王家溝油庫區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

趙常英，朱家祥，周冰，賈光猛，秦海燕

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘062552

2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

王家溝油庫區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

趙常英1，朱家祥1，周冰2，賈光猛1，秦海燕1

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘062552

2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

王家溝油庫具有建設(shè)時(shí)間跨度大，區(qū)域面積大，儲罐數(shù)量多，管網(wǎng)分布密集，防腐層種類多樣且失效嚴(yán)重的特點(diǎn)。根據(jù)王家溝油庫的特點(diǎn)，對其防腐層失效、接地極面積大導(dǎo)致的陰極保護(hù)電流需要量大，存在電位偏正的低電阻模塊、土壤電阻率差別大易產(chǎn)生偏流、屏蔽，陽極安裝受限等不利因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，采用現(xiàn)場饋電試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算等方式，對深井陽極地床、淺埋陽極地床、線性陽極地床等方案進(jìn)行了篩選，優(yōu)化選擇出適合該項(xiàng)目的淺埋陽極地床類型和分布位置，并使整個(gè)庫區(qū)監(jiān)測點(diǎn)保護(hù)電位達(dá)標(biāo)率達(dá)到94%以上。主要介紹王家溝油庫陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及實(shí)施效果。

區(qū)域陰極保護(hù)；陽極地床；王家溝油庫

1 項(xiàng)目概況

王家溝油庫始建于1961年，現(xiàn)有4個(gè)罐區(qū)，共有各類儲罐64座，儲罐罐容從1 000 m3到5萬m3不等，其中32座儲罐罐底外壁已采用網(wǎng)狀陽極進(jìn)行強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。據(jù)調(diào)查，庫區(qū)內(nèi)各種規(guī)格的埋地工藝管道總長度約91.53 km，僅有4.9 km實(shí)施了陰極保護(hù)。庫區(qū)內(nèi)還有超過2萬m鍍鋅扁鋼和300只低電阻模塊等各類接地體。王家溝油庫建設(shè)時(shí)間跨度大，管道敷設(shè)年限較早，有相當(dāng)一部分外防腐層已失效。區(qū)域陰極保護(hù)存在以下不利因素：

（1）管道及儲罐數(shù)量多，接地極面積大，管道防腐層絕緣性能差異大，甚至有的管道防腐層已完全失效，因此需要陰極保護(hù)電流量大。

（2）接地極種類多，存在電位偏正的低電阻模塊，且水平及分層土壤電阻率差別大，2 m深土壤電阻率為40～151 Ω·m，4 m深土壤電阻率超出電阻測試儀量程，易產(chǎn)生陰極保護(hù)電流偏流、屏蔽。

（3）庫區(qū)內(nèi)管道及罐體自腐蝕電位差別大，在-0.37～-0.59 V，對陰極保護(hù)電流需求量不同。

（4）罐區(qū)及工藝區(qū)附近管網(wǎng)密集，造成陽極地床安裝位置受限。

（5）帶有陰極保護(hù)的線路橫穿管道，如果地床設(shè)置不合理，會造成不同陰極保護(hù)系統(tǒng)間的相互干擾。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 陰極保護(hù)方式選擇

犧牲陽極輸出電流小，保護(hù)距離短，保護(hù)電流輸出量不易調(diào)節(jié)，在區(qū)域保護(hù)對象難以估計(jì)的情況下，保護(hù)范圍有限[1]。對于王家溝油庫這種占地面積大、金屬構(gòu)筑物復(fù)雜的區(qū)域保護(hù)對象，所需保護(hù)電流多，犧牲陽極難以提供足夠的電流。王家溝油庫大部分區(qū)域土壤電阻率高于150 Ω·m，當(dāng)土壤電阻率大于150 Ω·m時(shí)，不宜采用犧牲陽極形式，因此本工程采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。立足現(xiàn)場條件，充分利用已有的陰極保護(hù)設(shè)施，將陰極保護(hù)區(qū)域按罐區(qū)進(jìn)行了大的區(qū)域劃分，分成了4個(gè)區(qū)域。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)又將儲罐、管網(wǎng)劃分成不同的小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域都由獨(dú)立可調(diào)的恒電位儀設(shè)備供電。

