油氣廠站區域性陰極保護體系構建與探討

王林強,安 超,張 琪,賈海民,熊新民,甘小平

(1. 塔里木油田塔北勘探開發項目經理部,庫爾勒 841000; 2. 塔里木油田天然氣事業部,庫爾勒 841000)

油氣廠站區域性陰極保護體系構建與探討

王林強1,安 超2,張 琪1,賈海民1,熊新民1,甘小平1

(1. 塔里木油田塔北勘探開發項目經理部,庫爾勒 841000; 2. 塔里木油田天然氣事業部,庫爾勒 841000)

以某聯合站和某天然氣處理廠的區域性陰極保護為例，從源頭設計和施工技術方面探討油氣廠站區域性陰極保護體系構建中的差異性及注意事項，補充犧牲陽極塊的設置原則，探索區域性陰極保護的最佳保護效果。

區域性陰極保護；構建；探討

區域性陰極保護主要是對集中在某一區域內的多個埋地金屬結構以及主要集中在埋地管網較為密集的區域的保護技術[1]，是陰極保護技術的一種應用特例。如綜合性的聯合站、天然氣處理廠等場所，保護對象為區域內的復合體。20世紀60年代國外開始進行區域性陰極保護的研究和應用，80年代初我國開始在油田和部分輸油站嘗試采用區域性陰極保護技術，90年代中后期區域性陰極保護技術相對成熟并逐步推廣應用。國內外陰極保護工程實踐證明，對輸油泵站、油庫罐區及油氣集輸聯合站等采用區域性陰極保護技術比單管涂層防腐蝕技術和犧牲陽極技術更加有效[2-6]。實施區域性陰極保護后的油氣廠站，可在很大程度上減緩金屬設施的腐蝕，延長設施大修周期, 其經濟效益和社會效益相當可觀。

1　陰極保護

陰極保護是給受保護金屬結構補充大量的電子，使被保護金屬結構整體處于電子過剩的狀態，使金屬表面各點達到同一負電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。一般對于小型或處于低土壤電阻率環境中(土壤電阻率小于100 Ω·m)的金屬結構，如：城市管網、小型儲罐等采取犧牲陽極的保護方式(見圖1)；而對于大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結構，如：長輸埋地管道，大型罐群等采用外加電流的保護方式(見圖2)。

圖1　犧牲陽極保護Fig. 1　Sacrificial anode protection

區域性陰極保護技術依靠犧牲陽極、外加電流保護方式的合理布局，保護電流的自由分配以及與相鄰設備的絕緣措施，使被保護對象處于規定保護電位之內。區域性陰極保護過程中應結合規范，抓住重點，進行主次分明的保護。根據國內外的實踐經驗，在進行區域性陰極保護過程中應將陰極保護對象集中在儲油罐底板、其次是埋地和地溝管線、以及相關設備。技術的難點在于如何依據實際情況，采用合理的布局設計和施工技術以達到最佳的陰極保護效果。

圖2　外加電流保護Fig. 2　Applied current protection

2　區域性陰極保護體系

2.1外加電流保護

某聯合站區域性陰極保護設立8座陰極保護站布局圖(見圖3)，設置11個通電點(見表1)對埋地非板式基礎儲罐、集中在埋地管網、罐體間直接相連的接地極、外輸油氣管道以及集油干線采陰極保護措施。而某天然處理廠區域性陰極保護建立2座陰極保護站布局相對簡單，僅設置2個通電點(見表2)對原料氣管道上的絕緣接頭外側的管道和廠外閥室內外輸氣管道上的絕緣接頭之外的管道采取保護措施。陰極保護站主要由提供保護電流的陰極保護電源設備、站外陽極地床、陰極保護通電點及參比電極、各類連接電纜和電絕緣裝置等組成。

從表1和表2可以看出，針對不同的腐蝕介質和保護對象，區域性陰極保護構建時聯合站通電點保護對象涵蓋儲罐、管道，保護對象較為復雜，而天然氣處理廠區域性陰極保護相對簡單，布局上也是簡單“一進一出”模式。

2.1.1 陽極地床

某聯合站區域內設置8座組合式閉孔深井混合金屬氧化物陽極地床。陽極井井口直徑400 mm，設計深度80 m，接地電阻≤1.5 Ω。輔助陽極地床的位置應盡量設在土壤電阻率低于50 Ω·m處。陽極地床深度和位置地床選址注意以下因素：

(1) 地床與被保護管道、設備距離不宜小于50 m；

表1　某聯合站陰極保護站通電點分布Tab. 1　The layout of cathodic protection power supply points in a union station

表2　某天然氣處理廠陰極保護站通電點分布Tab. 2　The layout of cathodic protection power supply points in a natural gas plant

