在运天然气站场追加区域阴极保护措施的难点及对策

延旭博

（河北省天然气有限责任公司管道分公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

我国自20世纪70年代末在油田集输站首次应用区域阴极保护技术，目前已在长输管道站场内已全面应用。而据国内长输管道站场区域阴极保护系统运行现状调查结果统计，站场区域阴极保护系统的一次设计的成功率远低于干线管道，投产后的有效保护率达到100%的站场不足20%。主要是由于站场埋地金属结构物复杂，接地系统庞大，干扰屏蔽问题突出，辅助阳极床施工受区域限制较大，系统回路较多，调试和测试较困难等系列问题，制约了区域阴极保护的应用效果。

1 区域阴极保护技术概述

站场区域阴极保护，是以保护站内埋地管道为目的，采用强制电流或牺牲阳极的方法，对站内埋地管道进行电化学保护。施加区域阴极保护后，站内埋地输气管道由防腐层被动防护转为阴极保护联合保护，大大提高了安全性。

1.1 区域阴极保护的必要性

在钢制管道腐蚀控制方面，阴极保护的有效性和必要性是经过长期试验和实践检验的。虽然，有些未设置区域阴极保护的输气站安全运行了20年以上，但这并不意味着仅靠喷漆的被动手段是可靠的，原因如下。

（1）出于防雷和防静电的需要，站内设置了与管道及其设备连接的庞大接地系统，且一般采用镀锌钢带等电位较高的金属，如果埋地管道防腐存在缺陷，就会发生电偶腐蚀；

（2）输气站在较为密集的空间内布置了大量的输气管道，且弯头、三通等管件较多，这些均需要进行现场防腐，其防腐质量与工厂预制成品相比有一定的差距，且现场防腐还受作业条件、作业工序、气象条件及施工人员本身技术水平的影响，其可靠性远低于干线管道。

因此有必要对管道进行阴极保护，强化站内埋地管道的薄弱环节，消除腐蚀风险。

1.2 区域阴极保护的方法

阴极保护系统可采用牺牲阳极法或外加电流法，而目前外加电流法应用较为广泛，其突出优点是输出电流可条件，适应不同的工况条件；阳极消耗低，寿命较长。采用强制电流法的输气站区域阴极保护系统一般由直流电源（恒电位仪）、辅助阳极（分布式浅埋或深井埋设）及参比电极、电缆等构成，如图1所示。

图1 强制电流区域阴极保护系统示意图

2 在运站场追加区域阴极保护的难点

2.1 原始资料缺失

对于在运站场，特别是一些运行年代较长的站场，往往经过多次改造、维修，原有的设计图纸已无法全面反映站场的现状，且经过电气化、智能化改造后，地下除了埋地管道外，还分布了大量的接地扁铁、电缆、信号线等，不仅影响设计的准确性，同时对施工中的风险控制带来不利。特别是影响较大的接地系统，与区域阴极保护设计分属两个专业，设计人员往往只能估计接地网的分布，估算接地网的规模，在设计时往往由于缺少充分的资料，而严重制约了设计的成功率。

2.2 接地系统的影响

随着输气站自动化、智能化水平的不断进步，其工艺管道、电气、自控、通信系统均与防雷防静电接地网连接，构成了庞大的接地网，且接地电阻很小（防雷相关规范要求小于4欧姆）。区域阴极保护以站内埋地管道为保护对象，但其很难实现与接地系统等的彻底绝缘，在已建成区域阴极保护系统的输气站实测发现，通过接地网流失的阴极保护电流可达恒电位仪输出电流的80%以上[1]，且由于接地系统电阻很小，极易造成对埋地管道的保护电流屏蔽和干扰。

2.3 地质条件的影响

输气站的地质条件对区域阴极保护的设计、施工和运行均有影响。对于经过多年运行的站场，土壤经过自然沉降，不同土层的土壤电阻率、含水量及微生物活动情况均会有所不同，在设计阶段单一的考虑土壤电阻率的影响是不充分的。

2.4 测试点设计

在区域阴极保护系统测试点设计方面，还存在设计不合理的问题，一般在大型的站场设计10～12个，中小型站场只有4～8个。根据长输管道区域阴极保护测试的结果分析认为[2]，以上的测试点数量远远达不到全面测试评估阴极保护效果的水平，或者测试点设计的位置不能反映出保护效果较差的区域。从表1可以看出，站场管道的保护电位存在明显不均匀的问题，仅通过有限数量的测量点无法反映其整体保护水平。

表1 某在运输气站馈电试验记录

2.5 系统回路设计

在系统回路设计方面，由于站场管道分多个区域，各个区域管道的规模不同，因此一般采用多个回路分区域保护[3]，而目前各个回路的通电点、区域的划分尚无相关的规定和要求。当一个回路的通电点，或管道靠近其他系统的保护管道或阳极，则会受其他系统干扰，导致该回路的输出偏低，管道保护电位就偏低。这也是目前站场区域阴极保护系统中常见的问题。

