某燃气门站区域阴极保护优化方案确定

陈涛涛,赵 茜,杜艳霞,濮春明

(1. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100011； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083;3. 国家管网西气东输分公司苏浙沪输气分公司，南京 210002)

区域阴极保护是将指定区域范围内所有需要保护的对象作为一个整体，依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的自由分配等，使被保护对象处于规定的保护电位范围之内。与传统的阴极保护不同，区域阴极保护的保护对象是一定区域内的埋地金属结构复合体[1-2]。该方法所需投资较少，能够有效减缓被保护对象的腐蚀速率[3]。区域阴极保护起源于20世纪50年代，最早应用于油田内部管道、套管、船舶等[4]。我国从20世纪70年代才开始区域性阴极保护技术的研究探索[5]，区域阴极保护起先仅用于油田的单井保护，但目前已广泛应用于长输管道油气输送站场的防护[6-7]。

与干线阴极保护系统相比，区域阴极保护具有保护对象繁多、保护回路复杂、保护电流消耗较高、屏蔽与干扰等问题[8-9]，因此在有限空间内阳极地床设计的难度较大。为了解决这些问题，基于阴极保护数值模拟技术及现场馈电试验方法得到发展和应用，使区域阴极保护的设计水平大幅提升。该方法能够节省大量的人力、物力，实现优化设计，国内外许多学者[10-13]利用数值模拟技术对阴极保护阳极地床进行优化设计，有效解决现场测试难度大以及依靠经验设计无法保证阴极保护效果的全覆盖等问题。目前，区域阴极保护技术在长输管道以及部分保护对象简单的站场中的应用已经较为成熟，而在城镇燃气门站尚未得到应用，技术相对落后[10,14-17]。

由于城镇燃气门站所处地下环境复杂，站场内埋地管网繁多，腐蚀失效案例时有发生，有必要对其进行区域阴极保护。本工作通过资料调研、现场试验及数值模拟，确定某燃气门站区域阴极保护的最优方案，为区域阴极保护在燃气门站的应用提供参考。

1 某燃气门站基本情况及资料调研

某燃气门站站内工艺区主要由过滤计量区、调压区、加臭区和生产区四个部分组成。站内需要保护的对象主要是埋地管道，同时站内大量防雷接地与管道相连，且无法与埋地管道进行电隔离，故将防雷接地的埋地部分也列入保护对象[1]。为保证实施方案的精准，在设计区域阴极保护方案之前，对该门站进行资料调研，并现场实地检验管道分布图的准确性，了解埋地管道结构的分布情况，确保位置的准确性。图1为该门站内管道及测试点分布图。由于埋地管道较多且分布复杂，故管道分布图可以为下一步开展现场馈电试验及数值模拟提供参考。

2 现场测试与试验

2.1 土壤电阻率

土壤电阻率是进行阴极保护设计的一个基本的参数。采用Wenner四极法对该燃气门站地下1.0～1.5 m的土壤进行电阻率测试,得到平均土壤电阻率约为39 Ω·m。

图1 某燃气门站站内埋地管道及测试点分布图Fig. 1 Distribution diagram of buried pipelines and test points in a gas gate station

2.2 自腐蚀电位测量

选取具有代表性的管道位置作为测试点，利用fluke万用表测量各测试点的自腐蚀电位Vn，参比电极为饱和硫酸铜参比电极(CSE)。

2.3 馈电试验

馈电试验即采用临时性阴极保护系统(电源和阳极地床)对拟保护对象进行通电极化试验，在此基础上获得不同区域的保护电流需求，并对比不同区域保护的难易[18]。

2.3.1 馈电试验过程

根据站内空间、管道分布位置和保护电位分布情况，确定阳极地床预埋位置和数量。针对该燃气门站的特点，设置了4个临时阳极地床。阳极地床的埋设位置见图1，材料为1 500 mm×50 mm×4 mm的镀锌扁铁。阳极地床埋设完成后，回土填埋，压实土壤，浇水润湿，以降低阳极附近的土壤电阻率。

对设备通电，通过调整直流稳压电源输出将管道电位调整到理想的电位后，开始极化。4个阳极地床输出如表1所示。

表1 4个阳极地床的输出设置Tab. 1 Output setting of four anode ground beds

待管道极化稳定后，开始进行管道阴极保护通、断电电位测试(简称通、断电电位)。在回路中串接断路器，通过对阴极保护电源进行通、断电来实现通、断电电位测试。在之前选取的自腐蚀电位测试点处测试并记录对应的通电电位Von、断电电位Voff，计算电位极化量ΔV(断电电位与自腐蚀电位之差)。文中电位如无特指均相对于参比电极CSE。

