油氣站場埋地管網陰極保護案例及對比分析

楊萬國，劉同剛，徐風剛，薛 濤

（中石油工程設計公司新疆油建公司，新疆克拉瑪依 834000）

油氣站場埋地管網陰極保護案例及對比分析

楊萬國，劉同剛，徐風剛，薛 濤

（中石油工程設計公司新疆油建公司，新疆克拉瑪依 834000）

油氣站場埋地鋼制管道及金屬構筑物的陰極保護較長輸管道復雜，文章結合工程案例并依據投運后的實測數據，對多種保護方案進行了對比分析，指出站場陰極保護與相關專業特別是接地裝置的關聯度很高，制訂保護方案時，要結合以往項目的經驗，在充分調研、評估的基礎上進行，方案應經相關方會審認可后方可實施，使其既達到陰極保護的目的，又要經濟合理并且節能。

站場埋地管網；陰極保護；實施效果；對比

0 引言

油氣站場地下管網復雜，金屬構筑物眾多，各類管道的直徑大小不一，彎頭、閥門與三通眾多，焊口密集，工廠化防腐預制存在諸多困難，現場防腐受設計、施工、材料、環境、氣溫等影響，特別是除銹質量、作業環境、施工方法、氣溫、涂料質量等造成管網防腐質量缺陷多，導致站場埋地管網防腐層針孔、鼓包、剝離、脫落、腐蝕問題很突出。但由于受站場接地網 （體）眾多、金屬構筑物之間的相互影響、保護電流流失情況不確定、經驗缺乏等多種因素影響，站場埋地管網往往未采用陰極保護或個別站場雖采用了陰極保護，但效果相差較大。近些年，我們施工過若干長輸管道站場及原油儲備庫等站場的埋地管網陰極保護工程，保護效果參差不齊。如犧牲陽極效果差，傳統輔助陽極（淺埋或深井）電流流失嚴重且電位分布不均勻，柔性陽極效果較理想但施工復雜，造價頗高。本文結合工程案例進行分析，并與同行進行交流。

1 案例及投運效果

1.1 案例一

某大型原油儲備庫，其一期工程共建10座10萬m3的鋼制儲罐，罐區直埋油管道與消防管道總面積約43 000 m2。油管道外防腐采用涂刷無溶劑環氧涂料、包裹玻璃棉保溫、玻璃棉外纏繞玻璃布并涂瀝青漆的防腐保溫結構；消防管道外防腐采用直接纏繞粘膠帶的防腐結構。接地極材質為鋅包鋼 （類似于鋅犧牲陽極），并采用鍍鋅扁鋼將眾多的接地極組成聯合接地網。土質為砂礫石及卵石混合。陰極保護方案是對站區所有管網、儲罐分別采用強制電流保護，見圖1。

其中，10座原油儲罐罐底外壁分別采用鈦陽極網強制電流陰極保護，即每座罐用一臺恒電位儀、罐底鈦陽極網及8支參比電極 （其中5支硫酸銅、3支高純鋅）組成獨立保護系統。單獨投運效果良好 （保護電位設定到-1.15 V時，陽極輸出電流0.5～3.5 A）。對罐區管網，用4口垂直深度達200 m的深井陽極組成強制電流陰極保護系統，陽極體為貴金屬難溶陽極 （每口井9支），但投運效果很不理想。主要表現為：油管道保護電位普遍達不到保護要求 （即電位高于 -0.85 V），而消防管道局部過保護；對相鄰油庫已正常運行的陰極保護系統造成干擾 （新建油庫與相鄰原油庫多條聯絡管道的電絕緣不夠徹底），使原來設定好的電位變得更低；對10座新儲罐的陰極保護系統造成干擾，使10座罐的恒電位儀輸出電流幾乎為零，個別罐的保護電位比原來設定值更低。罐區埋地管網陰極保護系統投運后的現場實測參數見表1。

表1 現場實測參數

從測試結果看，管網保護電流密度達2.28mA/m2（如果加上罐底面積則為1.05 mA/m2），對于埋地絕緣管道而言已是很高的值，但保護電位并未普遍達到保護要求，特別是油管道。

經多方現場測試與評估認為，消防管道系統相對獨立，埋地部分的面積相對小一些，與相關接地金屬設施的電絕緣相對徹底，且設置的接地裝置相對較少，所以靠近陽極井的區域其保護電位普遍達到保護要求或過保護，如X02、X03、X05、X06測試電位。罐區中間的油管道與消防管道保護電位普遍達不到保護要求，原因是保護電流大部分被罐底和罐區接地網吸收，如Y02、X04測試電位分別為-0.79 V和-0.64 V。Y01、X01為匯流點，X01測試電位達不到保護要求，主要原因是油管道與消防管道均壓垮接，電位受油管道的影響，并且通過聯絡管道與相鄰舊站場的管網存在不同程度的電連接，將一部分電流吸 （分流）走。因為消防管道與油管道分別保護時，X01電位可達-0.89V或更低。