2.2 地床選擇

用于區(qū)域陰極保護(hù)的陽極地床分為深井陽極地床、淺埋陽極地床和線性陽極地床3種[2]。

2.2.1 深井陽極地床

深井陽極可有效地均衡保護(hù)電流分布，避免屏蔽和最大限度地消除干擾，尤其當(dāng)?shù)乇砜臻g小或地表土壤電阻率高時(shí)，深井陽極因其接地電阻小、占地少的優(yōu)勢是一個(gè)很好的選擇。在區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，深井陽極地床傾向于把保護(hù)對象整體化，但由于屏蔽效應(yīng)，保護(hù)區(qū)域邊緣極化度較高，中心則因管道及接地體密集而極化程度較低。

在南庫區(qū)罐區(qū)內(nèi)開展了深井陽極饋電實(shí)驗(yàn)，實(shí)地打了1口80 m深井，安裝了12只高硅鑄鐵陽極。經(jīng)測試，陽極地床接地電阻2.55 Ω，距離陽極井越遠(yuǎn)，保護(hù)電位越正，陽極井在南罐區(qū)內(nèi)，其北側(cè)隔路就是火車棧橋，棧橋鐵軌通電電位-0.92～-1.52 V，棧橋附近的接地模塊電位-0.72～-0.8 V，而南防火堤外靠近陽極井附近的管道電位-0.88～-1.68 V，陽極井附近地電位梯度分布以北側(cè)的為最大，陰極保護(hù)電流流向鐵軌最多。深井陽極輸出的大部分電流被裸露的鋼構(gòu)件吸收，導(dǎo)致遠(yuǎn)端的管網(wǎng)很難得到足夠的保護(hù)電流。而深井附近的密集管網(wǎng)，其電流分布（見圖1）較均勻。對深井陽極附近的8條管道進(jìn)行測試，它們的電位數(shù)值相近，為-0.948～0.957 V，基本不存在屏蔽。

圖1 南庫區(qū)深井陽極安裝位置及電位分布情況

對于區(qū)域陰極保護(hù)，僅靠現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)與傳統(tǒng)技術(shù)難以合理確定深井陽極的位置及深度，將數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用于陰極保護(hù)模擬計(jì)算的技術(shù)不僅降低了研究成本，還為站場陰極保護(hù)問題的解決提供了新途徑[3]。根據(jù)王家溝油庫管道的分布、走向及空置土地的分布，開展了數(shù)值模擬計(jì)算。初步設(shè)計(jì)了四種深井陽極分布方式，分別設(shè)置15、26、158和198口深井陽極，模擬不同分布方式下庫區(qū)內(nèi)埋地管道陰極保護(hù)電位的分布狀況。深井陽極直徑為150 mm，有效埋深為50～100 m，15口深井陽極，陰極保護(hù)電流總輸出為225 A。在該陽極分布條件下，埋地管道陰極保護(hù)電位達(dá)到最小陰保電位-850 mV以上的管道只有極少部分，絕大多數(shù)的管道都是處于欠保護(hù)狀態(tài)。深井陽極中釋放的陰保電流絕大多數(shù)都被接地系統(tǒng)及儲罐底板所吸收，受極保護(hù)護(hù)的管道吸收到的電流極少，其電位分布云圖見圖2。

圖2 陰極保護(hù)電位模擬分布（15口深井陽極地床）

通過連續(xù)增加陽極井?dāng)?shù)量，與埋設(shè)15口深井陽極地床相比，埋設(shè)26口深井陽極地床的埋地管道陰極保護(hù)電位達(dá)到-850 mV以上的范圍變大，但是總體上仍只有極少部分管道達(dá)到保護(hù)電位；在埋設(shè)有158口深井陽極條件下，埋地管道陰極保護(hù)電位達(dá)到-850 mV以下的管道范圍變大很多，但處于接地極附近罐區(qū)內(nèi)的管道大部分處于欠保護(hù)狀態(tài)，而附近無接地極的埋地管道則處于過保護(hù)狀態(tài)；在埋設(shè)有198口深井陽極條件下，埋地管道陰極保護(hù)電位達(dá)到-850 mV以的范圍進(jìn)一步增大，但仍需更多的陽極，此時(shí)總輸出電流高達(dá)1 086 A，并出現(xiàn)嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象，靠近陽極井附近的管道，保護(hù)電位已達(dá)到-1.9 V，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-1.2 V，但遠(yuǎn)離深井陽極處仍存在保護(hù)電位不足的管道，其電位分布云圖如圖3所示。上述情況表明，深井陽極很難兼顧好各個(gè)區(qū)域的陰極保護(hù)效果。

