苏丹油田站场钢管桩阴极保护状况分析及改进

袁振昆，徐金献，高光军

（中国石油工程建设公司苏丹分公司，北京 100011）

苏丹油田站场钢管桩阴极保护状况分析及改进

袁振昆，徐金献，高光军

（中国石油工程建设公司苏丹分公司，北京 100011）

对苏丹油田站场钢管桩阴极保护系统存在的问题进行了分析，并根据站场钢管桩阴极保护特点，结合苏丹油田土壤状况对钢管桩阴极保护提出了改进意见，包括阳极回路加装可调电阻、阳极焦炭包覆层采用透水性较好的非绝缘材料、将阳极埋地方式改为深井阳极地床、采用瞬间电位法判定阴极保护效果、对阳极进行灌水处理。改进后的钢管桩阴极保护效果良好。

钢管桩；阴极保护；阳极接地电阻；深井阳极地床

0 引言

苏丹目前的主要油田位于苏丹南部 （2011年7月9日，南苏丹独立后，部分油田位于南苏丹境内）。油田所处地区气温偏高 （年最高气温达48℃），旱季、雨季分明，一年中有6～7个月为旱季，6月到10月为雨季，其中7、8月份雨量最大。

苏丹某油田站场于2004年底开始建设，2005年投产运行。该站场钢管桩阴极保护系统在进行调试和投产运行时，存在部分桩管达不到阴极保护要求的情况，为此根据当时该站场阴极保护系统情况和调试投产时当地气候环境条件，对该站场阴极保护系统进行局部调整，最终达到要求。

1 阴极保护系统存在问题的分析及改进

苏丹某油田站场钢管桩采用强制电流阴极保护方法，设计R01、R02和R03三套阴极保护系统，分别用于保护动力区设施钢管桩、公用设施区钢管桩和库房区钢管桩 （见图1）。其中RO1和R02系统有6组阳极组，R03系统有3组阳极组。

1.1 阳极回路设计分析及改进

该站场阴极保护系统设计，采用一套阴极保护系统多个阳极回路分布方式 （见图1），而且每个阳极回路阳极数量不等。由于每一个阳极回路阳极数量不等、每一根阳极周围状况不同，造成每一个阳极回路的阴极保护输出电流不同 （见表1）。导致阴极保护电流分配非常不均匀，投产时部分桩管阴极保护达不到要求或不理想。

阴极保护系统投产时，正值当地旱季，土壤非常干燥，土壤电阻率高，为此对阳极进行了灌水处理，以降低阳极接地电阻，提高阴极保护电流输出，改善阴极保护效果。

表1系统阳极组电流输出测试结果

另外，建议钢管桩阴极保护设计中在每一个阳极回路中加装可调电阻，分别对每个阳极回路的电流输出进行控制，以保证阴极保护的均匀性。也可以采用多台小整流器，每个小整流器设1个或2个阳极回路，增加现场操作的灵活性，确保钢管桩的阴极保护效果。

1.2 阴极保护电位测试方法分析及改进

一般情况下，对钢管桩阴极保护效果的判定采用测量钢管桩阴极保护电位的方法，当钢管桩阴极保护电位≤-0.85 V（相对于铜/饱和硫酸铜参比电极）时，钢管桩达到阴极保护要求。该标准的应用前提是，在阴极保护电位测量时，参比电极距离被保护体相当近，测量中的IR降可以忽略。

阴极保护电位测量等效电路见图2。

表2 动力区阴极保护系统 （R01）测试结果

从图2可以看出：Ep=Vm-Ve，其中Ve=Icp×Rsoil（IR降），土壤中的阴极保护电流Icp和土壤电阻Rsoil将大大影响阴极保护电位测量结果。在站场钢管桩阴极保护电位测量中，土壤非常干燥，土壤电阻率非常高，同时由于阳极埋设方式为分散布置，局部土壤阴极保护电流较大，这些都大大增加了阴极保护电位的IR降，因此采用-0.85 V的标准对桩管阴极保护效果进行判定，容易出现误判情况。

本文对阳极灌水处理后的R01、R02、R03系统分别采用瞬间断电位法进行了测试，结果如表2～4所示。由桩管阴极保护电位测试结果可以看出，桩管去极化电位差＞0.1 V，达到阴极保护要求。

在这种情况下，采用瞬间断电位法进行判定，可以克服IR降对阴极保护电位测量结果的影响，尤其在苏丹旱季时土壤异常干燥的情况下是一种较为理想的测量方法。

表3 公共设施区阴极保护系统 （R02）测试结果

注：整流器输出电流：67.0 A，整流器输出电压：50.0 V。

表4 库房区阴极保护系统 （R03）测试结果

注：整流器输出电流：15.0 A，整流器输出电压：50.0 V。

1.3 阳极结构分析及改进

该站场阴极保护系统的阳极结构见图3。采用高硅铸铁阳极，阳极外包覆一层焦炭，焦炭外层用镀锌铁皮包裹。

焦炭层本来应起到防止 “气阻”、降低阳极接地电阻、延长阳极寿命的作用。但是该阳极结构中，焦炭层被镀锌铁皮包裹，焦炭层不能和土壤直接接触，使用早期不仅不能避免 “气阻”的产生，而且也不能显著降低阳极接地电阻。尤其阳极和焦炭层被镀锌铁皮包覆后，水很难进入焦炭层，大大影响焦炭层的导电性能，使阳极接地电阻居高不下，对阴极保护不利。

