淺述輸油管線陰極保護方案設計

朱浩(北京中航油工程建設有限公司,北京 100621)

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淺述輸油管線陰極保護方案設計

朱浩
(北京中航油工程建設有限公司,北京 100621)

【摘 要】陰極保護技術作為油氣長輸管線工程中必不可缺的一部分,能夠有效的抑制土壤對油氣管道的腐蝕,極大的提高了油氣長輸管線運行壽命。本文結合廣州場外航煤輸油管線工程采用的以強制電流為主、犧牲陽極為輔的陰極保護方案,從設計的角度討論了陰極保護方案設計時需要考慮的因素,方案參數計算方法以及雜散電流的影響因素及防治措施。

【關鍵詞】輸油管線 強制電流保護 犧牲陽極保護 雜散電流

1 概述

陰極保護作為防止金屬腐蝕的有效技術，自1965年引入國內，經過40 多年的發展，目前已發展成熟，取得了顯著的經濟效益，在油氣長輸管線上得到廣泛的應用。陰極保護技術主要分為強制電流法和犧牲陽極法，廣州場外航煤輸油管線工程采用的強制電流為主，犧牲陽極為輔的方案。

2 陰極保護原理

埋地金屬管道腐蝕主要為電化學腐蝕，分析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種類型[1]，主要原理如下:

(1)析氫腐蝕。

陽極反應(Fe):Fe =Fe2++e-Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+正極(雜質):2H++2e-=H2

電池反應:Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2，即析氫腐蝕。(2)吸氧腐蝕。

負極(Fe):Fe=Fe2++2e-

正極:O2+2H2O+4e-=4OH-

總反應:2Fe+O2+2H2O=2 Fe(OH)2，即吸氧腐蝕。

強制電流法和犧牲陽極法共同的特點是給管道提供電流，避免金屬管道因電子流失而發生腐蝕。管道陰極保護電位應為-850 mV或更負，陰極保護狀態下管道的極限電位不能比-1200mV(CSE)更負，避免保護電位不足或過負。此外，上述保護電位準則難以達到時，可采用陰極極化電位差大于100mV作為判斷依據[2]。

3 陰極保護設計原則及方法

3.1陰極保護方案

3.1.1 陰極保護方案比較

強制電流法保護范圍大、輸出電流可調節、不受環境介質影響、保護裝置壽命長、工程越大越經濟，但需要外部電源、對附近金屬構筑物干擾大且維護管理量大。

犧牲陽極法無需外部電源、對附近構筑物干擾很小、保護電流分布均勻、投產調試后無需管理、工程越小越經濟，但保護電流不可測、高電阻環境不宜使用、對防腐層質量要求較高、投產調試工作復雜[3]。

廣州場外航煤輸油管線(簡稱“場外管線”，下同)工程采用以強制電流為主，犧牲陽極為輔的陰極保護方案。

3.1.2 設計考慮因素

管線參數:采用L360鋼材，一般段直縫電阻焊Φ406.4×8.0，穿越段直縫埋弧焊鋼管Φ406.4×8.8，設計壓力8MPa，常溫輸送航空煤油，鋼管外防腐采用加強級3PE；

土壤電阻率:大部分地段200Ω.m左右；

雜散電流:管道沿線有高壓線和電氣化鐵路；

設計保護年限:40年；

保護電位:消除土壤IR降的前提下，管/地電位達到-0.85V或更負(CSE)；或在陰極保護極化形成或衰減過程中，陰極極化電位差值最小為100mV。

3.2 陰極保護計算方法

陰極保護計算是陰極保護的核心技術，指導陰極保護設計和運行，計算方法參考GB/T 21448-2008，以場外管線陰極保護方案為例進行說明。

3.2.1 強制電流保護[2]

(1)保護長度計算。

式中:L—單側管道保護長度，m；

△V—最大與最小保護電位之差，V；

D—管道外徑，m；

JS—保護電流密度，A/m2，取值0.00002；

RS—管道線電阻，Ω/m；

ρT—鋼管電阻率，Ω·mm2/m；

δ—管道壁厚，mm。

經計算，管道單側保護長度為45km。

(2)保護電流計算。

按照被保護對象的實際面積和選取的保護電流密度，計算保護電流:

式中:I0—單側管道保護電流，A；

Dp—管道外徑，m；

Js—保護電流密度，A/m2；

L—保護管道長度，m。

(3)單支水平式輔助陽極接地電阻計算。

本工程設計采用高硅鑄鐵陽極，預包裝陽極組尺寸規格為Φ 219×2000mm。陽極地床為淺埋陽極，埋設深度1.5米。陽極地床位置選取低洼、低電阻率區域，距管道垂直距離應不小于300m。

