某压气站区域阴极保护效果评价及基于数值模拟方法的整改方案研究

孙冰冰

中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司，新疆乌鲁木齐830012

某压气站区域阴极保护效果评价及基于数值模拟方法的整改方案研究

孙冰冰

中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司，新疆乌鲁木齐830012

某压气站区域性阴极保护系统采用1套4回路外加电流保护方式，阳极地床为柔性阳极和高硅铸铁浅埋辅助阳极地床。为了掌握站内区域阴极保护效果，开展了详细的现场测试，在此基础上对其效果进行了评价，并针对目前存在的部分区域阴极保护不符合要求，以及站内外存在干扰问题进行了数值模拟计算和现场试验研究，确定了整改方案，最终取得了良好整改效果。

压气站；阴极保护；效果评价；数值模拟计算；整改方案

0 引言

某压气站区域阴极保护（简称阴保）系统采用柔性阳极加高硅铸铁浅埋辅助阳极的外加电流保护方式，保护对象为埋地管道和接地系统，其中接地系统包括水平接地体和垂直接地极，水平接地体材料为镀锌扁铁，垂直接地极材料为镀锌扁铁和低电阻接地模块。现场测试发现，站内部分区域电位异常，存在欠保护和过保护区域，同时站内区域阴保系统第2回路开启后，西二线干线阴极保护恒电位仪输出为零，存在严重的阳极干扰，亟待整改。本文通过现场检测和试验，结合数值模拟计算对站内区域阴保效果进行评价，并对其整改方案进行了研究。

1 某压气站区域阴极保护效果评价

该阴极保护系统使用福建三明PS-3F型1套4路恒电位仪，输出电流、电压为30 A、50 V。其中第1回路保护站区接地系统，第2回路保护工艺装置区、收发球筒区、放空区及其周围管网，第3回路保护压缩机区及其周围管网，第4回路备用。站场两端的西二线长输管道采用跨接的方式，由1台外加电流阴极保护系统提供保护，阳极地床为浅埋高硅铸铁阳极地床，采用福建三明HPS-1D型恒电位仪，输出电流、电压为15 A、40 V。

1.1 恒电位仪初始运行状态

阴保系统建后成初始运行时，各恒电位仪的运行参数见表1。由表1可知，阴保系统初始运行时，第2回路阴保回路未能正常开机，检查后发现是因为控制电位设置为0 V，而现场长效参比电极测量反馈的保护电位为-750 mV，控制电位与保护电位的差值超过了恒电位仪的设定值，造成了设备报警。第1回路、第3回路及干线阴保系统通电点处的断点电位均正于-850 mV（CSE，即铜-硫酸铜参比电极，下同），未达到保护要求，需增大恒电位仪输出。

1.2 站场内区域阴保电位现场检测及分析

根据恒电位仪的初始运行参数，结合被保护物的自然电位，调整西二线区域阴保系统恒电位仪的输出。调整后的运行参数见表2。调整后，为了全面反映某站区域阴极保护效果，对某站内9个子区域，共169处通断电电位进行了测量。其中，博乐分输及调压区28个测量点，过滤及分离区38个测量点，排污罐区4个测量点，进站阀组区11个测量点，收球区7个测量点，发球区6个测量点，出站阀组区3个测量点，压缩机空冷区56个测量点，压缩机厂房周边16个测量点，具体检测结果见表3。

表1 西二线站场区域及干线阴保恒电位仪初始运行参数

表2 西二线站场区域阴保系统恒电位仪调整后运行参数

表3 西二线站场区域阴保断电电位统计

同时站内区域阴保恒电位仪运行参数调整后，干线恒电位仪无法正常工作，现场检测研究发现主要是因为区域阴保第2回路的阳极地床距离西二线汇流点和控制参比电极过近，使得控制参比电极的实测电位超过了预定的控制电位，从而导致干线恒电位仪无输出，说明区域第2回路阴保对线路阴保存在较强的阳极干扰。为考虑干扰是否对线路断电电位产生较大影响，调整线路的控制电位，使得其输出电流保证在未受干扰的水平，然后与区域阴保恒电位仪同步通断，测得线路进出站端与站内侧的电位，检测结果见表4。

表4 进出站绝缘接头两端电位测量

由表3可以看出，在所考察的169处测量点中，过保护的点只有一个，位于过滤及分离区；进站阀组区电位偏正，不满足-0.85 V的保护要求；压缩机区域由于采用高硅铸铁浅埋分布式阳极引起阴保电流分布不均匀及电流屏蔽，导致该区域电位分布范围大，保护效果较差。总体而言，某站区域阴极保护效率不高，特别是在进站阀组区和压缩机区域附近，存在欠保护区域，有待进一步整改。

