擾和屏蔽問題突出[4]。本文對比不同輔助陽極地床形式的優缺點，測試和分析采用不同陽極地床形式的站場區域陰極保護效果和對干線管道的干擾影響，提出本案例中區域陰極保護系統存在的問題和治理措施，并進一步測試經治理后站場的區域陰極保護效果和干線管道受干擾情況。

1  站場陰極保護狀況及存在的問題

以西部管道某壓氣站為例，站場埋地管道區域分為：分離器區、收發球區、壓縮機區、循環空冷區和后置空冷區。2009年投運區域陰極保護系統，共有6臺恒電位儀，4臺運行2臺備用。4臺恒電位儀分別對應保護區域為：1#分離器區、2#放空管線、3#收發球區和4#壓縮機及循環空冷區，保護區域分布情況見圖 1，恒電位儀的參數及運行狀態見表 1。站場內有2口80 m深井陽極，位于站場西南側和南側，分別連接2#和4#恒電位儀，兩路恒電位儀保護站內埋地管道；分離器區和收發球區埋設柔性陽極進行保護，分別連接1#和3#恒電位儀，柔性陽極與埋地管道并行敷設；壓縮機區埋設分布式淺埋陽極進行保護，連接4#恒電位儀，陽極位于空冷區北側（圖 1）。

表 1 恒電位儀的參數及運行狀態

圖 1 區域陰極保護系統保護區域和陽極地床分布圖

站場內各個區域的管道極化電位和自然電位的測試結果見圖 2，對應的測試點分布位置見圖 3。站場極化電位在﹣1.17 V～﹣0.38 VCSE之間，自然電位在﹣0.62 V～﹣0.31 VCSE之間。24處管道極化電位不滿足保護電位負于﹣0.85 VCSE電位準則，陰極極化值40 mV～590 mV（圖 4），6處管道極化電位不滿足100 mV準則，管道保護率為82.35%。欠保護區域分布在放空管線的7#測試點、收發球區的10#測試點、壓縮機和循環空冷區的21#測試樁和25#―27#測試點。對比不同區域的極化電位可以看出，采用柔性陽極保護的分離器區、收發球區和靠近分布式淺埋陽極區域的循環空冷區的測試點（如18#，20#，23#），管道極化效果較好，極化電位偏負，而僅靠深井陽極保護的壓縮機區域附近的測試點（如24#―28#）極化電位偏正，極化值小于100 mV，處于欠保護狀態。主要原因是附近接地網密集，造成電流大量漏失和屏蔽，使得深井陽極的電流無法達到此位置管道的表面。

圖 2 站場埋地管道極化電位和自然電位測試結果

圖 3 區域陰極保護測試點分布圖

圖 4 站場埋地管道極化值測試結果

基于以上問題，開展站場測試評價。逐個開啟站內恒電位儀，測試進出站絕緣接頭外側電位，分析區域陰極保護系統對站外管道的干擾情況，測試結果見表 2。在2#恒電位儀和4#恒電位儀開啟時，進出站管道電位均明顯正向偏移，在2#恒電位儀開啟時，進站管道電位正向偏移1.153 V，出站管道電位正向偏移1.030 V，4#恒電位儀開啟時，進站管道電位正向偏移0.870 V，出站管道電位正向偏移0.651 V，1#和3#恒電位儀開啟，對管道電位影響不明顯，表明2#和4#恒電位儀對站外管道造成干擾影響。2#和4#恒電位儀連接2口深井陽極，深井陽極保護范圍廣[5]，電流從干線管道遠離站場的管道流入，沿管道往站場方向流動，在絕緣接頭外側流出，再流回區域陰極保護系統，如圖 5所示[6]，對干線管道造成陰極干擾，使絕緣接頭外側管道存在腐蝕風險。以上測試結果表明，柔性陽極對干線管道造成的干擾小，而采用深井陽極造成的干擾較大。

表 2 站內陰極保護系統對站外管道干擾測試結果

圖 5 站外管道受區域陰極保護系統影響造成的陰極干擾示意圖

綜合以上測試結果和基礎資料顯示，站場陰極保護存在以下問題：①放空管線、收發球區、壓縮機和循環空冷區存在欠保護點，尤其是壓縮機區域的電位偏正；②區域陰極保護系統對干線管道造成陰極干擾，絕緣接頭處存在腐蝕風險；③分離器和收發球區的柔性陽極使用時間長，存在失效風險。

2  站場陰極保護治理措施及效果測試

根據存在的問題，采取相應的治理措施：①停用2口深井陽極；②廢棄分離區、收發球區損壞的柔性陽極地床；③在站場各個區域增設分布式淺埋高硅鑄鐵陽極,埋設情況為分離器區21支，收發球區25支，壓縮機區20支，后置空冷區15支，放空管區11支。分布式陽極距離管道約2 m，陽極間距5 m～9 m。