对于该阳极结构，在施工中应当对镀锌铁皮包裹层进行钻孔处理，以利于水的进入，从而改善阳极接地电阻。在以后的阳极制造中，对于焦炭包覆层可采用透水性良好的非绝缘材料。

1.4 阳极埋设方式分析及改进

该站场阴极保护设计采用浅埋阳极地床均匀分布的方式。从表2～4钢管桩阴极保护电流测试结果可以看出，钢管桩阴极保护电位分布非常不均匀，出现过保护的情况。

苏丹油田所处区域具有旱季、雨季界限十分分明的特征，浅埋阳极地床的每根阳极、每一阳极回路周围土壤干湿程度一年中会发生很大变化，其接地电阻值在一年中起伏很大。

针对这个问题，对钢管桩的阴极保护进行了改进：将阳极埋设方式改为深井阳极地床，取得了很好的效果。

深井阳极地床是深度15 m以下的竖直阳极。深井阳极地床的采用，可以克服因地表土壤电阻率高，阳极接地电阻大的问题，也可有效减少因季节变化对接地电阻的影响。而且阳极与被保护体间有一定距离，使保护电流分布更加均匀，同时采用深井阳极地床可以减小对其他金属构筑物的干扰腐蚀。

表5为某集输站采用钢管桩的阴极保护电位测试结果。

表5 某集输站钢管桩阴极保护测试结果

采用深井阳极地床的同时，在每个阳极回路中都加装了可调电阻。改进后的阴极保护系统测试结果表明，钢管桩阴极保护电位分布更加均匀，保护效果更好。

2 结束语

阴极保护系统从设计、材料到施工，直至投产后的运行乃至维护，各个环节紧密相关，任何一个环节的问题都会影响整个阴极保护系统的正常运行。针对该站场钢管桩阴极保护出现的问题，我们积极进行总结和分析，在以后的钢管桩阴极保护设计、施工中加以改进，达到了较好的阴极保护效果。

（1）阴极保护设计中，如果一个阴极保护系统中的一台设备带多个阳极回路，应当在每个阳极回路加装可调电阻，以利于阴极保护电流的均匀分布，提高阴极保护效果。

（2）在阴极保护电位测试和阴极保护效果的判断上，根据苏丹站场土壤情况，采用瞬间断电位法进行判定，效果良好。

（3）如果仍采用浅埋阳极地床，应对阳极结构进行改善，焦炭层包覆材料改为导电型透水良好的材料。

（4）考虑苏丹油田土壤状况，钢管桩的阴极保护系统设计，阳极地床的埋设方式宜采用深井阳极地床。

（5）应加强阴极保护系统运行后的维护。对于苏丹站场土壤状况，应当及时对阳极进行灌水等处理，以降低阳极接地电阻，改善阴极保护效果。

[1]NACE RP 0169-2002，Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

[2]NACE TM 0497-2002，Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

[3]NACE RP 0572-2001，Design,Installation,Operation,and Maintenance of Impressed Current Deep Groundbeds[S].

[4]Pierre R Roberge.Handbook of Corrosion Engineering[M].New York:McGraw-Hill，2010.

[5]胡士信.阴极保护工程手册[M].北京：化学工业出版社，2003.

[6]赵常英.输油站场区域阴极保护[J].石油工程建设，2010，（5）：48-50.

Analysis and Improvement of Cathodic Protection for Steel Pipe Piles in Sudan Oilfield Stations

YUAN Zhen-kun（China Petroleum Engineering&Construction Corporation Sudan Branch， Beijing 100011， China），XU Jin-xian，GAO Guang-jun

The problems in the cathodic protection system for steel pipe piles in Sudan oilfield stations were analyzed and the improvement suggestions were put forward according to the features of station cathodic protection and based on the soil conditions of Sudan oilfield,which include adding adjustable electrical resistance in anode circuit,using non-insulation material with good permeability as the protective layer of anode coke,changing buried anode into deep well anode ground-bed,applying instantaneous electric potential method to judge cathodic protection effect and watering anode.The improved cathodic protection effect of steel pipe piles was good.

steel pipe pile;cathodic protection;potential;anode grounding resistance；deep well anode ground-bed

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.019

袁振昆 （1965-）男，天津人，高级工程师，美国防腐工程协会二级涂装检验师 （NACE CIPZ），国家注册监理工程师，1987年毕业于天津大学腐蚀与防护专业，现从事油田地面工程项目管理工作。

2012-03-20