2.3.2 馈电试验结果

通过馈电试验得到4个阳极地床保护下各测试点处管道通、断电电位和电位极化量数据，结果如表2～5所示。按照-850 mV电位准则和100 mV极化准则对管道阴极保护进行评估[19]。

由表2可见，在1#阳极地床保护下，管道通电电位位于-2.86～-0.52 V，管道断电电位分布在-1.2～-0.48 V，电位极化量为-610～-30 mV。由于馈电试验条件限制，极化时间较短，以及防雷接地材料较多并吸收了大部分阴保电流，管道极化不完全。编号为1、28、32、33、34 的测试点没有满足100 mV极化准则，未得到有效保护。

由表3可见，在2#阳极地床保护下，管道通电电位位于-1.38～-0.44 V，管道断电电位分布在-0.83～-0.42 V，电位极化量为-320～0 mV。编号为15、16、19、24、28、29、30、31的测试点没有满足极化准则，处于欠保护状态，其他的测试点得到良好保护。

由表4可见，在3#阳极地床保护下，管道通电电位位于2.32～-0.62 V，管道断电电位分布在-0.94～-0.48 V，电位极化量为-450～-60 mV。编号为13、31、37的测试点没有得到有效保护。

表2 1#阳极地床馈电试验数据Tab. 2 Feed test data of 1# anode ground bed

表3 2#阳极地床馈电试验数据Tab. 3 Feed test data of 2# anode ground bed

由表5可见，在4#阳极地床保护下，管道通电电位位于-2.45～-0.7 V，管道断电电位分布在-0.97～-0.63 V，电位极化量为-370～-60 mV。除位置较远的23、15测试点外，所有生产区埋地管道极化量均满足要求，管道得到有效保护。

表4 3#阳极地床馈电试验数据Tab. 4 Feed test data of 3# anode ground bed

表5 4#阳极地床馈电试验数据Tab. 5 Feed test data of 4# anode ground bed

从4个阳极地床馈电试验结果可以看到，该燃气门站埋地管道电流衰减过快，阳极地床保护范围较小，不能对站内所有管道起到很好的保护。

以现场测试结果计算得到的电位极化量最小值为电位极化量的测试值ΔVtest，同时根据阴保设计目标和被保护结构物自腐蚀电位，计算出所需极化量的最大值ΔVreq，然后根据式(1)计算所需的阴保电流Ireq。

(1)

式中：Itest为阴保电流测试值，与电位极化量测试值对应。

由于极化特性是非线性的，利用式(1)计算的所需阴保电流可能会存在误差，为了降低该公式的计算误差，以下将利用数值模拟方法对电流需求量进行计算，并采用被保护结构物在实际土壤环境中的极化特性作为数值模拟的边界条件。

3 电流需求量的数值模拟及方案确定

该燃气门站内空间狭小，地下管道纵横交错且会相互发生屏蔽干扰，这给保护性预测带来一定的困难[18]。数值模拟方法则可以通过数学建模在阴极保护中调整或者确定阳极数量、分布等参数，计算出保护电位的范围，预测出保护效果，得到最优的阴极保护方案[1,20-21]。

3.1 模型建立

根据对某门站的资料查询和现场信息核实，建立了该门站区域性阴极保护系统的三维几何模型，如图2所示。

图2 燃气门站的三维模型Fig. 2 3D model of a gas gate station

3.2 极化边界确定

采用实验室测试和边界反演方法确定埋地管道防腐蚀涂层的状况。边界反演是指通过对阴极保护电场分布规律的研究来反演出管道极化边界条件，从而准确获得模拟阳极地床保护下管道阴极保护电位的分布情况。

采用Reference 3000型电化学工作站和三电极体系测量X42钢在土壤中的极化曲线。工作电极为尺寸10 mm×10 mm×5 mm的X42钢，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为混合金属氧化物(MMO)，介质为现场带回的土壤。扫描速率为1 mV/s，扫描范围为-1 200～200 mV(相对于开路电位)。调整面电阻率和破损率的取值，获得不同位置涂层极化的边界条件，如图3～4所示。

