长输油气站场阴极保护

李军龙　徐　星　巩毅超　金刘伟　潘　媛

陕西宇阳石油科技工程有限公司,　陕西　西安　710018



长输油气站场阴极保护

李军龙徐星巩毅超金刘伟潘媛

陕西宇阳石油科技工程有限公司,陕西西安710018

摘要：为抑制大型油气站场地下金属构筑物的腐蚀,确保企业正常的生产经营活动,有必要了解站场阴极保护的技术特点,明确应用中影响保护效果的技术难点。基于施加在油气站场管网密集区的阴极保护存在着保护电流需求大、阳极床设计困难、对外部的干扰和屏蔽现象较为复杂等问题,通过分析站场阴极保护实施中的关键技术,明确了线性阳极作为辅助阳极有着其他传统阳极床所不具备的优势,可以有效控制干扰、减缓屏蔽。站场阴极保护是保证大型油气站场安全生产的重要防腐措施,线性阳极对提高站场阴极保护的防护效果意义重大。

关键词：油气站场；站场阴极保护；线性阳极；屏蔽；干扰

0前言

站场阴极保护技术是20世纪70年代后期石油工业的一项研究成果,目前正在石油系统全面推广,并取得了显著的防护效果与经济效益[1]。站场管道管径差异较大,阀门异构件较多,防腐层大多难以工厂预制,只能现场涂覆,涂层质量难以保证,加之保温管线包覆的聚丙烯胶粘带防水密封性较差,保温材料进水后,发生严重的保温层下腐蚀,使得站场埋地管道具有较高的腐蚀风险。站场防雷接地与阴极保护的矛盾突出,会造成大量保护电流无序漏失。较高的腐蚀风险加之阴极保护电流分布不均匀,给站场的安全运行带来隐患,不但影响了企业正常的生产经营活动,还造成了严重的环境污染。

工艺站场是长输油气管道必不可少的组成部分,其安全运行是向管道下游平稳、安全、足量输油输气的重要前提。因此,对站场施加阴极保护是很有必要的,这对贯彻“完整性管理”理念要求,抑制站内管网腐蚀意义重大,是确保站场安全运营,降低生产成本的有效手段。

1站场阴极保护设计路线

1.1保护方法的选择

站场阴极保护技术是防止埋地管道及金属构筑物腐蚀,保证工艺站场安全运行的有效措施。该技术依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的合理分配以及相邻近工作区的电绝缘措施[2-4]将站场某一区域内的所有预保护对象作为一个整体,使得被保护对象阴极极化,极化电位处于阴极保护准则要求的范围之内。

站场阴极保护有强制电流保护和牺牲阳极保护两种形式。牺牲阳极在高电阻率环境不宜使用，保护电流不可调，对防腐层质量要求高,需要定期更换,投产调试工作和后期管理运行较为麻烦,因此,只适用于保护电流需求量小、地质条件适宜的站场或对大型站场强制电流系统屏蔽点的补充保护。强制电流系统输出电流连续可调,保护范围大,一次性投入高,但保护年限长达30 a 以上,主要应用于压气站、输油泵站、油库罐区及油气集输联合站的阴极保护[5-6]。强制电流系统主要由恒电位仪、阳极地床和被保护金属构筑物(阴极)组成,此外还有参比电极、检测站、连接电缆和绝缘装置等。

1.2辅助阳极的选择

辅助阳极是保障阴极保护有效性的工程性结构单元,其作用是将保护电流经介质传递到被保护结构物表面。阳极床的设计原则：能够使被保护体获得足够保护电流,避免阳极与被保护体之间产生电屏蔽,且避免对线路管道和其他系统外构筑物产生干扰,故辅助阳极的类型选择和位置分布是阴极保护有效性的关键[7]。根据站场保护对象的分布情况,采用大量分布式小输出阳极,通过模拟软件优化阳极床的设计、均衡保护电流分布、控制杂散电流干扰等措施,达到预期的效果。目前国内用于站场阴极保护的地床形式主要有深井阳极、浅埋阳极和线性阳极,三种阳极的优缺点见表1。

