大型复杂在运输气站区域阴极保护设计和应用

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

随着站内管道完整性管理理念的普及，对在运输气站场追加区域阴极保护已成为腐蚀控制的必要手段。对于运行多年、经过多次扩建的站场，其工艺流程及接地系统复杂、新旧管道互联互通，且地下的各类电缆位置、埋深情况不明，区域阴极保护的设计和实施存在一定难度。单纯的理论计算已无法满足其设计的需求，在详细调研的基础上，结合馈电试验和数值仿真的方法，对区域阴极保护系统进行设计，并检验其效果。

1 概述

1.1 输气站基本情况

输气站Z位于华北平原地区，占地面积40亩，涵盖三条输气主管线以及两条支线管道，基本参数如表1所示。

站内工艺管道建成年代不一，材质不同，早期站内工艺及接地系统图纸已无法参考，另外经过多次改造，如加手动阀门更换为电动阀门、就地压力表、温度表更换为压变、温变等，新增大量接地。近年随着输气量增加和管网互联实施，在老旧工艺区东侧新建工艺区。厂区平面图如图1所示。

图1 输气站Z平面图

1.2 资料调查

在资料收集和调查阶段，主要调研站场工艺管道管径、埋地管道基础参数、现场测量土壤环境条件、接地网的规模、材料类型以及区域的分布情况，以便充分掌握站场的相关资料，分析实施区域阴极保护的可行性条件及需要注意的问题。

（1） 现场埋地管道调研情况

站内区域阴保的对象包括站内埋地工艺管线、放空管线、排污管线等。埋地管道规格有Φ20～Φ1219等多种，总长度约2641m，总表面积约2502m2，统计表如表2所示；

表2 站内埋地管道规格统计表

（2）土壤电阻率调研

经使用ZC-8接地电阻测量仪实地测量，Z输气站的土壤电阻率调研数值如表3所示；

表3 站内土壤电阻率调查表

（3）其他资料收集

收集Z输气站的工艺流程图、新建工艺区的设计资料、接地系统资料、与管道连接的放空、排污管道资料及所在区域的地质勘查报告等。

2 Z输气站区域阴极保护系统设计

2.1 保护方式选择

对于工艺简单、规模较小的站场，可以考虑采用牺牲阳极法保护，但该方法电流输出量小，对于大型场站很难实现有效保护。结合GB/T 35508-2017《场站内区域性阴极保护》等规范要求，采用强制电流法，同时输气站X工艺较为复杂，阴极保护电流消耗量大， 采用多回路设计，避免单回路负荷过大、电流分布不均匀等问题。

2.2 阳极布置方式

在已建成的站场追加区域阴保系统，阳极布置方式可以采用分布式浅埋阳极地床、深井阳极地床或两种方式结合[1]。

（1）分布阳极多用于地表空间较大，且土壤电阻率不高的情况下。分布式浅埋阳极地床在合理布置的前提下，自身干扰较小，可以使被保护体拥有更为均匀的电位分布。分布式浅埋阳极对站内空间的要求较高，站内开挖工程量大，特别是补加区域阴保的站场，在开挖中难免与已有的接地系统、各类动力、通讯的强弱电的电缆交叉，增加施工风险。此外，在间距较近的情况下，分布式浅埋阳极会产生比较大的干扰问题，屏蔽现象也很突出，远离阳极的被保护体不能被保护[2]；

（2）深井阳极地床是通过钻井技术，将阳极竖向布置的形式。该布置方式占地小，可以避免大面积开挖，可最大程度的远离工艺区施工，地下隐蔽工程破坏风险低，因此较为适用在运输气站追加区域阴极保护措施时使用。但深井阳极的电流覆盖区域较大，如果站场周边存在其他金属构建物，如化工厂、修理厂等，保护电流容易流向站场外的其他金属构建物，因此在工业企业较为密集的开发区、工业区等位置应慎重使用。此外，深井阳极地床在工作中，受保护的管道作为一个整体被极化，保护区域内部管道及接地系统间容易发生屏蔽。即接地较为密集的区域保护电流大量流向接地系统，管道保护不足，因此需要结合分布式阳极进行调整和优化；

