馮雄輝 單勁智 張亞丹

中石油北京天然氣管道有限公司北京輸氣管理處

摘 要： 天然氣站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)是對(duì)集中在站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)埋地金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的電化學(xué)保護(hù)，與保護(hù)對(duì)象單一的干線陰極保護(hù)系統(tǒng)相比，有其特點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合日常現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、調(diào)研和模擬計(jì)算分析陜京管道區(qū)域陰極保護(hù)效果和受干擾情況，針對(duì)存在的問題提出解決措施，消除安全隱患。

關(guān)鍵詞： 鋼制管道；區(qū)域陰保；保護(hù)效果；干擾

為控制站內(nèi)埋地管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，陜京管道近年來對(duì)站場(chǎng)埋地管道實(shí)施了區(qū)域陰極保護(hù)改造，即將站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的所有預(yù)保護(hù)對(duì)象作為一個(gè)整體進(jìn)行陰極保護(hù)，依靠輔助陽極的合理布局、保護(hù)電流的自由分配以及與相鄰設(shè)備的電絕緣措施，使被保護(hù)對(duì)象處于有效的保護(hù)電位范圍之內(nèi)。

由于現(xiàn)有區(qū)域陰極保護(hù)效果評(píng)價(jià)依靠有限點(diǎn)的測(cè)量來進(jìn)行，受到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試空間和測(cè)試條件的限制，無法得到站場(chǎng)內(nèi)埋地管道各個(gè)位置處的保護(hù)電位，對(duì)于某些保護(hù)不足或過保護(hù)的部位不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施。國內(nèi)外站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)相關(guān)案例表明，站內(nèi)外管線一般通過絕緣接頭進(jìn)行電隔離，采用兩套獨(dú)立的陰極保護(hù)系統(tǒng)分別進(jìn)行保護(hù)。兩套陰極保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)對(duì)象數(shù)量、涂層狀況、電流需求及安全要求方面均存在較大差異，二者電位控制點(diǎn)及陽極地床的位置又相距較近，易產(chǎn)生相互干擾，影響陰極保護(hù)的效果。根據(jù)對(duì)陜京管道實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)的站內(nèi)外管線相互干擾情況開展的初步調(diào)研和測(cè)試情況看，這種相互干擾影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成潛在的安全隱患。

1 站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)

（1）保護(hù)對(duì)象繁多、保護(hù)回路復(fù)雜。輸氣站場(chǎng)在相對(duì)狹窄的區(qū)域內(nèi)集中了眾多的金屬結(jié)構(gòu)如工藝、消防、排污、給排水等各種管網(wǎng)、設(shè)備底座以及避雷防靜電接地系統(tǒng)，構(gòu)成了龐大的金屬結(jié)構(gòu)網(wǎng)，保護(hù)對(duì)象繁多，結(jié)構(gòu)密集，保護(hù)回路復(fù)雜。

（2）保護(hù)電流消耗大。輸氣站場(chǎng)內(nèi)接地系統(tǒng)龐大，除管道、混凝土基礎(chǔ)外，還有各種設(shè)備和儀表的接地，構(gòu)成了避雷防靜電接地網(wǎng)，多為裸金屬扁鋼材料。此外，站場(chǎng)內(nèi)各種管網(wǎng)的防腐層均為現(xiàn)場(chǎng)涂裝，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，絕緣質(zhì)量差異較大。在對(duì)油氣站場(chǎng)進(jìn)行陰極保護(hù)時(shí)，大部分陰極保護(hù)電流通過設(shè)備底座、接地系統(tǒng)漏失，小部分電流消耗在管網(wǎng)上，通常保護(hù)電流需求較大。

（3）對(duì)管道產(chǎn)生電流干擾。對(duì)輸氣站場(chǎng)實(shí)施陰極保護(hù)，是將整個(gè)站區(qū)內(nèi)的所有地下金屬結(jié)構(gòu)全部納入保護(hù)系統(tǒng)，因此一般不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部干擾。但站場(chǎng)陰極保護(hù)電流通常遠(yuǎn)大于干線保護(hù)電流，故常常對(duì)管道干線等外部結(jié)構(gòu)及其陰極保護(hù)系統(tǒng)造成干擾，一般系統(tǒng)電流輸出越大，干擾也會(huì)越嚴(yán)重。

