阴极保护技术在孤东油田联合站的应用实践

朱益飞，张士杰，张恒钰

（中国石化胜利油田孤东采油厂，山东 东营 257061)

联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、污水处理、油田注水、原油稳定、天然气净化和消防等多个环节于一体的综合性生产过程。目前国内多数油田都已进入高含水后期开发阶段，随着油田采出液含水的增加，油田联合站的来液量增大、负荷增加，部分设备已处于超负荷运行状态。由于油井产出液中含盐、含硫、矿化度高、pH值偏碱，以及废水中含有细菌（硫酸盐还原菌SRB5-10μm）等物质，导致站内罐区的各种金属管网及储罐腐蚀严重，联合站内埋地管网及原油罐底的腐蚀穿孔泄漏现象频繁，不仅增加了油田生产开发成本，而且给油田的安全生产带来严重影响。原油储罐和管道使用寿命的长短直接关系到油田工业能否长期稳定和正常生产，也关系到油田的经济效益和成本。而原油储罐和管道的使用寿命主要受电化学腐蚀的影响，目前解决原油储罐和管道电化学腐蚀的主要方法是对其采取阴极保护措施。

一、站内罐区的各种金属腐蚀原因分析

站内埋地管网及原油罐底腐蚀情况受环境条件和腐蚀因素的影响很明显，埋地管网埋藏深浅不同，承受温度、压力和各种化学腐蚀因素的浓度不同，腐蚀情况也不同。研究发现，地下管道的腐蚀呈如下规律：管道腐蚀情况同管道埋藏深度、地层温度和各种化学腐蚀因素浓度成正比。在相同地层深度和相同化学腐蚀因素存在的情况下，温度每升高约30℃，腐蚀就会加大1倍以上。地下水中的溶解O2、H2S、CO2、阴阳离子、硫酸盐还原菌，原油中所含O、S、N元素及氧化物构成了地下复杂的多腐蚀因素环境，来自于地下油层的水、汽、油中化学介质的腐蚀，使浸渍在其中的金属钢管受到严重腐蚀破坏，轻者出现砂眼、穿孔，重者呈现出蜂窝状穿孔和断裂，导致最终报废。

二、阴极防腐蚀技术工作原理及阴极保护系统

阴极防腐蚀技术在油田防腐蚀中应用较多，可分为外加电流阴极保护和牺牲阳极保护两种，其原理都是利用金属在电解质溶液中，由于表面电化学的不均匀而形成腐蚀原电池。当阴、阳两极电流达到等电位时，管道腐蚀就被迫停止。图1为阴极保护原理示意图。

图1 阴极保护原理示意图

油田阴极保护系统通常是牺牲阳极法和强制电流法的综合应用，以下介绍该系统的主要组成部分。

恒电位仪：在强制电流法中，给需保护金属体提供连续可调的阴极保护电流。

辅助阳极：主要有深井阳极和阳极床，在强制电流法中，用来使恒电位仪所提供的阴极保护电流形成回路。

牺牲阳极：常用的主要有三大类，镁基（包括高纯镁）牺牲阳极、锌基（包括高纯锌）牺牲阳极、铝基牺牲阳极。主要用于强制电流不宜和不能使用的地方，如钢质储罐内等。

参比电极：是进行阴极保护系统测量时的参照极。油田用参比电极的主要种类有饱和甘汞参比电极（电极构成为Hg/HgCL2、饱和KCL）、饱和氯化银参比电极（电极构成为Ag/AgCL2、饱和KCL）、饱和硫酸铜参比电极（电极构成为Cu/CuSO4、饱和CuSO4）等。