图3 X42钢在土壤中的极化曲线Fig. 3 Polarization curve of X42 steel in soil

图4 根据馈电试验反演获得不同区域的极化曲线Fig. 4 Polarization curves of different regions obtained by inversion of feed test

3.3 阳极地床优化方案

利用反演计算得到的阴极边界对阳极地床进行设计优化。分别计算获得了外加电流浅埋分布式辅助阳极地床、深井与浅埋阳极地床共同防护以及牺牲阳极三种情况下的优化方案。

3.3.1 方案1

方案1为外加电流浅埋分布式辅助阳极地床分布优化方案。在采用6组浅埋分布式辅助阳极地床情况下，通过数值模拟对方案进行优化，使站内埋地管道能得到有效保护。6组阳极具体位置如图5所示，阳极输出电流分别为-2.30，-6.80，-1.20，-2.45，-2.85，-2.15 A，共-17.75 A。采用-850 mV的阴保准则对数值模拟结果进行评价。根据数值计算得到外加电流阴极保护电位范围为-1 199～-851 mV，如图6所示。由图6可知，所有站内外管道得到有效保护，但管道电位衰减较快，站外电位较正。

3.3.2 方案2

方案2为深井与浅埋阳极地床分布优化方案。通过数值模拟优化获得当采用1组深井+4组浅埋阳极联合保护方式时，深井与浅埋阳极地床的具体位置如图7所示。阳极输出分别为-6.65，-2.20，-6.10，-1.10，-2.00 A，共-18.05 A。根据数值计算得管道保护电位分布云图，如图8所示。由图8可知，管道保护电位分布范围为-1 199～-852 mV，所有站内外管道得到有效保护，站外电位较负。

图5 方案1中阳极地床分布Fig. 5 Distribution of anode ground beds in scheme 1

图6 方案1保护电位分布云图Fig. 6 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 1

图7 方案2中阳极地床分布Fig. 7 Distribution of anode ground beds in scheme 2

3.3.3 方案3

方案3为牺牲阳极地床分布优化方案。在站内设置了17组牺牲阳极地床，具体位置如图9所示，这些阳极几乎覆盖了站场所有沿线管道。阳极设置恒电位为-1.55 V，计算得到管道保护电位分布云图,如图10所示。由图10可以看到，管道保护电位分布范围为-967～-561 mV，站内外少数管道得到有效保护，大部分管道没有得到有效保护。因此牺牲阳极保护不适应于该燃气门站的阴极保护。

图8 方案2保护电位分布云图Fig. 8 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 2

图9 方案3阳极地床分布图Fig. 9 Distribution of anode ground beds in scheme 3

图10 方案3保护电位云图Fig. 10 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 3

将不同情况下的阴极保护方案及保护效果进行对比，如表6所示。由表6可见，牺牲阳极地床形式使用的阳极数量远远超过另外两种方案，但只有少量的管道可以得到保护，多数管道无法得到保护；而浅埋阳极地床和深井+浅埋阳极地床形式可以使所有管道都得到保护，但采用深井+浅埋阳极地床形式时，站外电位较负，综合考虑现场的实施条件和保护效果，最终选择了外加电流浅埋分布式辅助阳极阴极保护方案。

表6 燃气门站阳极优化方案汇总Tab. 6 Summary of anode optimization scheme of a gas gate station

4 结论

(1) 通过现场馈电试验，对保护对象进行极化测试，可获得门站不同区域的电流需求量，通过检测埋地管道的阴极保护通、断电电位分布情况，可以确定各个区域保护的难易程度，为阳极分布以及保护电流需求量的最终确定提供非常有价值的参考。

(2) 数值模拟结合馈电试验数据，可以有效地预测不同阴极保护阳极地床分布方案下拟保护对象的电位分布，通过对阳极数量、分布、保护效果等参数进行对比，优化阴极保护阳极分布方案。

(3) 利用数值模拟技术对燃气门站区域阴极保护中外加电流浅埋分布式辅助阳极地床、深井与浅埋阳极共同防护以及牺牲阳极三种方案进行了计算和效果对比。结果表明，牺牲阳极方案中使用了大量阳极，但大部分管道仍未得到有效保护，外加电流浅埋分布式辅助阳极地床和深井与浅埋阳极共同防护都可以使管道得到有效保护。综合考虑现场的实施条件和保护效果，最终选择了外加电流浅埋分布式辅助阳极阴极保护方案。