(2) 地床應避免設在存在有害物質(碳氫化合物、重金屬鹽和鹽水等)污染的區域；

(3) 陽極井開口位置應高出洪水位；

(4) 土層厚、無石塊，便于施工；

(5) 地勢低洼，地下無金屬構筑物的地方。

天然氣處理廠區域內陰極保護站采用水平淺埋式陽極地床，陽極地床埋設在距地表1～5 m的土層中的廠外。其埋設深度位置和地床選址原則為：

(1) 水平淺埋連續式陽極地床采用加鉻高硅鑄鐵輔助陽極。高硅鑄鐵陽極易碎、易斷裂，凡斷裂后不得再用；

(2) 陽極引出電纜與陽極的接觸電阻應小于0.01 Ω；拉脫力數值應大于陽極自身質量的1.5倍；

(3) 接頭應密封可靠，陽極采用水平淺埋式陽極。

2.1.2 參比電極

對于聯合站內區域中的埋地非板式儲罐罐底板下均埋設2支長效Cu/CuSO4參比電極做為基準電位點，用于測量保護結構體點位。區域內參比電極埋設情況見表3。其埋設要求如下：

(1) 將Cu/CuSO4參比電極預先用蒸餾水或淡水配制的飽和CuSO4溶液中浸泡24 h，應注意電極完全浸沒于溶液中；

(2) 把裝有回填料的包裝袋打開，將浸沒電極的CuSO4溶液倒入其中，用溶液把填料攪拌成均勻稠泥狀，再將浸泡過的電極埋設于回填料中央，扎好包裝袋，注意預留出導線；

(3) 在指定位置砂墊層中挖好長寬各500 mm，深250 mm的砂坑，將泡好的參比電極連同回填料置于預挖的埋設坑中，再向坑中填細砂，并向坑中澆適量淡水，保證電極與周圍砂層之間的導電性；

(4) 參比電極埋設完畢后，將參比電極引出電纜按指定方向在砂墊層中開挖電纜溝，電纜溝深度100 mm，參比電極引出電纜敷設完成后在電纜溝內填充工程細砂；

(5) 參比電極引出電纜沿測試樁內電纜套管直接連入接線板的接線柱。

表3　某聯合站儲罐參比電極Tab. 3　The reference electrode of tank in a union station

天然氣處理廠區域中長效Cu/CuSO4參比電極通常埋設在通電點附近的凍土層以下,見表4，外用棉布袋裝填填包料，參比電極置于填包料中間，每袋填包料為膨潤土20 kg，填包料應充分浸水濕潤，參比電極周圍應用細土回填。為了確保參比電極的正常工作，參比電極頂部需要安裝一根PVC管，上蓋配套的PVC地漏，并略低于地面，管內填充細砂至地面高度，以方便運行維護中定期灌水，保持長效硫酸銅參比電極處于濕潤的土壤環境中。

表4　某天然氣處理廠參比電極Tab. 4　The reference electrode in a natural gas plant

從表3和表4可以看出，相比較天然氣處理廠區域性陰極保護體系的相對集中、管網單一，聯合站區域性陰極保護對象涵蓋儲罐板底和埋地管線，區域相對分散等因素對源頭優化設計和施工提出較高要求。

2.1.3 測試樁

聯合站區域性陰極保護電位測試樁安裝在距儲罐罐底邊緣1.5 m處，與管道連接的區域性陰極保護電位測試樁設置在距管道中心線1.5 m處。而天然氣處理廠在絕緣接頭安裝處設置絕緣接頭測試樁，方便檢測絕緣接頭的絕緣性能。測試導線采用雙芯電纜，采用雙焊點鋁熱焊與管道連接。各焊點與通電點焊點、絕緣接頭保護設施(避雷器)焊點的相對。

2.2極化電位

極化電位ΔE為被保護結構體施加陰極保護電流后，管道對地電位向負值方向移動形成保護電位E與在斷電狀態下被保護結構體的對地自然電位Ek之間的差值。即：ΔE=│E-Ek│。保護電位的確定依據以下3個原則：

(1) 一般情況下自然電位在-550～750 mV時，被保護管段對地保護電位E=-850 mV(Cu/CuSO4參比電極,下同) ，即可處于較好的保護狀態；

(2) 當對保護地電位不在這個范圍內時，被保護管段極化電位ΔE最低要達到100 mV，以保證足夠的陰極極化；

(3) 對地保護電位E不得超過-1 500 mV；對地電位超過-1 500 mV以后，有產生電解或陰極剝離的可能性，為防止這種情況的發生，將對地電位確定為向負向極化不超過-1 200 mV。

極化電位的測試方法如下：將陰保系統停運行，測被保護結構體的對地自然腐蝕電位Ek得出一組數據；恒電位儀打開后，測得處于通電狀態測被保護結構體的保護電位E。將Ek和E兩組數據進行對比分析，保護電位在預設范圍內就為正常，否則就要重新調試。在有測試片的情況下，以測試片的值作為Ek；有絕緣接頭正常的情況下，也可以未保護端的電位為Ek。