（4）屏蔽影響較為突出。輸氣站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)埋地構(gòu)件眾多，結(jié)構(gòu)密集區(qū)的管道可能會(huì)與接地系統(tǒng)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)及水管等接觸，流向該區(qū)域的總電流足以在土壤中產(chǎn)生電位梯度，導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)密集區(qū)的中央，屏蔽影響將達(dá)到最大。如果全部為裸管道，屏蔽作用將會(huì)非常嚴(yán)重。

（5）陽極地床設(shè)計(jì)困難。需要結(jié)合輸氣站場(chǎng)的具體特點(diǎn)，來準(zhǔn)確的確定陰極保護(hù)參數(shù)，合理的設(shè)計(jì)陽極地床的位置、埋設(shè)方式和分布形式，以獲得保護(hù)電流的均勻分布，同時(shí)避免或限制干擾和屏蔽的影響，使被保護(hù)對(duì)象處于規(guī)定的保護(hù)電位范圍之內(nèi)。

（6）后期調(diào)試整改量較大。由于傳統(tǒng)的站場(chǎng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取多依靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)干擾和屏蔽問題考慮不足，不能充分結(jié)合站場(chǎng)埋地構(gòu)件的具體分布特點(diǎn)，導(dǎo)致后期消除屏蔽、控制干擾、抑制過保護(hù)、降低系統(tǒng)輸出和能耗等工作量大。

2 技術(shù)難點(diǎn)分析及解決辦法

2.1 陰極保護(hù)電流消耗過高的解決辦法

運(yùn)行中常因設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)保護(hù)電流估計(jì)不足，所選的電源設(shè)備無法滿足保護(hù)要求，可通過以下途徑實(shí)現(xiàn)。

（1）提供足夠的陰極保護(hù)電流。在站場(chǎng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，可采用兩種方法來確定保護(hù)電流。一是根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)測(cè)，即根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮埋地構(gòu)件涂層狀況估計(jì)一個(gè)電流密度值，將該值乘以結(jié)構(gòu)的總埋地面積得到近似的電流總需求量。二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)確定，即建立臨時(shí)陽極地床，根據(jù)結(jié)構(gòu)的電位變化和所施加的電流，計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)地電阻并確定施加電流沿結(jié)構(gòu)的分布和永久陰極保護(hù)裝置的電流需求。國內(nèi)大多根據(jù)第一種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在長輸管道干線陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于埋地構(gòu)件單一，表面狀況差異不大，采用這種方法可行。但是對(duì)于輸氣站場(chǎng)，由于埋地金屬構(gòu)件多樣性和分布復(fù)雜性，且埋地管網(wǎng)、接地結(jié)構(gòu)網(wǎng)等表面狀況差異較大，僅通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的方法很難準(zhǔn)確的確定實(shí)際所需的電流量，還需進(jìn)一步探討。

（2）減小電流需求量。輸氣站場(chǎng)陰極保護(hù)電流消耗大的主要原因是由于存在龐大的避雷防靜電接地網(wǎng)，大部分陰極保護(hù)電流通過接地系統(tǒng)漏失，只有很少的電流消耗在埋地管網(wǎng)和儲(chǔ)罐底板上。站場(chǎng)施加陰極保護(hù)的目的主要是為了保護(hù)埋地管網(wǎng)等防止其腐蝕泄漏，若保護(hù)電流只用于這些構(gòu)件，所需的保護(hù)電流將大大減小，為此，可以考慮在保證設(shè)備、儀表的電氣安全要求的前提下，采取將接地系統(tǒng)與站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)相隔離的措施。

