城市燃气调压站的区域阴极保护数值模拟及试验研究

左 熠 邢琳琳 张继龙 高观玲 李 勇

（1. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035；2. 中国国际工程咨询有限公司，北京 100083；3. 中煤建工集团有限公司，北京 100161）

0 引言

随着我国能源升级进程的加快，城镇燃气行业发展迅速，调压站数量不断增加，燃气调压站周围环境的复杂性也在逐年加大[1]。目前国内燃气调压站的埋地燃气管线一般只有涂层防腐[2]，在建设初期除了对埋地管道进行绝缘层防护外，未采取其他的防腐措施。随着该区域燃气管线服役年限增加，站内燃气管网的涂层逐步老化、破损，腐蚀问题日益严重[3,4]。据统计，某城市燃气场调压站埋地管道由于周边土壤腐蚀性较强，且没有施加阴极保护，造成管道发生外腐蚀穿孔，导致燃气泄漏[5]。所以，为了进一步提高城市燃气调压站整体的安全管理水平，亟需对调压站区域范围内的燃气管线增加和补充有效的区域阴极保护措施。

燃气管网的区域性阴极保护技术，把某一区域内的所有燃气管道和附属设施作为一个整体进行控制和保护，由于保护区域范围内的对象较多，城市环境复杂，地下市政设施交错，范围较小，给辅助阳极地床的设计带来较大困难。近年来，随着电化学和计算机技术的快速发展，数值模拟计算技术为油气场站的阴极保护设计提供了有效解决方案[6,7]。该技术在输油气站场、压气站等长输管道得到广泛应用[8,9]，在复杂环境下的城市燃气调压站应用较少。本文通过现场测试和馈电实验，建立阴极保护电位分布模型，基于数值模拟技术优选出燃气调压站区域阴极保护方案，并结合现场应用进行效果测试和评价，为城镇燃气调压站区域阴极保护的应用和推广提供依据。

1 现场测试与试验

收集和分析站内埋地管网、接地网的分布、埋地金属构件的外防腐层状况、土壤电阻率分布情况及相关数据，开展电流需求量的测试和试验工作，设计燃气调压站的区域阴保方案。

1.1 绘制站内管网及结构物分布图

根据前期某燃气调压站的资料调研、现场调研和初步馈电实验绘制了站内埋地管道、排污管道、阳极地床位置和管道测试点的分布简图（如图1所示），为现场测试临时阳极地床位置以及数学模型的科学建立提供参考。

图1 某燃气调压站管网及结构物分布图

1.2 土壤电阻率测试

通过ZC-8土壤电阻率测量仪，选取2处，测试获得了某燃气站地面以下4m左右范围的平均土壤电阻率。所测的两处调压站站内土壤电阻率如表1所示。

表1 土壤电阻率测试结果

1.3 馈电试验

为了获得某燃气调压站区域阴极保护电流需求量和保护电位分布，在燃气调压站内建立临时阴保系统，进行馈电试验。结合前期测的站内管网和结构物分布情况，共选取3处位置埋设临时阳极地床。临时地床选择镀锌扁铁，采用直流电源为其提供阴保电流。

利用馈电试验得到的不同位置阳极地床的各测试点管道通断电电位测试结果，计算出管道电位偏移量ΔV=Voff-V自（CSE），如表2所示。根据现场馈电试验测试数据，分析了各阳极地床保护下的通电电位分布情况和断电电位分布情况，并且以100mV极化电位偏移准则作为保护判据，获得了站内埋地管道的保护情况。馈电试验结果说明在1#阳极地床的保护下，B1、B10、B12和B19四个测试点未达到保护标准，在2#阳极地床和3#阳极地床的保护下，管内所有测试点电位极化均超过了100mV。考虑主要是由于1#阳极地床所在位置的回路电阻较大，即使其输出电压很高，但输出电流仍较小，只有0.6A，而2#和3#阳极的输出电压虽小，但是回路电阻很小，因此输出电流较高，均达到了2A。

表2 （续）

表2 某燃气调压站馈电试验测试数据

1.4 几何模型建立

根据前期针对调压站的资料查询和现场核实信息，建立了调压站区域性阴极保护系统数值模拟三维几何模型，如图2所示。对所建立的三维几何模型进行数值计算网格划分，如图3所示。

