相國寺地下儲氣庫地面管網直流排流設計

張勝利 程 明 張 平

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

對埋地管道可能產生直流干擾的因素有：高壓或超高壓直流輸電線路換流站、大功率發射站、使用直流的采礦系統（直流窄軌礦車或挖掘設備）、直流電焊設備、直流電解工廠、其它陰極保護系統的陽極、大地電流等。存在雜散電流干擾的典型特征包括：管地電位發生波動；與正常自然電位值存在較大偏移；土壤中的電位梯度發生變化；無論是動態干擾或靜態干擾，雜散電流對管道的危害程度主要取決于偏移程度與持續時間；雜散電流從管道的流出點，即管道陽極區，腐蝕活性點（陽極區）的管/地電位正于保護電位，電流流出的過程即腐蝕失重的過程，電流流出量與腐蝕速率成正比。通常情況下：1 A的電流流出將帶來9.1 kg/a的腐蝕，對陽極區1 A/m2的電流密度等同于1.1mm/a的腐蝕速率［1］。因此，實施有效的陰極保護與排流保護措施，是保障管道安全的關鍵。

1 工程簡介

地下儲氣庫不僅起到調峰作用，而且兼具應急氣源，提高供氣可靠性［2］。相國寺地下儲氣庫位于重慶渝北、北碚區境內，距重慶市區60 km，緊鄰四川盆地環形輸氣管網——南東段，距規劃擬建的中衛—貴陽管線約88 km。庫區位于華鎣山林場、北碚區茅庵林場及紅豆杉科技園區，有較多的茶場和煤礦。

相國寺地下儲氣庫注采氣管道經過區域有2座在生產的煤礦。礦區內有直流卷揚機和直流牽引機車。經現場測量，擬建8#井場處的地電位梯度在8.3mV/10m～35mV/10m之間，擬建集注站處的地電位梯度在120 mV/10m～380mV/10m之間。

2 直流干擾分析

2.1 干擾類型

相國寺地下儲氣庫工程所在區域附近的2座煤礦，生產過程中使用的直流卷揚機和直流牽引機車為主要的雜散電流源。煤礦鉆采區域廣，直流卷揚機的位置相對固定，直流牽引機車沿礦巷分布移動，工作時間均是間歇性且規律性差，產生的雜散電流大小和流動方向具有很大的不確定性，表現為動態干擾。

2.2 干擾程度

地下礦巷內的直流設施具有隱蔽性，尤其是在進行礦藏采掘的山區。煤礦井下架線電機車運輸系統中，通常是將電機車的運行鋼軌作為供電回路。由于鋼軌與大地之間無法完全絕緣，且鋼軌的銜接處焊接不好，致使部分電流從鋼軌中泄露，形成雜散電流。隨著運營時間增加，以及污染、潮濕等原因，鋼軌與大地之間的絕緣性能下降，雜散電流增大，嚴重影響煤礦井下的安全生產，腐蝕沿線的金屬管線［3］。

受直流雜散電流干擾的管道，具有處理復雜，不易恢復到正常狀態，以及加劇腐蝕、危害性大的特點。因此，埋地鋼質管道若處于不同電位的土壤介質中，將在管道上引起縱向電流，影響管道陰極保護系統的正常運行，并在電流離開金屬的地方發生陽極腐蝕反應，導致電化學腐蝕［4］。土壤中直流電位梯度數據見表1。

表1 土壤中直流電位梯度數據表

《鋼質管道外腐蝕控制規范》［5］規定：處于直流電氣化鐵路、陰極保護系統及其它直流干擾源附近的管道，任意點上的管地電位較該點自然電位正向偏移20mV或管道鄰近土壤中直流電位梯度＞0.5mV/m時，可認為管道存在直流干擾。

直流雜散電流干擾腐蝕程度一般按管地電位較自然電位正向偏移值來判定，判斷指標見表2。管地電位較自然電位正向偏移值難以測取時，可采用土壤電位梯度來判定，判斷指標見表3。

表2 直流雜散電流干擾程度的管地電位正向偏移值判斷指標

表3 直流雜散電流干擾程度的土壤電位梯度判斷指標

貝克曼W V［6］認為：外部陽極地電位升對于管道引起的陰極干擾管地電位負向偏移（相對于遠方大地）不大于0.5V；外部陰極地電位降對于管道引起的陽極干擾地電位梯度不大于0.1V/10m。