（3）输气站X的阳极地床布置方式

结合上述情况，为减少工艺区内施工，降低风险，同时兼顾经济性和保障区域阴保系统效果，输气站X的阴极保护系统在设计中以深井阳极为主，同时采用分布式浅埋阳极补充阴极保护系统中屏蔽严重的薄弱环节，优化整体电流分布。

2.3 保护回路设计和恒电位仪选型

（1）保护回路设计

由于区域阴极保护系统的复杂性，为了提供更好的保护效果，一般将站场分为多个保护区域，进行多保护回路设计[3]。在输气站X的阴极保护系统中，根据其埋地管道的特点，为其设计4各回路，在原工艺区和新建工艺区分布设置1个深井阳极地床回路、1个分布式浅埋阳极回路；

（2）恒电位仪选型

根据回路设计，区域阴极保护的电源设备选用1机5回路交流恒电位仪，4用1备。为了确定其具体输出功率等参数，还要对输气站X阴极保护系统的电流需求量进行进一步的研究。

1）理论计算

依据《GB/T 21448-2017 埋地钢质管道阴极保护技术规范》等规范要求，输气站X区域阴保系统对电流要求计算如下：

根据图纸及现场调研涿州站埋地管道规格有Φ20-Φ1219等多种，总长度约2641m，总表面积约2502m2，埋地管道防腐为冷缠带防腐层，采用保守电流密度0.8mA/m2。根据管道表面积计算阴保电流需求I1=2502m2×0.8mA/m2=2A。

考虑到输气站内庞大的接地系统影响，大量的阴极保护电流将通过接地系统流失，相关研究表明这部分流失电流可达整个阴极保护系统的85%以上。设计过程中，接地体表面积的大小会直接影响所需提供保护电流的大小。而接地体面积的统计往往比较困难，为保证足够的系统余量，在计算保护电流大小时，需要在管道（以裸管对待）表面积的基础上乘以一个系数来表征接地体消耗的阴保电流。此次设计中系数取1.5。裸金属采用电流密度按10mA/m2计算，接地极阴保电流需求I2=2502m2×1.5×10mA/m2=37.53A。

管道加接地极的总阴保阴保电流需求为I=I1+I2=39.53A。如果电流平均分配到4路恒电位仪，每路恒电位仪输出电流10A；考虑电流分布中一定的不均匀性，考虑2倍的裕量，选型为恒电位仪规格定为40V/20A；

2）馈电试验

可以看到，上述理论中对于接地系统的影响，采用了基于经验和参考同类项目进行估算的方法计算其电流消耗，具有一定的误差风险。为此，采用现场馈电试验的方法对上述计算进行验证。

在该输气站现场进行馈电试验，馈电总电流10A，新旧工艺区内的工艺管道、排污管道、放空管道的出入土点断电电位均负于-850mVcse。通过馈电试验，同样证明40V/20A恒电位仪可以满足需求。

2.4 阳极材料选择

站内区域阴极保护的阳极可采用的阳极材料有石墨阳极、高硅铸铁阳极、混合金属氧化物阳极（MMO）、柔性阳极等[4]。石墨阳极虽然造价较低，但容易损坏，近年逐步被淘汰。柔性阳极一般用于新建站场与埋地管道同沟敷设，保护效果较好，但如果用于在运站场改造，工程量较大。因此，在运输气站场追加区域阴极保护使用高硅铸铁阳极或者MMO阳极较为适宜，两种阳极材料均由良好的导电性能、稳定耐用。对比高硅铸铁阳极消耗率≤0.45kg/（A·a）和MMO阳极消耗率＜1mg/（A·a），考虑到场站区域阴保所需阴保电流较大，从消耗率、使用年限角度来对比，采用MMO阳极可保证隐蔽工程较长的运行年限，避免后期阳极失效导致的再次开挖。