下列情況要及時調整參數設置：

(1) 四季氣候發生變化，雨季、旱季、汛期等情況下管道的自然腐蝕電位Ek也在發生變化，這樣就需要進行參數的調整。

(2) 當進行管道維護作業時，被保護體的總面積出現了變化(焊接、搭接、割除管道)或外防腐蝕層質量出現變化，就要重新設置參數。

(3) 在條件許可的情況下，可記錄當地的氣候變化，記錄內容為氣溫、降水量。根據當地季節變化，在測試自然腐蝕電位的基礎上，進行參數調整。

從表5和表6可以看出，無論是油氣儲運設備眾多的聯合站，還是設備相對簡單的天然氣處理廠，采用外加電流陰極保護結構體時控制電位的選擇均在-1 200～-850 mV。而恒電位儀因保護構筑體不同，輸出電流、電壓波動較大。

表5　某聯合站陰極保護測試樁Tab. 5　Cathodic protection test piles in a union station

表6　某天然氣處理廠陰極保護測試樁Tab. 6　Cathodic protection test piles in a natural gas plant

2.3犧牲陽極保護

在區域性外加電流陰極保護的基礎上，根據工程實際施工中，對于達不到保護電位的被保護結構體采用犧牲陽極塊補充陰極保護。犧牲陽極塊埋在結構體兩側，犧牲陽極塊距離被保護結構體外壁3～5 m，最小不宜小于0.5 m，同側陽極間距2～3 m。犧牲陽極采用臥式埋設凍土層以下，低于結構體底部至少0.5 m。陽極通過測試樁與結構體連接，具體位置可根據現場情況進行調整。

對于小型儲罐、腐蝕速率較快的儲罐也考慮設計犧牲陽極塊。

3　結論與探討

針對不同區域內的陰極保護結構體的差異，區域性油氣廠站陰極保護體系構建時會綜合考慮外加電流與犧牲陽極兩種方式的有效結合，已達到被保護結構體金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生。

區域性陰極保護是將整個區域內的所有地下金屬結構體全部納入保護范疇,不論是聯合站還是天然氣處理廠在區域性陰極保護設計時都會統籌考慮陽極地床、參比電極、測試樁以及通電點的選取安置，補充犧牲陽極塊問題。在油氣廠站區域性陰極保護體系構建中聯合站保護電流通常較大，不同通電點之間的區位選擇、參比電極埋設都會對保護系統的電流造成干擾；接地設施與埋地管道、鋼筋混凝土基礎的接觸，使該區域內土壤中產生電位梯度，形成屏蔽效應。而天然氣處理廠實施陰極保護相對簡單,保護電流通常較小,一般不會對站內管道金屬結構造成明顯干擾合屏蔽。

[1]天津大學物理化學教研室編. 物理化學[M]. 北京:高等教育出版社,1993.

[2]張金珠,杜艷霞. 深海油氣開發應用陰極保護技術面臨的幾點問題[J]. 腐蝕科學與防護技術,2012,24(1):71-73.

[3]陳洪源,范志剛,劉玲莉,等. 區域性陰極保護技術在輸氣戰場中的應用[J]. 油氣儲運,2005,24(5):41-44.

[4]杜艷霞,張國忠. 輸油泵站區域性陰極保護實施中的問題[J]. 腐蝕與防護,2006,27(8):417-419.

[5]劉玲莉,陳洪源,劉明輝,等. 輸油氣站區陰極保護中的干擾與屏蔽[J]. 管道技術與設備,2005,2:31-33.

[6]王燕. 某油庫區域陰極保護實踐[J]. 腐蝕與防護,2011,32(7):562-564.

Structure and Discussion of Regional Cathodic Protection System in Oil-gas Stations

WANG Lin-qiang1, AN Chao2, ZHANG Qi1, JIA Hai-min1, XIONG Xin-ming1, GAN Xiao-ping1

(1. Taber Exploration & Development Administration Department of Tarim Oilfield, Korla 841000, China;2. Natural Gas Department of Tarim Oilfield, Korla 841000, China)

Regional cathodic protection is a corrosion protection technology which is mainly used in intensive areas of underground pipe network and mesh metal structures. When a regional cathodic protection system in oil-gas stations is constructed, the protected objects are not a single one but a complex system which consists of crossed underground pipe network, grounding network and tank bottom. The regional cathodic protection systems in a union station and in a natural gas plant are compared, the difference of regional cathodic protection systems are discussed from the design and construction technology, the setting principle of sacrificial anode block is peresented. The best protection effect of regional cathodic protection is explored.

regional catodic protection; structure; discussion

10.11973/fsyfh-201510018

2014-10-23

王林強(1988-),工程師,學士,從事油氣田地面工藝管理、防腐蝕技術工作,13999619368,qlw10@sina.com

TG174.41

B

1005-748X(2015)10-0986-04