由于相國寺地下儲氣庫工程未建成投產，管地電位的偏移值需管道建成后才能測得。根據表1中集注站處土壤中直流電位梯度的測量平均值為25.8mV/m，遠大于5.0mV/m（表3）；《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》［7］規定：當電位梯度＞2.5mV/m或管道任意點上管地電位較該點自然電位正向偏移100mV時，管道應采取排流等防護措施。因此，相國寺地下儲氣庫工程的新建注采氣管道可能受到外部雜散電流的直流干擾，尤其是集注站附近的管道更應采取直流排流防護措施。

3 排流保護方案

3.1 排流保護方式

由于直流卷揚機和直流牽引機車位于不易察覺的地下礦巷內，且表現為動態干擾，根據《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》［7］相關規定，可通過接地排流方式泄放管道上的有害雜散電流。犧牲陽極可被用作接地排流方式中的一種有效接地體。

相國寺地下儲氣庫所在區域的土壤電阻率較低，為犧牲陽極的安裝提供了環境條件。同時，注采氣管道管徑不大，長度短，所需陰極保護電流量較少，適合采用犧牲陽極陰極保護。

當采用犧牲陽極作為接地體時，正好將陰極保護和直流排流相結合，滿足兩者需要。因此，利用犧牲陽極同時實現陰極保護和直流排流。

3.2 犧牲陽極的設計

根據《鋼質管道外腐蝕控制規范》［5］的要求，擬選用ZR-2型帶狀高純鋅，截面尺寸為15.88mm×22.22mm，并通過計算進行驗證。

3.2.1 相關參數

ZR-2型帶狀高純鋅犧牲陽極參數見表4，注采氣管道參數見表5。

表4 ZR-2型帶狀高純鋅犧牲陽極參數

表5 注采氣管道參數

3.2.2 計算公式

管道陰極保護電流量：

管道接地電阻：

犧牲陽極接地電阻：

式中I——管道陰極保護電流量，A；

Js——保護電流密度，A/m2；

S——管道表面積，m2；

ru——防腐層面電阻，Ω·m2；

ρ——土壤電阻率，Ω·m；

Lzn——鋅帶長度，m；

R1——管道接地電阻，Ω；

R2——犧牲陽極接地電阻，Ω。

3.2.3 計算結果

管道沿線的平均土壤電阻率以89Ω·m計，分別對1 000m長，外徑為273、508mm的兩種管道進行計算，結果見表6。

經計算，采用鋅帶作為犧牲陽極對管道進行陰極保護時，對于外徑為273mm的管道，鋅帶對應的每公里消耗率為0.04 kg/a，對于外徑為508mm的管道，鋅帶對應的每公里消耗率為0.08 kg/a。

表6 犧牲陽極計算結果

本排流方法的核心是所用的犧牲陽極接地電阻小于管道接地電阻的5%，使絕大部分的雜散電流通過犧牲陽極流入流出，大幅度減小了防腐層破損點處雜散電流的流入流出，使管地電位穩定在陰極保護準則范圍內。該方法已于2004年用于廣州白云新機場供油管道工程，其排流前直流干擾電位在-2.5～+1.0V之間變化，排流后各點電位穩定在-0.95～-1.05V之間。

3.3 犧牲陽極的施工

帶狀高純鋅陽極隨管道同溝敷設，通過測試樁與注氣管道和采氣管道實現電氣連通。帶狀高純鋅陽極在管溝內敷設在管道遠離雜散電流干擾源一側，為避免屏蔽現象，需將帶狀高純鋅陽極的埋深適當加大。

4 結論

相國寺地下儲氣庫新建注采氣管道受附近煤礦直流雜散電流干擾，根據干擾源的工作性質和實測數據，判斷為動態干擾，干擾程度為強。根據國內相關行業標準的要求，需要對埋地管道采取直接排流措施。結合相國寺地下儲氣庫工程的管道參數等實際情況，采用帶狀高純鋅犧牲陽極可同時實現注采氣管道的陰極保護和直流排流，符合相關行業標準要求。

［1］BSEN 50162-2004，直流系統雜散電流防腐蝕［S］.

［2］蘇 欣，張 琳，李 岳.國內外地下儲氣庫現狀及發展趨勢［J］.天然氣與石油，2007，25（4）：1-4.

［3］尹小本，范迪鵬.煤礦井下直流雜散電流的研究［J］.工礦自動化，2009，5：12-15.

［4］程 明，張 平.魚龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質管道的影響分析［J］.天然氣與石油，2010，28（5）：22-26.

［5］GB/T 21447-2008，鋼質管道外腐蝕控制規范［S］.

［6］貝克曼W V.陰極保護簡明手冊（第五版）［M］.成都：四川石油設計院，1997，75.

［7］SY/T 0017-2006，埋地鋼質管道直流排流保護技術標準［S］.?