趙康

西部管道蘭州輸氣分公司

 

摘要：采用BEASY軟件，耦合有限元和邊界元的計算方法，建立了站場區(qū)域陰極保護系統（區(qū)域陰保）和接地系統模型。完成了不同類型接地系統、不同接地系統材料對區(qū)域陰保效果影響的數值模擬計算，結合解析方法分析了各個因素對區(qū)域陰保系統的影響規(guī)律。結果表明電正性接地極材料會大大加速附近埋地管道的腐蝕速率，造成區(qū)域陰極保護無法達標，因此應避免采用；同時近地床的優(yōu)化分布相對于遠地床形式能更好地消除由接地系統造成的屏蔽區(qū)。

關鍵詞：接地系統；數值模擬；區(qū)域陰保；站場

  

區(qū)域陰極保護技術作為防止站場內埋地金屬設施腐蝕的一種有效措施，已被普遍使用，并取得了很好的保護效果[1]。相對于長輸干線的陰保系統而言，區(qū)域陰保具有以下特點：保護對象繁多，陰保電流需求大；地下金屬結構復雜，干擾和屏蔽問題突出；陽極地床設計難度大；安全要求高[2]；影響主要來自站場內聯合接地和日益龐大的接地系統。

站場內接地網的存在，不僅加大了陰極保護電流需求量，還帶來了嚴重的屏蔽與干擾問題，極大地影響了區(qū)域陰保效果和系統長期穩(wěn)定運行。通過陰保電流分布方式的數值模擬計算，研究確定不同類型接地系統、不同接地系統材料對陰保效果的影響規(guī)律，對制定埋地管道與接地網設計布置優(yōu)化方案具有重要意義。

1  數值模擬

1.1  幾何模型建立

調研并收集西部地區(qū)某站場內所有埋地構件的幾何尺寸、分布位置、表面狀況，以及土壤電阻率分布等基本信息，根據現場勘測與圖檔資料對比，確定管網與接地網的位置和幾何尺寸，建立區(qū)域陰保數值模擬計算幾何模型。

1.2  邊界條件

本數值模擬中涉及輔助陽極、接地系統和管網等結構的邊界條件。其中，輔助陽極采用恒電流邊界條件，即陽極輸出電流/陽極表面積；接地系統和管網均采用極化邊界條件。

（1）土壤電阻率。土壤電阻率是陰極保護建模中的重要參數，采用溫納四電極交流電法測量站場土壤電阻率為80 Ω·m。

（2）極化曲線。測試低碳鋼（扁鐵）、低電阻模塊（碳）、鋅接地（鋅包鋼）、銅接地在該站場土壤環(huán)境的極化曲線，獲得管道和接地網邊界條件，如圖 1所示。

圖 1 管道與不同接地材料在土壤中的極化曲線

2  計算結果與分析

2.1  無陰極保護時垂直接地極材料對管道電位和腐蝕速率的影響

由于垂直接地極全裸暴露于土壤中，與管道電連接，垂直接地極材料將影響管道的腐蝕行為。當垂直接地極材料的自然電位相對于管道自然電位正時，垂直接地極將作為陰極，管道成為陽極，管道面臨很大風險腐蝕。

垂直接地極有26支，水平接地體采用低碳鋼（扁鐵）材料。不同材料的垂直接地極對埋地金屬結構電位和腐蝕的影響如表 1所示。可以看出，垂直接地極選用低電阻模塊和銅接地材料時，會對附近管道造成嚴重的腐蝕；垂直接地極和水平接地體均采用低碳鋼（扁鐵）材料時，電位未發(fā)生偏移，管道發(fā)生自腐蝕。

表 1 垂直接地極材料對管道電位和管道腐蝕的影響

2.2  有陰極保護時接地對陰極保護效果的影響規(guī)律

（1）低電阻模塊垂直接地極對陰極保護效果的影響

陰極保護系統能夠有效保護管網不受腐蝕。但當垂直接地極材料自然電位正于管道的自然電位時，接地系統將對陰極保護系統造成影響。

①遠陽極地床。設置4組遠陽極地床，每組1支，長1 m，埋深1 m，距離管道15 m，計算結果如圖 2所示。地床總輸出電流為20 A，附近沒有接地網的管道處于過保護；由于一部分陰極保護電流流入接地系統，其他管道處于欠保護，說明存在低電阻模塊接地極時，遠陽極地床形式很難實現站場內埋地管網各處達到理想的保護效果。

圖 2 遠陽極地床管道電位分布云圖

②近陽極地床。近陽極地床分為3組，每組2支，長1 m，埋深1 m，距離管道2 m時，總輸出電流3 A，計算結果如圖 3所示。可以發(fā)現，當陽極地床靠近管道時，管道的電位均勻性得到改善，但由于部分陽極地床接近接地網，導致陰保電流流入接地系統，管道出現欠保護和過保護。