电缆：主要有阴极电缆、阳极电缆、接零电缆、均压电缆、参比电缆、接阴电缆等，主要用于连接阴极保护系统的各组成环节。

控制台：主要是对阴极保护系统进行统一管理和集中控制。

自动监测系统：是阴极保护系统的辅助系统，主要对阴极保护系统运行效果进行实时监测。该系统主要包括腐蚀信号检测探头、腐蚀信号接收装置、自动监测系统主机等。

测试桩：是在巡查阴极保护系统各监测点时，提供电气接线的装置。

三、现场应用效果及应注意的问题

1.应用情况及效果

孤东油田一号联合站于1989年12月建成投产，该站在实施阴极保护技术防腐蚀措施前，站内埋地管网及大罐的腐蚀问题严重。2003年10月在孤东油田一号联合站内现场应用阴极保护系统，自动监控系统和控制台设在一号联合站污水处理站外输泵配电控制室内。从现场运行情况来看，该系统运行平衡，可靠性和稳定性好，站内埋地管网及大罐的腐蚀穿孔频率迅速下降，腐蚀穿孔发生次数由实施阴极保护防腐措施前的年平均63次下降到实施阴极保护防腐措施后的年平均6.7次，有效延缓了站内埋地管网及大罐的腐蚀问题，取得了良好的站区区域阴极保护效果。

2.应用注意问题

（1）现场实测自然电位与设计电位不符的问题。该问题是油田阴极保护系统调试过程中的普遍问题之一，若不能解决此问题，则无法判定阴极保护系统是否有效。

因目前油田阴极保护系统的自动监测装置和其他检测仪表，均不带智能温度修正功能，而需保护金属体相对于参比电极的自然电位，随着温度的不同偏移较大。故在不同温度环境下，进行监测自然电位时，需进行偏移电位修正。修正后的自然电位可按式（1）计算。

式中：Rzr——修正后的自然电位；

Rsc——实测自然电位；

Rqb——氢标参比电极25℃时的标准电位；

K——温度修正系数；

t——环境温度。

（2）当电力系统有较大负荷启停时，部分本来正常的阴极保护电位跳变为不正常的问题。

电力系统相对于阴极保护系统从电的角度而言，前者属高电压、大电流的交流电系统，后者属低电压、小电流的直流电系统；从施工角度而言，前者的接地系统属埋地铺设，后者的牺牲阳极、辅助阳极、输油管道、腐蚀信号检测探头也属埋地安装。电力系统中较大负荷的启停，必将出现不平衡电流，且通过其接地系统排入大地，而电力接地系统在自然地坪以下排流，以半球状形式散流，且其散流半径达15～20m。如果阴极保护系统的牺牲阳极、辅助阳极、输油管道、腐蚀信号检测探头，有一项处于电力接地系统散流区内，由于杂散电流的影响和干扰，必将导致阴极保护电位的跳变。

为了使阴极保护系统避免电力接地系统排流的影响和干扰，必须使阴极保护系统的埋地部分，处于电力接地系统排流区以外，即在电力系统接地装置半径20m以外埋设牺牲阳极、辅助阳极、输油管道、腐蚀信号检测探头等阴极保护系统的埋地部分。

（3）单台恒电位仪在调试时，各监测点保护电位均正常，当同时投运多台恒电位仪时，个别监测点保护电位跳变为不正常的问题。

当恒电位仪单独调试时，监测点处的保护电位均正常，当任意投运一台恒电位仪，调至监测点处保护电位正常后，在投运另一台恒电位仪时，监测点处的保护电位突然跳变为不正常。运用电荷基本性质不难发现，虽然两台恒电位仪所提供的阴极保护电流有各自的电气回路，但在两个电气回路相接近处，因同性电荷相斥，形成了阴极保护电流不能到达的“盲区”，若监测点正处于该“盲区”内，则会出现上述现象。要解决这一问题，就要使阴极保护电流“盲区”不覆盖监测点，现场有两种办法：一是将监测点从阴极保护电流“盲区”移开；二是调节恒电位仪的输出电流，使阴极保护电流“盲区”偏移。

四、结束语

油田联合站是油田生产重点保护单位，站内的埋地管网及大罐底板因使用环境恶劣，腐蚀严重，罐区的各种金属管道的防腐问题一直是石油行业的重要课题。石油开采行业期待更多新的防腐技术为石油化工管道提供更多防腐性能好、适于油田集输泵站的防腐蚀技术，用于油气集输泵站站内的埋地管网及金属储罐的防腐蚀，延长地下管道及设备的使用寿命，降低维修费用，最终降低石油开采生产成本。