式中:Ra—水平式輔助陽極接地電阻，Ω；

ρ—土壤電阻率，Ω·m，取值為150；

La—輔助陽極長度(含填料)，m；

Da—輔助陽極直徑(含填料)，m。

(4)陽極地床接地電阻計算。

式中:Rz—陽極地床接地電阻，Ω；

Ra—單支水平式輔助陽極接地電阻，Ω；

F—輔助陽極電阻修正系數；

n—輔助陽極支數。

(5)電源系統及陽極地床。

式中:P—電源功率，W；

I—保護電流，A；

V—電源設備的輸出電壓，V；

η—電源設備效率，一般取0.7；

RZ—輔助陽極接地電阻，Ω；

R1—導線電阻，Ω；

RC—陰極過渡電阻，Ω；

Vr—輔助陽極地床的反電動勢，V；焦炭填充時取Vr=2V；

α—管道衰減因素，m-1；

L—被保護管道長度，m；

rt—管道線電阻，Ω/m；

Rt—防腐層過渡電阻率，Ω·m；

I0—單側保護電流，A。

經計算，電源輸出電流為1.79 A，輸出電壓為8.9V，輸出功率22.74W。電源設備不能滿負荷運行，本設計裕量取50%。

3.2.2 犧牲陽極保護

對于河流、公路的穿越段采用犧牲陽極作為增補措施，在河流和公路定向鉆穿越部位兩端各增設4支鎂合金犧牲陽極。在此不做詳細的計算。初步估算一般取全線10%的作為保護長度，根據所需的保護電流以及單支犧牲陽極的發電電流，計算出所需的犧牲陽極數量。

3.3 雜散電流的影響因素及措施

防護雜散電流腐蝕一般采取“以防為主， 以排為輔， 防排結合， 加強監測”的綜合防護措施。雜散電流大小的基本趨勢是外加電流越小、土壤電阻率越大、管線埋深和水平距離越大、防腐層破損越小，對應的雜散電流越小[3]，從如下幾方面考慮雜散電流的防治措施:

(1)在條件準許的情況下，增加埋地管線與雜散電流電流源(如地鐵、電氣化鐵路、輸變線路、城市、工廠等雜散電流干擾源)平行及交叉距離[4]；(2)對于有雜散電流干擾段埋地金屬管線，管溝回填時換填電阻率較大的土壤；(3)采取絕緣性能好(如3PE)防腐層，選擇可靠的補口防腐材料(如聚乙烯熱收縮套)和施工工藝，對下溝回填的管線進行電火花檢測，及時修補有缺陷的防腐層[5]。(4)根據雜散電流的強度采取合理的排流措施，場外管線采用“固態去耦合器+裸銅線排流床”的排流方法。

4 結語

在長輸管線陰極保護設計，通常采用強制電流保護為主，犧牲陽極為輔的方案。在確定路由時，需要明確周邊雜散電流源的情況(如地下電纜、輸油輸氣管線、高壓電塔、變電站以及電氣化鐵路等)，在條件準許時增加安全距離。在設計計算時，根據保護電位、防腐層種類、管材、土壤電阻率、電流保護密度等確定設計參數。此外，還需注意犧牲陽極材料、套管屏蔽、絕緣法蘭干擾以及參比電極等問題，使陰極保護能達到最佳效果[6]。

參考文獻:

[1]杜秀玲,吳希革,李楠.淺談埋地鋼質管道陰極保護對3PE涂層的影響.腐蝕與防護.2007.5.

[2]GB/T21448-2008.埋地鋼質管道陰極保護技術規范.

[3]曹阿林.埋地金屬管線的雜散電流腐蝕防護研究(博士學位論文).重慶:重慶大學材料科學與工程學院,2010.

[4]宋吟蔚,王新華,何存富 等.埋地鋼質管道雜散電流腐蝕研究現狀.腐蝕與防護,2009:517-518.

[5]胡士信.管道陰極保護技術現狀及展望[J].腐蝕與防護,2004,25 (3):93-101.

[6]王芷芳,王健.陰極保護工程設計中的若干問題.腐蝕與防護,2000: 164-166.

作者簡介:朱浩(1988—),男,湖北武漢人,碩士研究生,助理工程師,從事輸油管道設計工作。