圖 3 近陽極地床管道電位分布云圖

近陽極地床最終優(yōu)化方案如圖 4所示，需要陽極地床4組，每組3支，長1 m，埋深1 m，距離管道1 m，總輸出電流2.4 A，所有管道都在陰極保護準則要求的范圍內，達到良好的保護效果。說明通過近陽極地床的優(yōu)化分布，可以實現站場埋地管網各處達到理想的保護效果。

圖 4 近陽極地床優(yōu)化后管道電位分布云圖

綜上所述，站場區(qū)域陰極保護中，由于受到接地網的影響，若使用遠陽極地床形式，接地網會對陰極保護電流產生屏蔽效應，造成管道存在欠保護區(qū)域，僅通過遠陽極形式難以消除；而近陽極的優(yōu)化分布能夠減少接地網對管道的干擾，通過優(yōu)化設計能夠實現埋地管道各處達到理想的保護效果。

（2）鋅包鋼接地極對陰極保護效果的影響

當垂直接地極采用自然電位較負的鋅包鋼材料時，即使沒有陰極保護，接地本身就可以作為犧牲陽極為管道提供一定的保護，但保護范圍和鋅包鋼使用的量有關系，且如果接地網全部換成鋅材料還面臨消耗及成本問題。

①陰極保護電位正于鋅包鋼自然電位。水平接地體為低碳鋼時，只需陰極保護電流輸出1.6 A，管道陰極保護電位處于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保護，如圖 5所示。

圖 5 保護電流輸出1.6 A時低碳鋼水平接地體管道電位分布云圖

同樣，當水平接地體也為鋅包鋼時，陰極保護系統不輸出電流，管道陰極保護電位處于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保護。

②陰極保護電位負于鋅包鋼自然電位。當水平接地體為低碳鋼時，控制陰極保護電位負于﹣1.15 VCSE，陰極保護系統需輸出電流4.8 A達到原輸出電流的3倍，鋅包鋼會吸收陰極保護系統電流，顯著增加陰極保護系統的負擔。管道電位分布云如圖 6所示。

圖 6 保護電流輸出4.8 A時低碳鋼水平接地體管道電位分布云圖

當水平接地體為鋅包鋼時，控制陰極保護電位負于﹣1.15 VCSE時，此時陰極保護系統由不輸出電流變?yōu)樾栎敵鲭娏?.75 A才能達到保護要求，鋅包鋼將對陰極保護電流造成影響，如圖 7所示。

圖 7 鋅包鋼垂直接地極、鋅包鋼水平接地體管道電位分布云圖

當接地網采用鋅包鋼材料，控制陰極保護系統電位低于鋅包鋼自然電位時，只需少量陰極保護電流或者不施加電流，管道即可受到保護；但當陰極保護系統電位負于鋅包鋼電位后，鋅包鋼會吸收電流，造成陰保系統輸出電流增加；通過調正控制電位和優(yōu)化陽極地床位置可以減少鋅包鋼對陰極保護電流的影響。

3  結論

（1）垂直接地極材料對管道腐蝕速率有較大的影響，當其為低電阻模塊（碳）或銅時，大大加速管道腐蝕，同時對附近管道無法達到理想的保護效果。當其為低碳鋼（扁鐵）時，管道電位未發(fā)生偏移，不會引起管道電偶腐蝕，管道為自腐蝕；而用鋅包鋼材料將會使管道電位負移，管道受到保護。

（2）站場區(qū)域陰極保護中，遠陽極地床無法消除密集管網與接地影響造成的電流屏蔽，通過近陽極地床的優(yōu)化分布可以消除電流屏蔽影響，使各個區(qū)域達到理想的保護效果。

（3）當接地網采用鋅包鋼材料時，其自然電位負于管道的自然電位。若控制陰極保護系統的電位低于鋅包鋼自然電位時，只需要少量陰極保護電流或者不施加電流，管道即可受到保護；但當陰極保護系統的控制電位負于鋅包鋼自然電位后，鋅包鋼會吸收電流，造成陰保系統輸出電流增加；通過調正控制電位和優(yōu)化陽極地床位置可以減少鋅包鋼對陰極保護電流的影響。

 

參考文獻：

[1]趙常英.輸油站場區(qū)域陰極保護[J].石油工程建設，2010，36(5)：48-50.

[2]吳廣春，杜艷霞，路民旭，姜子濤，唐德志.接地系統對區(qū)域陰極保護影響規(guī)律及解決措施研究現狀[J].腐蝕與防護，2014，35(11)：1065-1068+1097.

作者簡介：趙康，1987年生，高級工程師，蘭州輸氣分公司常務副經理，主要從事管道完整性管理工作。聯系方式：0931-4529219，zhaokang@pipechina.com.cn。