我們建議相關方將4口陽極井的電流均提升到40 A（陽極生產廠家明確的最高電流），保護電位會普遍降低 （電位絕對值提高），如果保護電位均低于-0.85 V，局部過保護可采用其他方式改善，也可逐個對接地體進行改造，使其既符合接地保護的要求又能滿足陰極保護的要求。但問題是恒電位儀額定功率為50 A/50 V，不可能再提高輸出電壓來增大輸出電流 （超過額定電壓或額定電流會自動停機）。所以，該保護系統有待進一步完善后再投運。

運行一年后，因工藝改造，將新、舊站場之間的聯絡管道全部加裝絕緣接頭，Y01、X01電位變為-1.01 V、-1.20 V，Y02、Y03變為-0.88 V、-1.17 V，但X04仍然偏高 （-0.76 V）、X06仍然偏低 （-2.64 V），4臺恒電位儀輸出電流分別為：27.8 A （南側）、37.6 A （西側）、21.7 A （北側）、23.6 A（東側）。4臺恒電位儀的總輸出功率達5 kW左右。

1.2 案例二

該原油儲備庫二期工程新建8座10萬m3的鋼制儲罐，罐區直埋地油管道與消防管道總面積約為29 000 m2。

8座原油儲罐罐底外壁陰極保護采用和一期相同的保護方式，而罐區管網則采用柔性陽極強制電流陰極保護。油管道和消防管道外防腐均采用涂無溶劑環氧涂料后再纏繞粘膠帶的防腐結構。接地極仍為鋅包鋼結構， 罐區內G1013、G1014、G1015罐，G1016、G1017、G1018罐，G1019、G1020罐分別設置為3個相對獨立的接地網 （實際上很難做到完全獨立），其余需要接地的設施就近設置接地極。所有進出站的管道包括一期工程，均采用絕緣接頭的方式做到新、老管網的電氣絕緣。

柔性陽極與被保護管網最外側的管道保持同一埋深，并保持相互之間0.3 m的間距進行敷設，陽極上下鋪細土并在頂部蓋磚。投運效果達到了設計和相關規范的要求，且對已有的陰極保護系統和8座原油儲罐罐底外壁陰極保護系統幾乎沒有影響。見圖2。

在圖2中，消防管道和油管道相鄰的測試樁之間各設置一個接線箱，其中Y04、X07為通電點。油管道與消防管道保護系統可單獨運行，也可將兩管道采用均壓線跨接后統一保護。油管道與消防管道保護系統各自單獨投運正常后，通過對管網進行沿線保護電位測量，保護電位均低于-0.85 V。但是在運行期間也發現：沿柔性陽極敷設路由進行管網電位測試，有個別管網測試點的電位偏低（X08），也有個別管網測試點電位偏高 （Y05）。經現場勘驗，電位偏低區域土壤含水率過高，回填土干燥的區域則電位偏高，其中的關聯關系有待于進一步實踐。投運初期的現場實測參數見表2。

表2 現場實測參數

1.3 案例三

一座天然氣輸配站 （圖略）的裝置區占地面積約820 m2，裝置區埋地主管道及延伸到站外的三條長度分別為47、49、36 m的火炬、排污、放空埋地管道 （采用無溶劑環氧防腐涂料層加聚丙烯網狀增強編制纖維膠帶復合防腐結構）與占地面積約456 m2的接地網 （鍍鋅角鋼和鍍鋅扁鋼）干線均采用相對獨立的柔性陽極保護方案 （各自用一套恒電位儀），柔性陽極沿埋地主管道和主接地扁鋼敷設，共用AFLX-1500柔性陽極約764 m，完工后投運效果較理想。埋地管網恒電位儀輸出電壓2.83 V、電流1.37 A、電位-1.24 V，共設電位測試樁4處，用便攜式參比電極測試，分別為-1.22（匯流樁）、-0.93、-1.03、-1.01 V；接地網恒電位儀輸出電壓3.03 V、電流1.60 A、電位-1.23 V、共設電位測試樁2處，用便攜式參比電極測試，分別為-1.22（匯流樁）、-1.11 V。

實際上，埋地管網與接地網關聯度很高 （金屬連接處很多），將兩套保護系統的匯流點用電纜跨接后用一套恒電位儀送電，其保護效果與兩套恒電位儀送電沒什么本質區別，只是輸出電流是兩者之和，進一步說明站場接地網與埋地管網陰極保護的關聯度很大。

1.4 案例四

某小型原油轉油站，站區管網相對簡單，且直埋地部分的金屬保護體面積不大 （≤1 500 m2，含兩座小型儲罐），接地裝置采用傳統鍍鋅角鋼和鍍鋅扁鋼，除站區與站外長輸管道采用絕緣法蘭外，其余管網與管網之間、管網與金屬構筑物之間沒有采取電絕緣措施，陰極保護采用幾十組鎂合金犧牲陽極。整個站場接地網的綜合接地電阻為0.9 Ω，犧牲陽極單組接地電阻為32～49 Ω，陽極組空載輸出電位平均-1.49 V，輸出電流為12.5～42 mA，管網自然電位-0.56～-0.58 V，投運后保護電位與自然電位幾乎沒差別。原因是管網與金屬構筑物接地點太多且不均勻，犧牲陽極組輸出電流太小——等同于鋅接地極。