2.5 阳极布置优化

阳极的布置是否合理决定了阴极保护电流是否能够均匀分布，有效的对全站埋地管道进行保护。以经验为基础的设计方法缺少科学的分析和计算，已无法满足区域阴极保护系统设计的需要。结合基础资料调查、馈电试验数据，采用数值模拟软件，对输气站的管道、接地系统等进行建模，并采用有限元计算法，优化阳极的分布，同时可以直观的看到电位的分布情况[5]，如图2所示。

图2 输气站X数值仿真电位分布图

通过数值仿真的优化，输气站内所有埋地管道极化电位均达到-850mV～-1200mVcse。

3 应用效果与分析

3.1 阴极保护有效率验证

该输气站区域阴极保护实施完成后，对全站管道进行了密间隔点位测试，共计测试279处，极化电位全部在-0.85～-1.25V有效保护范围内，区域阴极保护系统合格，证明了本设计思路和方法的可行性。

3.2 数值仿真的准确性

通过对区域阴极保护系统投运后全部测试数据与数值仿真结果的对比分析，发现：新工艺区部分符合率较高，误差在5%以内，旧工艺区的误差较高，大部分在10%左右，部分数据误差达到了15%。

究其原因，是因为新工艺区的图纸等资料较为齐全，接地系统分布清晰；旧工艺区的接地系统只能靠经验、估计和少量开挖验证，导致该部分区域在进行数值仿真时，边界条件误差较大，仿真结果误差较高[6]。虽然通过了馈电试验的数据进行了校准，但仍无法完全消除其影响。

3.3 与干线管道阴极保护干扰情况

因输气站的干线阴极保护的长效参比电极一般埋深在站场附近，容易受到站内区域阴极保护电流的影响，导致反馈的干线保护电位不准。如图3所示，如果干线参比电极处管道有站场区域阴极保护电流流入，反馈给干线恒电位仪的信号为线路电位偏负，干线恒电位仪输出较少，导致干线阴极保护不足。反之，干线将产生过保护，管道有析氢风险。

图3 站内外阴极保护干扰成因图

针对上述情况，本项目设计和实施中，采取以下措施最大限度避免干扰的发生：

（1）深井阳极地床在选址中尽可能远离干线管道控制点，并合理接近保护对象。在数值模拟仿真计算中考虑其对干线阴极保护的影响，并结合仿真结果对深井阳极地床选址进行优化；

（2）对干线阴极保护系统的控制点采取排流措施，消除干扰电流的影响[7]；

（3）在确保站内管道阴极保护达标的前提下减小相应回路输出电流[8]。

通过阳极位置的优化，站内区域阴极保护系统投用后，未对干线阴极保护系统产生明显影响。测量干线阴极保护电位正常无波动。

4 结语

（1）通过馈电试验和数值仿真技术优化区域阴极保护系统设计的方法是有效可行的，同时通过优化阳极布局，能有效避免复杂回路间的屏蔽和干扰，使得保护电流的均匀分布，保证系统的有效性。但实际投运后，各回路的输出电流只有2A-5A恒电位仪选型偏大；

（2）由于原始资料的缺失、站场工艺本身的复杂性、土壤电阻的变化等原因，在数值仿真中边界条件无法完全与现场一致，会降低仿真结果的准确性。因此，一方面，在设计中应尽量准确收集现场资料，并结合开挖等方法明确接地系统的规模；另一方面，恒电位仪选型时要留有一定的裕量，方便后期调节；

（3）对于已运行多年、又经过多次扩建的站场，其工艺区内不同材质的管道极化特性不同，根据不同材料的性质确定适当的阴极保护电流，是后期运行管理的重点。