表1辅助阳极布置形式优缺点对比

形式优点缺点浅埋阳极施工简单,可根据工程需要分布式埋设;费用低,容易检查地床各部分的工作情况保护电流电位分布不均,易产生干扰和屏蔽现象;存在气阻问题,影响保护电流的输出;占用较多土地空间,可能限制站场的改造与扩建深井阳极不受地形限制、占地小;阳极地床接地电阻小;电流分散性好,保护范围大;与浅埋阳极相比降低地表电位梯度,减轻对周围其他金属构筑物的干扰无法进行定量计算,完全凭经验;施工复杂,受地质条件限制,不可预见因素较多,存在较大风险;可能影响站外管道阴极保护系统线性阳极输出电流分布均匀,保护电位分布均匀;适用于不同土壤电阻率环境;能有效解决复杂管网区域内屏蔽和干扰问题;保护管网,可以弱化电绝缘条件要求;敷设安装较为方便单位长度成本高;施工中阳极发生断裂不易查找断裂位置

由表1可以看出,线性阳极的应用可以较好地解决复杂管网、储罐的屏蔽问题,还可以解决传统辅助阳极在阴极保护技术应用中的难点,如对外部结构的干扰、高电阻率环境介质中实施阴极保护及储罐底部的阴极保护电流分布等问题。

1.3站场阴极保护技术特点

与管道干线的阴极保护相比,工艺站场阴极保护的技术要求更高[8]。两个系统的主要保护特点对比见表2。

针对工艺站场地下金属构筑物所面临的腐蚀和安全性问题,应根据站场的现场条件实施安全、有效、经济的阴极保护。在确保保护区域内的结构获得充分保护的同时,最大限度地避免对其他结构的干扰。

2站场阴极保护的技术难点

2.1线性阳极的敷设

当采用线性阳极时,埋深应低于被保护体200 mm,因为埋地管道的腐蚀多发生在管体中心线下面。另外,保护罐底板外壁的线性阳极埋深为距离罐底板约600 mm,并根据罐基础砂垫层的设计坡度进行“环形”或“蛇形”敷设。线性阳极还可选配“Ⅰ”型和“T”型连接接头和阳极封头,可根据管道的走向任意截取和相互连接。线性阳极沿被保护构筑物敷设,间距不小于300 mm；当线性阳极与管道、接地极、或其他线性阳极交叉时,应采用隔离网套予以隔离保护。

表2站场阴极保护与管道干线阴极保护特点对比

项目站场阴极保护管道干线阴极保护保护对象埋地钢质管道、储罐底板多为单一管道保护回路非常复杂简单接地系统除管网、罐底板外,还包括接地网管道本身安全要求易燃易爆场所,要求高管道通常敷设在野外,要求相对较低保护电流需求站内设施与庞大接地网相连通,电流消耗量大小不易准确估计,只有小部分电流消耗在保护对象上主要消耗在防腐层破损处,需求量小,约为几安培阴极保护站设置在站场内,相对集中沿管道走向布置,需满足保护距离要求阳极地床设计非常困难,阳极类型的选择及安装位置在一定程度上受到限制阳极位置与管道的垂直距离不宜小于50m,选择余地较大干扰屏蔽干扰较多且难以控制,埋地金属构筑物紧密邻近导致区域内屏蔽干扰较少且容易控制,短路套管、涂层剥离等导致管道保护屏蔽运行调试对各回路进行综合调试,调整各回路的输出电流,使保护电流尽可能分布均匀,后期调整必不可少运行调试简单,一般不需后期整改

由于管道防腐层有差异,使得线性阳极在不同部位其输出电流不同。当线性阳极输出电流大时,会造成线性阳极附近有较高的阳极电压场,如果参比电极正好位于该电压场内,结构对地的电位值就会大于管道的实际保护电位,且电位读数极不均匀。因此,安装时要把参比电极和线性阳极分别安装在管道的两侧,尽量靠近被保护结构[9]。

2.2通电点和测试点的设置

由于站场设备较多,接地复杂,保护电流需求量大,通过多路恒电位仪、多通电点、多馈电点来满足保护准则要求。通电点位置应分区域设置在复杂管网的主管道上,同时要远离接地系统,调整通电点位置对控制各阳极床的输出和平衡各回路保护电流分布起着重要作用[10]。通电点包括恒电位仪阴极输出电缆与管道的连接点,以及为恒电位仪反馈信号的测试点,包括阴极电缆、零位接阴电缆和参比电缆。

测试点用于了解管道的保护效果,掌握阴极保护设施的运行情况。设置位置为距通电点最远的管道处、绝缘装置处、管道的折点处、跨接装置处以及接地系统中有必要设置测试点的地方等。