表4测量结果表明，将线路的电位控制点移动到强阳极干扰区之外，同时保持系统输出电流不变，测得线路出站侧靠近站场的管段断电电位为-1.20 V，未发生过保护现象。为了避免干线阴极保护系统受到区域阴保系统的干扰，可以通过移动控制参比电极的位置进行一定程度的缓解，将干线阴保系统的输出恢复至受干扰前的水平，同时为了避免过保护的情况，尚需要在站场附近开展密间隔电位测试。

综合以上内容可知，西二线某压气站区域阴保系统主要存在以下两方面问题：

（1）站内区域阴保系统保护效率不高，存在一定的欠保护区域。

（2）站内区域阴保第2路对西二线干线阴保系统产生严重的阳极干扰，导致干线阴保系统无法正常运行。

2 某压气站区域性阴极保护系统整改方案研究

针对某站区域阴保系统存在的问题，利用数值模拟计算软件进行整改设计和效果评估[1-5]。

2.1 某站模拟计算结果与现场测试对比

首先根据某站内埋地管道和接地极相关信息，利用数值模拟计算方法进行建模计算，计算结果见图1。

图1 某站区域阴保电位分布模拟计算结果

从图1中可以看出，绝大部分管道电位分布范围为-0.84～-1.3 V，水平接地体电位为-0.46～-0.9 V，垂直接地极电位分布在-0.26～-0.76 V之间。

为了验证模拟计算的准确性，将计算结果与现场测试结果进行对比，见表5。由表5可知，两电位值吻合程度很高，除个别点外，大部分区域相对误差小于10%，说明模拟计算方法可以较好地模拟现场实际情况。

表5 数值模拟计算与现场测试电位对比

2.2 某站内区域阴极保护系统整改方案研究

初步分析，造成某站内存在欠保护区域的原因可能有两方面，一方面是站内存在大量的接地极，由于接地系统材料多为裸金属，与埋地管道相连时会消耗大量的阴保电流，特别是低电阻接地模块，导致站内部分区域管道电位偏正；另一方面，站内各阴保回路之间相互影响，导致部分区域电位出现异常。综合考虑整改方案现场实施的可行性和经济性，分以下两步进行整改。

（1）将站内低电阻接地模块垂直接地极换成锌包钢，研究发现锌包钢与阴保系统兼容性较好，同时锌接地极可作为牺牲阳极为管道提供保护[6-7]。

（2）对站内阳极地床进行整改，在欠保护区域优化分布浅埋分布式阳极地床。

2.2.1 将站内低电阻接地模块接地极换成锌包钢接地极（方案一）

更换后计算结果见图2。由图2可见，整改后绝大部分管道电位分布范围从-0.84～-1.3 V变成-0.9～-1.3 V，管道电位出现一定的负移。但是由于低电阻模块较少，管道仍有部分位置电位正于-0.85 V，需要进一步设计。整改前水平接地极电位分布范围为-0.46～-0.9 V，低电阻模块区域内垂直接地极电位约-0.26 V，其他区域垂直接地极电位分布在-0.52～-0.76 V；整改后水平接地极电位分布在-0.46～-0.92 V，较整改前负移了约20 mV，由于将低电阻模块换成锌包钢，所以整改后对应区域垂直接地极电位变为约-0.96 V，其他区域接地极电位为-0.57～-0.84 V，较整改前负移了约60 mV。

2.2.2 阳极地床整改（方案二）

整改方案一实施后，仍有局部管道电位异常，电位异常区域见图3。其中1号处管道电位较负，电位分布范围为-1.30～-1.35 V；2号处管道电位约为-0.77～-0.82 V，电位较正，未达到保护；3号处管道电位约为-0.78～-0.95 V，且该处大部分管道电位分布在-0.78～-0.85V，正于欠保护电位，应进行优化整改；4号处管道电位约为-0.81～-0.85 V，管道未得到足够的保护；5号处管道电位约为-0.79～-0.83V，未达到保护值。

图2 整改方案一模拟计算结果

图3 整改方案一完成后站内电位异常区域

针对以上管道电位存在的问题，对站内部分区域阳极地床进行了优化，共增设12只浅埋阳极，阳极位置见图4。整改后计算结果见图5，整改后站内所有管道电位分布范围为-0.89～-1.2 V，取得了良好的保护效果。同时，调整接地系统阴保回路输出使其电位达到标准范围。