图2 调压站埋地结构物三维几何模型

图3 网格划分

1.5 实验室极化曲线测试

在实验室测试获得裸钢在现场土壤中的极化曲线用于下一步边界条件反演。采用美国Gamry公司Reference 3000型电化学工作站进行测试。主要包括工作电极、参比电极和辅助电极的三电极体系，工作电极电极为尺寸为10×10×5mm的20#钢，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极是混合金属氧化物（MMO），介质为某燃气现场带回的土壤，扫描速率：1mV/s，扫描范围为在开路电位基础上从-1.5V扫到1V。阴极极化曲线如图4所示。

图4 阴极极化曲线

1.6 边界反演

通过不断改变涂层面电阻率和破损率来调整涂层管道的极化特性，并以馈电实验得到的断电电位测试数据作为对比条件，最终获得带涂层管道的极化边界条件，在此基础上再对阳极的优化分布方案进行计算。表3为管道涂层反演结果，图5中（a）、（b）分别为1#阳极地床和3#阳极地床保护下模拟断电电位与反演结果对比。从图5可以看出，实测电位与模型计算电位拟合效果较好，说明我们建立的数学模型基本可靠。

图5 模拟断电电位与反演结果对比

表3 调压站内埋地燃气管道反演涂层结果

2 某燃气调压站区域阴保方案数值模拟计算

基于反演计算得到的燃气管道极化边界条件，再进行阳极地床分布优化设计，通过调整阳极分布位置、数量和阳极地床形式，得到了深井阳极地床、浅埋阳极地床保护下的管道保护效果，对比不同的阳极地床方案，获得最佳阳极地床方案。

当在调压间南侧站内设深井阳极地床1处，阳极深40m，活性段长度为20m，具体位置如图5所示，阳极输出电流为-9.72A。管道保护电位分布云图结果如图6所示，结果表明，电位分布范围为-0.85～-1.193V（CSE），站内、外的燃气管道均得到了有效保护。

图6 方案1城市燃气调压站阳极地床位置分布图

分别在进线管道靠近大门一侧、过滤区南侧、调压间南侧和北侧埋设4处浅埋阳极地床，阳极的位置如图7所示，1#～4#阳极地床的输出电流分别为-4A，-4A，-1.8A，-0.8A，共10.6A。云图结果如图8所示，电位分布范围为-875.17 mV～-1198.3mV （CSE），站内外所有管道得到有效保护。

图7 方案1城市燃气调压站保护电位分布云图

图8 方案2城市燃气调压站阳极地床位置分布图

综合以上两种阳极地床优化研究结果，以及燃气调压站实际测试和勘察工作，由于该站地理位置位于北京西北方位，地层中岩石层结构较浅，根据经验难以开挖深40m的深井阳极，因此该站最终采用浅埋分布式阳极地床，阳极地床具体位置如图7所示。

3 某燃气调压站区域阴保效果测试

根据以上研究形成燃气调压站的区域阴保方案，并开展了现场应用。施工完成，区域阴极保护系统投产运行后，对整个燃气调压站的保护效果进行了现场检测，并与管道极化电位模拟计算结果做了对比分析（如图8所示），埋地管道极化电位在-0.93～-1.10V（CSE）之间，满足相关标准要求。构建完成后，测量图8中某些点的电位，对比如图9所示。从图9可以看出，数值结果与现场数据吻合较好，最大相对误差小于5%，说明数值模拟对于预测此类站CP系统的性能是有效的。

图9 方案2城市燃气调压站保护电位分布云图

图10 管道极化电位模拟计算与实际测量对比图

4 结语

通过燃气调压站区域阴极保护数值模拟及保护方案研究，可以得到以下结论：

（1）现场馈电试验法可以准确确定在役燃气调压站的阴极保护电流需求量；

（2）基于馈电试验结果反演获得带涂层管道极化边界条件的计算方法，能够确认管道极化阴极边界条件；

（3）利用数值模拟计算方法能够预测城市燃气调压站的保护效果，为阳极地床设置提供多种参考和解决方案，同时也为复杂城市环境下的城市燃气调压站在技改过程中的区域阴极保护设计提供有效途径。