2.3干扰问题及预防措施

由于保护区域内对象繁多,地下金属结构复杂,线路管道常处于站场阴极保护系统阳极影响区内,受到站场阴极保护系统的干扰[11]。

某站场阴极保护辅助阳极采用浅埋阳极,站区阴极保护系统运行后,干线阴极保护系统恒电位仪输出即为零,同时下游出站端管线的极化电位较正常情况下偏移-500 mV左右。后期现场测试明确了干线阴极保护系统的控制参比电极(或通电点)处于站场阳极床的电压场影响区。由于干线保护系统以通电点附近管道的极化电位作为反馈进行恒电位调节,来自站内保护系统的杂散电流流入该管道引起控制点极化增大,干线阴极保护系统输出将自动下降为零[12],最终导致干线通电点附近过保护,而站场上下游管线无保护,增大了管线腐蚀的风险。

预防干扰的主要措施有：

1)提高站内埋地金属构筑物的防腐等级,减少阴极保护电流需求,优先选用大量分布式小输出阳极,如线性阳极；

2)根据平面布置图、埋地管网分布图合理设置通电点和基准信号点位置；

3)通过辅助阳极床的方式选择及位置设计,尽量降低站场阴极保护系统与线路管道阴极保护系统的干扰[13]；

4)当采用深井阳极时,干线通电点附近应设置排流防护措施来避免受到站内的干扰；

5)干线阴极保护系统采用恒电流输出,将站外控制参比移动至受站内保护系统干扰小的位置[14]。

2.4屏蔽问题及预防措施

站场阴极保护的屏蔽问题主要是由区域内埋地金属构筑物紧密邻近造成的。由于站内管道、阀、大型设备等与接地极、钢筋混凝土基础邻近且存在电性接触,流向该区域的保护电流会在土壤中产生电位梯度造成结构分流。当出现密集区屏蔽时,密集区外围的金属结构易对中央金属结构造成屏蔽,可采用多组阳极分散布置,远近阳极互为补充,使阳极周围的影响区相互充分叠加,改善整个区域内结构的保护电位[15]。

2.5接地系统的影响及预防措施

有效的电绝缘是保证阴极保护系统正常运作和有效性的前提,但油气站场一般均设置联合接地网,阴极保护和电力接地相互矛盾。为弥补非保护对象对保护电流的消耗,确保保护结构都能充分极化,只能提高阴保设备的输出功率,这样既消耗过多电能又不利于站场安全,同时使阳极体消耗过快,不能保证阴极保护系统的设计寿命。

某管道采用涂层与阴极保护联合保护,站场原设计仅采用涂层防护,后期因腐蚀严重补加了阴极保护。该站远阳极投运后,站场外围测点电位均满足阴极保护准则要求,但中央测点因屏蔽效应未达到设计要求；增加近阳极后,保护效果有所改善[16],但仍未彻底解决,主要是该站裸钢接地系统的屏蔽作用造成的；将接地体更换为锌合金,站场区域全部达到保护要求。测试结果见表3,表中电位数据相对铜/饱和硫酸铜参比电极测得,系统输出电压16.1 V,输出电流17.3 A,给定电位-1.25 V。

表3某输气管道站场阴极保护分步施工测试表

mV

对于大型油气站场接地系统,必须在设计阶段采取措施保证电力接地系统与阴极保护系统的兼容,采用锌合金等具有比管道更负电位的金属材料作接地材料可以起到阴极保护和防雷接地的双重作用。

3结论

站场阴极保护是保证大型油气站场安全生产的重要防腐措施,采用以分散式浅埋阳极+线性阳极为主的强制电流阴极保护,在主保护系统未达到保护准则的部位辅以牺牲阳极来实现。由于区域阴极保护所需电流量很大,深井阳极和浅埋阳极的电压场存在着对干线阴极保护的干扰,以及站内难以克服的电流屏蔽问题。而线性阳极可靠近被保护结构物敷设,提供均匀、有效的保护,干扰和屏蔽问题基本上不存在。建议以后国内大型油气站场阴极保护在设计中积极引入线性阳极技术,进一步推动我国站场阴极保护技术的发展。

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收稿日期：2016-02-27

作者简介：李军龙(1990-)，男，陕西渭南人，助理工程师，学士，主要从事油气田地面工程腐蚀与防护设计工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.016