2.2 對(duì)管道產(chǎn)生電流干擾的解決辦法

站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)電流一般通過影響站外干線陰極保護(hù)系統(tǒng)控制點(diǎn)來對(duì)其造成干擾。由于國內(nèi)大多數(shù)管道干線陰極保護(hù)系統(tǒng)采用恒電位控制方式，而控制點(diǎn)（通電點(diǎn)）通常設(shè)在絕緣接頭或絕緣法蘭外側(cè)，當(dāng)該處管道受到外來干擾時(shí)，由于附加極化或去極化而影響控制系統(tǒng)的信號(hào)反饋，使站外保護(hù)系統(tǒng)的輸出降低或增加，干線保護(hù)相應(yīng)受到影響。通常有兩種類型：一是控制點(diǎn)處有干擾電流流入，導(dǎo)致極化增加，如圖 1（a）所示，為維持設(shè)定的控制電位，干線陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出將自動(dòng)下降，導(dǎo)致整個(gè)管道陰極極化降低，遠(yuǎn)端易保護(hù)不足。二是控制點(diǎn)處有干擾電流流出，導(dǎo)致極化減小，如圖 1（b）所示，為維持設(shè)定的控制電位，干線陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出將自動(dòng)提高，導(dǎo)致整個(gè)管道陰極極化加大，近端易產(chǎn)生過保護(hù)。

圖 1  站場(chǎng)區(qū)域性保護(hù)的干擾影響

當(dāng)檢測(cè)到存在干擾后，降低或排除干擾的原則是，將站外陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流恢復(fù)到站場(chǎng)陰極保護(hù)投運(yùn)以前的水平，并對(duì)站外干線陰極保護(hù)系統(tǒng)所保護(hù)的管道進(jìn)行保護(hù)電位測(cè)試，確認(rèn)保護(hù)電位和保護(hù)距離不因站內(nèi)系統(tǒng)的投運(yùn)而受影響，可采取以下措施。

（1）盡可能使站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極影響區(qū)遠(yuǎn)離站外陰保系統(tǒng)控制點(diǎn)，并根據(jù)站場(chǎng)內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)試情況，對(duì)部分陽極進(jìn)行電流輸出限制。

（2）對(duì)站外干線近端進(jìn)行密間隔電位測(cè)試，將站外干線陰極保護(hù)系統(tǒng)的控制點(diǎn)轉(zhuǎn)移至不受干擾的位置。

（3）對(duì)恒電位控制點(diǎn)進(jìn)行處理，安裝排流電極以降低或消除干擾電流引起的附加極化或去極化。

（4）站外干線陰極保護(hù)系統(tǒng)采用恒電流控制。

（5）對(duì)于小型站場(chǎng)，可考慮納入干線保護(hù)系統(tǒng)中。

（6）由于區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)受外界因素影響較大，具有波動(dòng)性，應(yīng)設(shè)專人管理，勤于維護(hù)，根據(jù)保護(hù)電位測(cè)試情況及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

2.3 屏蔽影響的解決辦法

由于站場(chǎng)地下工藝管道與電力系統(tǒng)、鋼筋混凝土、消防給排水管道以及接地系統(tǒng)等金屬都會(huì)存在搭接，流向該區(qū)域的總電流會(huì)在土壤中產(chǎn)生電位梯度導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)密集區(qū)的中央，屏蔽影響將達(dá)到最大。

當(dāng)出現(xiàn)密集區(qū)屏蔽時(shí)，可采用遠(yuǎn)陽極與近陽極相結(jié)合的方式，使陽極周圍的影響區(qū)相互充分疊加，改善整個(gè)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位，對(duì)于接地系統(tǒng)龐大的站區(qū)，可采用負(fù)電性金屬（例如鎂陽極或鋅陽極）作為接地材料以幫助消除屏蔽，促使保護(hù)電流均衡分布。

運(yùn)行中常通過多組陽極分散布置、遠(yuǎn)/近陽極互為補(bǔ)充、犧牲陽極材料做接地等改進(jìn)措施，來減緩站場(chǎng)陰極保護(hù)屏蔽問題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無法充分預(yù)測(cè)屏蔽，隨著施工、調(diào)試工作開展和設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，通常要求站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)分步實(shí)施。為此可進(jìn)行主保護(hù)回路（遠(yuǎn)陽極系統(tǒng)）施工及接地系統(tǒng)改造（如果需要），通電試運(yùn)行并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，然后根據(jù)試運(yùn)行測(cè)試的結(jié)果布置近陽極后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，直到屏蔽減弱，保護(hù)電流均衡分布，獲得滿意的陰極保護(hù)效果為止。

作者：馮雄輝，中石油北京天然氣管道有限公司北京輸氣管理處防腐工程師。