图4 整改方案二阳极布置位置示意

图5 整改方案二模拟计算结果

2.3 某站内区域阴保对西二线干线阴保系统干扰整改方案研究

针对某站内区域阴保第2回路对西二线干线阴保系统造成阳极干扰的问题，开展了干扰范围的模拟计算以及现场测试，并提出了干扰问题的整改方案。

2.3.1 某站内区域阴保对西二线干线阴保系统干扰范围研究

确定整改方案前，利用数值模拟软件确定阳极干扰范围。首先模拟计算了不存在干扰时，站场附近线路的阴极保护电位分布，见图6。由图6可见，不存在干扰时，站场附近线路保护电位能达到-1.0 V左右，保护效果良好。当存在干扰时，站场附近出站和进站线路的阴极保护电位分布分别见图7、图8。由图可见，存在干扰时，站场附近线路由于受到阳极干扰的影响而发生电位负移，但未发生过保护的情况。以淡绿色代表的-1.0 V为无干扰时的正常电位标志，可见该阳极干扰的影响距离可能达到200～300 m。

图6 不存在干扰时站场附近线路阴极保护电位分布

图7 存在干扰时站场附近出站线路阴极保护电位分布

图8 存在干扰时站场附近进站线路阴极保护电位分布

同时，对区域阴保对线路阴保的影响范围进行现场实验，将区域阴保恒电位仪调整为通断运行，沿管道出站下游方向测量干线不同点处的通电电位，结果见表6。

表6 站内外阴保干扰影响范围测量结果

由表6可知，将便携参比电极移到出站绝缘接头外350 m处时，区域阴保第2回路通断电对干线阴保电位没有影响，均为-1.26 V，所以干扰范围大约为350 m，与数值计算结果相符。

2.3.2 某站内区域阴保对西二线干线阴保系统干扰初步整改方案

根据之前现场测试结果及数值模拟结果，提出如下整改意见。

西二线干线171#测试桩距站场约为500 m，模拟结果及现场测试结果表明，阳极干扰的大致影响距离可能达到300 m，出于保守考虑，可将171#测试桩所在位置作为控制参比电极需要移至的位置，这样也可不必为长效参比电极树立新的标志桩。当然，也可以通过现场测试再来确定一个距站内更近的位置作为控制参比电极需要移至的位置，但要充分考虑站内阴保系统电流随时间变化的影响。

尽管调整控制参比电极位置可以消除恒电位仪所受干扰，但受干扰管道是否满足保护要求，还需同步通断站内外阴保系统，通过进一步的测试才能确定。若测试结果显示干扰未被完全消除，需要对站内区域阴保阳极地床进行优化改造，必要时需采取排流措施，如采用牺牲阳极排流地床等。

[1]De Giorgi V G，Wimmer S A.Geometric details and modeling accuracy requirements for shipboard impressed current cathodic protectionsystemmodeling[J].EngineeringAnalysiswith Boundary Elements，2005，29（1）：15-28.

[2]Zamani N G.Boundary element simulation of thecathodic protection system in a prototype ship[J].Applied Mathematics and Computation，1988，26（2）：119-134.

[3]邱枫，徐乃欣.用带状牺牲阳极对埋地钢管实施阴极保护时的电位和电流分布[J].中国腐蚀与防护学报，1997，17（2）：106-110.

[4]邱枫，徐乃欣.码头钢管桩阴极保护时的电位分布[J].中国腐蚀与防护学报，1997，17（1）：12-18.

[5]Riemer D P，Orazem M E.A mathematicalmodel for the cathodic protection oftankbottoms[J].Corrosion Science，2005，47（3）：849-868.

[6]Gummow R A.Cathodic Protection Current Requirements For Electrical Grounding Materials[A].Corrosion/2004[C].Houston，Texas：NACE，2004.562.

[7]Kirkpatrick E L，Shamim M L.Copper Grounding Systems Have a Negative Effect on Cathodic Protection in Production Facilities[A]. Corrosion/2000[C].Houston，Texas：NACE，2000.743.

Effect Assessment of Regional Cathodic ProtectionSystemat Certain Compressor Station and Reform Program Based on Numerical Simulation Method

Sun Bingbing
PetroChina West Pipeline Company，Urumqi830012，China

Afour-circuit impressed current cathodic protection system is applied in a certain compressor station with the anode bed composing of flexible anode and shallowly buried high silicon cast-iron auxiliary anode.In order to realize the protective effect of the regional cathodic protection system，detailed field tests have been carried out.Based on the results of field tests，effect assessment is conducted，then the reform program to solve the problems of inadequate protective effect and interferences between pipelines outside and inside the station is determined by numerical simulation computation and field experiments.

compressor station；cathodic protection；effect assessment；numericalsimulation computation；reform program

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.018

孙冰冰（1988-），女，河南商丘人，助理工程师，2009年毕业于中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，现从事管道防腐、阴极保护专业技术研究工作。

2014-04-09