2.6 运行管理方面

在区域阴极保护系统运行管理方面，日常的保护电位测试是直接反映其保护效果的指标，而站场管道不同于干线管道，按测试桩的位置测量保护电位就能全面反映其整体保护效果。对于站场管道，其呈网状分布，各个区域对应回路的输出参数都存在差异，且各回路之间干扰问题突出，保护电位分布不均的情况较为普遍，和准确地测量和判断出保护不足的区域是关键，而目前还没有相关的标准和统一的经验可借鉴。目前的一些长输管道站场采用在管道周围埋设长效参比电极，或安装参比管、试片等多种方式进行测量。

3 在运站场追究区域阴极保护的对策

3.1 现场调研收资

在开展区域阴极保护设计的前期，需要调研输气站的基本情况，包括各类埋地管道的管径、长度、位置和接地极的分布等资料；对于图纸不齐全的，可以在现场进行小范围、多点开挖，验证管道及接地的分布。

3.2 馈电试验和数值仿真模型技术的结合应用

近年来，数值模拟技术已成为区域阴极保护系统设计优化的有效手段。即通过建立站场管道金属、土壤及阴极保护系统回路的数值计算模型，结合各种金属筑构物的极化特性，计算出阴极保护电流及电位的分布，并以此来指导和优化阳极地床的选型、布局及回路的设置[4]。数值模拟技术对区域阴极保护的设计优化提升有一定的促进作用，但其计算精度往往也受限于多种因素，特别是边界条件的确定，尤其是被保护管道的阴极极化边界条件、接地网金属的阴极极化特性及埋地金属结构的分布和规模，这些对计算结果有较大的影响。

馈电试验计算是在现场设置临时阴极保护站并埋设一定数量的阳极，组成简易的区域阴极保护系统，对管道进行通道并测量各点电位，通过对输出电流的调整实现该区域的阴极保护电位达标，从而得到埋地管道所需保护电流密度，用以指导设计。这种基于试验的方法弥补了理论计算的不足，特别是与数值模拟技术结合，可以弥补前期收资中的不足和错误。

基于上述两种技术的特点，在设计阶段可以将两者联合使用，即在输气站站场建模阶段，因接地系统的各类扁铁等分布、尺寸等很难准确测量，采用预估的方法。建模完成后，设置与馈电试验相同的边界条件，对比模型中的电位分布于馈电试验的真实数据，进而对模型进行校准和修正[5]。经过修正完善的模块可以良好的反映输气站的管道电位分布，是数值模拟计算成功的关键。

3.3 多回路智能测试设备的研发和应用

智能阴极保护参数测试远传设备在输气管道的干线上已广泛应用。配套各种试片，其可以按设定的频率采集多种阴极保护参数，包括通电电位、断电电位、自然电位、交直流电流密度等参数。在区域阴极保护领域，以往通过人工测试，一方面测试点有限，无法反映真实的阴极保护电位分布；另一方面，占用大量的人力和时间，测试的频率无法很高，在阴极保护系统因环境等因素变化时，电位随之变化，无法及时发现并调整恒电位仪的运行状态。此外，人工测量往往具有随机性和人为操作习惯带来的误差。

随着智能测试技术的发展，多回路智能测试设备已经可以应用在区域阴极保护测试桩领域[6]，其可同时具备多达5个以上的测试回路，在设定的时间采集不同位置的阴极保护参数，这些数据可以为恒电位仪的运行调节提供依据。

3.4 土壤环境监测仪的应用

管道的电化学腐蚀全程都发生在土壤当中，土壤的性质如电阻率、含水量、微生物、温度、沉降速度等受环境影响而不断变化，因此对这些数据进行记录和研究，有助于掌握不同地质条件下的区域阴极保护分布规律和地质条件变化对电位、电流的影响，进一步从本质对区域阴极保护系统进行全面有效性评价。

3.5 电绝缘的应用

实践和数值仿真的结果表明接地系统对区域阴极保护的影响是巨大的。对庞大的、低电阻的接地系统进行有效的直流电绝缘可以有效减少阳极用量和恒电位仪直流电流输出。

对于接地系统相对简单的输气站场，可以采用固态去耦合器等设备，在隔离直流的同时保证交流通过性，确保接地的安全可靠。对于接地系统较为复杂，无法全面做到直流电绝缘的输气站场，可以对接地系统进行分析，实现部分绝缘[7]。

4 结束语

（1）对于站内埋地管道，实施区域阴极保护是消减腐蚀风险，确保本质安全的有效手段。鉴于区域阴极保护的复杂性，必须进行详细的调查和合理的设计，降低设计风险；

（2）通过多种先进技术的综合应用，可以很好的克服在运输气站场追加区域阴极保护的问题，并提高管道保护率，优化恒电位仪的运行。