2 對比分析

從以上案例看出，對站場埋地管網，采用柔性陽極保護方案的效果明顯優于其他保護方式，而且保護電流相對小，電位也更為均勻。而深井陽極保護方式，從能量平衡和保護電流密度的角度看，深井陽極到被保護體之間有大量金屬構筑物 （電流吸收體）將保護電流吸收走，使得被保護體得不到保護或完全保護，且保護電流過大。深井陽極與保護體距離不等，被保護設施漏電點多且不均勻，不像長輸管道漏電點少且相對均勻。淺埋陽極保護除存在深井陽極類似的問題外 （雖沒有實例，可以推斷），電位不均勻問題可能更顯突出，除非陽極床設置分布廣、密度高，數量多。犧牲陽極因輸出電流小，用于站場埋地管網保護效果很差。

通過對比分析看出，站場接地網和其他接地金屬構筑物對管網陰極保護的影響很大，必須引起足夠重視，使其既要符合接地保護的要求，又要滿足陰極保護的要求。特別是對于大型站場，除考慮上述因素外，還應考慮電位均勻性問題，如采用均壓器件、耦合器件、排流器件使整個管網保護電位更加均勻。

3 結束語

站場特別是大型站場鋼制埋地管網陰極保護較長輸管道和鋼制儲罐單獨采用陰極保護要復雜得多，應該采用經實踐檢驗成熟且相對經濟的保護方案，如柔性陽極和鈦陽極帶保護方案等，并在此基礎上不斷完善，使其既達到規范規定的保護要求，又達到節約一次性投資和日后運行費用的目的。關鍵是在確定保護方案時，應根據被保護管網的面積、走向布置、金屬構筑物的分布、接地網的設置、與其他相關裝置的相互影響、管網的防腐結構、土質與環境情況、投資概算等因素進行全面考慮，特別是要與工藝、電氣、儀表、土建、金屬結構等專業進行溝通協調，把可能影響陰極保護的因素盡可能列出來，并根據擬選擇的保護方案進行逐個排除，如管網與管網之間的電絕緣、管網與儲罐等大型金屬構筑物之間的電絕緣、接地極材質與形式、接地網組成、儲存與輸送介質特性、安全方面的要求等，由相應專業充分考慮上述因素并采取適宜的措施，最終使陰極保護系統達到理想的投運效果，降低恒電位儀的輸出電壓與輸出電流，達到節能的目的。

對于保護面積不大、地下管網相對簡單的站場，采用傳統輔助陽極 （深井或淺埋）是合適的，雖然保護電流相對大一些，且保護電位不均勻性較明顯 （特別是淺埋輔助陽極方式），但相對簡單經濟。犧牲陽極保護因輸出電流小，且犧牲陽極（組）日后容易演變為特殊接地，所以用于站場不合適。面積較大、地下管網與構筑物復雜、受接地網和接地金屬構筑物影響明顯的站場，應采用柔性陽極或難溶性貴金屬陽極帶保護，同時將接地網也統一進行陰極保護。

總之，影響站場埋地金屬管網陰極保護的因素很多，設計制訂保護方案時，要結合以往項目的經驗，在調研、溝通、實測的基礎上進行方案評估。施工過程必須嚴格按規范、設計圖紙、產品技術文件進行，特別是要與土建、安裝、電氣等專業溝通協調，把可能產生的問題解決在施工之前，避免日后返工和出現陰極保護投運效果差甚至不能正常投運的現象。

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

Application Cases and Comparative Analysis of Cathodic Protection for Buried Pipelines at Oil and Gas Stations

YANG Wan-guo（Xinjiang Petroleum Construction Company of China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Kelamayi 834000,China），LIU Tong-gang,XU Feng-gang,et al.

Cathodic protection of buried pipelines and metal structures at oil and gas stations is more complicated than that of long-distance pipelines.This paper carries through comparative analysis on several cathodic protection schemes for oil and gas stations based on engineering cases and measured data.It points out that the station cathodic protection is closely associated with corresponding specialties,especially with grounding devices；formulating protection schemes should refer to the experience from previous projects and be on the basis of sufficient investigation and evaluation；scheme should be implemented after making a joint checkup and authorization in order to realize its cathodic protection function and save cost and energy.

buried pipeline at station;cathodic protection;implementation effect;comparison

TE988

B

1001－2206（2011）05－0046－04

作者介紹：楊萬國 （1961-），男，甘肅武威人，高級工程師，注冊自動化系統工程師，1981年畢業于蘭州石油學校自動化儀表專業，后在職依次取得專科、本科學歷，一直從事電氣、儀表、通信、陰極保護工程施工及管理工作。

2010-10-08；

2011-06-01