治理措施實施后，恒電位儀的運行狀態和管道的極化電位見表 3和圖 6。站場極化電位在﹣1.20 V～﹣0.67 VCSE之間，略微偏正的6處管道陰極極化值在140 mV～770 mV之間（圖 7），滿足陰極電位負向偏移至少100 mV準則，管道保護率100%。對比治理前后管道極化電位可以看出，站場內極化電位整體有明顯提升，在壓縮機區增設淺埋高硅鑄鐵陽極后，25#―28#測試點位置的電位明顯負向偏移，陰極極化值從70 mV～110 mV提升至310 mV～520 mV，表明在電流大量漏失和屏蔽區域，采用淺埋高硅鑄鐵陽極，可以有效提升屏蔽區域的管道極化電位水平。

表 3 治理措施實施后恒電位儀的參數及運行狀態

圖 6 治理措施實施后站場埋地管道極化值測試結果

圖 7 治理措施實施后站場埋地管道極化電位測試結果

逐個開啟站內恒電位儀，測試進出站絕緣接頭外側電位，分析治理措施實施后區域陰極保護系統對站外管道的雜散電流干擾情況，測試結果見表 4。在開啟站內4路恒電位儀時，進出站管道的電位變化不明顯，表明采用分布式淺埋陽極對干線管道的干擾影響小。

表 4 治理后陰極保護系統對站外管道干擾測試結果

3  陽極地床應用對比結論

深井陽極占地小、保護范圍大、接地電阻小、保護電流分布均勻，能夠為站場提供較大面積的陰極保護。但其在西部應用受到地質條件影響，地下巖層影響了其作用的發揮。此外，對于電流需求量大的金屬結構物密集區位置，深井陽極無法提供足夠的陰極保護電流，造成密集區極化效果差[6]。深井陽極影響范圍大，區域陰極保護電流容易流入干線管道，對干線管道造成雜散電流干擾。

淺埋陽極地床施工簡單，維修更換容易，不易損壞，保護電流分布范圍較深井陽極小,適合用于接地較多或結構物復雜區域[7]。但其設計、施工對人員技術要求高，需要熟悉管線情況，在新建管線施工階段，需要采用邊施工、邊饋電、邊調整的方式才能夠達到有效保護。

柔性陽極地床電流分布均勻，不存在密集管網屏蔽問題[8]，在土壤電阻率較大時依舊能夠有效保護管道，對站外陰極保護系統干擾小。但其線電流及陽極擊穿電壓較小，輸出電流有限，區域陰極保護系統電流需求量大時，過電流易造成陽極失效。同時，施工或開挖時的不規范操作或不合理敷設，常會導致陽極絲斷裂，使得部分陽極失效，又難以排查斷點。

4  改進措施及管理建議

（1）站場區域陰極保護系統的保護效果和對干線管道的雜散電流干擾，主要由陽極地床的選擇及具體分布決定。本案例研究結果顯示，西部管道站場區域陰極保護系統采用分布式淺埋陽極地床為主，其他陽極地床為輔的敷設形式，保護效果好、造成的干擾影響小。

（2）需要定期對站場區域陰極保護系統進行測試評價，及時發現存在問題，并針對性整改。

（3）站場接地系統會漏失大部分陰極保護電流，日常運行維護、整改時需要重點關注。

（4）站場埋地金屬結構物較多，情況復雜，需要管理單位摸清區域陰極保護系統狀況，建立基礎資料臺賬，持續不斷改進。

（5）站場進出站絕緣接頭區域易受到陰保系統間相互干擾，需要根據現場情況選擇陽極類型、調整陽極布置，減緩干擾影響。

 

參考文獻：

[1]魯丹平，杜艷霞，唐德志，段蔚.油氣輸送站場區域陰極保護研究現狀及存在問題[J].腐蝕科學與防護技術，2018，30(01)：84-93.

[2]陳洪源，范志剛，劉玲莉，劉桂春，陳軍，矯偉.區域性陰極保護技術在輸氣站場中的應用[J].油氣儲運，2005，24(05)：41-44+67-62.

[3]陳航.長輸油氣管道工藝站場的區域性陰極保護[J].腐蝕與防護，2008，29(08)：485-487.

[4]吳廣春，杜艷霞，路民旭，姜子濤，唐德志.接地系統對區域陰極保護影響規律及解決措施研究現狀[J].腐蝕與防護，2014，35(11)：1065-1068+1097.

[5]王飛.區域陰極保護電流密度及陽極地床設計探討[J].工程技術研究，2017(06)：191-192.

[6]劉玲莉，陳洪源，劉明輝，劉桂春.輸油氣站區陰極保護中的干擾與屏蔽[J].管道技術與設備，2005(02)：31-33.

[7]劉玲莉，陳洪源，劉明輝，劉桂春.輸油氣站場區域性陰極保護技術[J].油氣儲運，2005，24(07)：28-32+61-64.

[8]陳振華，柳寅，王德吉，藍衛.不同陽極形式在區域陰極保護中的應用效果[J].油氣儲運，2016，35(06)：629-633.

作者簡介：李振軍，1984年生，高級工程師，工程碩士，畢業于中國石油大學（華東），主要從事管道防腐管理工作。聯系方式：18963818228，lizj01@pipechina.com.cn。