圖3 陰極保護(hù)電位模擬分布（198口深井陽極地床）

從現(xiàn)場試驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，庫內(nèi)的接地系統(tǒng)吸收了絕大多數(shù)的陰極保護(hù)電流，為了使更大區(qū)域的管道得到有效保護(hù)，需要相當(dāng)數(shù)量的深井陽極地床。增加深井陽極地床的數(shù)量，一方面增大了工程投資，另一方面受保護(hù)管道發(fā)生過保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)也會增加。因此，在王家溝油庫內(nèi)單獨(dú)采用深井陽極外加電流方案來保護(hù)埋地管道是不經(jīng)濟(jì)、不可取的。

2.2.2 淺埋陽極地床

因庫區(qū)內(nèi)2 m深左右區(qū)域的土壤電阻率較低，為淺埋陽極創(chuàng)造了條件。當(dāng)陽極與管道距離小于近陽極點(diǎn)時(shí)，保護(hù)電位主要由陽極電位決定，在規(guī)定最小保護(hù)電位EP下，以達(dá)到最大保護(hù)長度L作為陽極位置的優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算陽極與管道的最小距離[4]。

在現(xiàn)場做了10組淺埋陽極饋電試驗(yàn)，每組陽極間距3～5 m，在靠近陽極的位置，管道較易得到保護(hù)，而距離較遠(yuǎn)處，保護(hù)電位不足，需要布設(shè)更多的陽極使其得到保護(hù)。在三條并行管道處進(jìn)行測試，靠近陽極位置，電位偏負(fù)，存在一定的屏蔽作用。

通過數(shù)值模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)了淺埋陽極分布方式，模擬陽極數(shù)量不同、間距不同條件下庫區(qū)內(nèi)埋地管道陰極保護(hù)電位的分布。為使庫區(qū)內(nèi)所有管網(wǎng)及未做陰極保護(hù)的罐底得到保護(hù)，沿管道和儲罐周圍需立式安裝1577只淺埋高硅鑄鐵陽極，陽極間距3～5m，個(gè)別單根管處距離為20 m。在雅安庫，罐區(qū)內(nèi)為1 000 m3儲罐，且儲罐底部未安裝網(wǎng)狀陽極，采用在罐區(qū)防火堤內(nèi)埋設(shè)淺埋陽極進(jìn)行保護(hù)，其電位分見圖4。

圖4 1577只淺埋陽極地床埋地管道陰極保護(hù)電位模擬分布

2.2.3 線性陽極地床

線性陽極為近陽極，距被保護(hù)構(gòu)筑物距離較近，沿長度方向分布，電流能優(yōu)先流到最近的構(gòu)筑物上使之得到保護(hù)，很少出現(xiàn)大量電流流向其他埋地構(gòu)筑物而造成浪費(fèi)，并產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象[5]，即使接地極會吸收部分電流，但由于管道靠近陽極，還是有大部分電流會流向管道。

王家溝油庫是改造項(xiàng)目，線性陽極不僅材料費(fèi)高，其施工安裝費(fèi)也非常高，庫區(qū)內(nèi)均為在役管道，管道附近埋設(shè)有電纜、光纜，埋設(shè)線性陽極需沿管道進(jìn)行人工開挖，并安裝于距離管道3～5 m處，全場區(qū)91.35 km的管道，埋深從1.5～5 m不等，線性陽極的安裝施工費(fèi)高昂，而且有挖斷電纜、光纜甚至管道的風(fēng)險(xiǎn)。線性陽極的另一劣勢是油庫會不斷地進(jìn)行后期改造，如果管道、電纜等隱蔽工程開挖不慎，會造成挖斷線性陽極，因此該方案未被采納。

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)饋電試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，提出如下設(shè)計(jì)方案：

王家溝油庫區(qū)域陰極保護(hù)共新增恒電位儀（75 V/50 A）35臺，淺埋高硅鑄鐵陽極1 577只，每只陽極可輸出電流0.6～0.8 A。每臺恒電位儀接4個(gè)陽極防爆接線箱，1個(gè)防爆接線箱連接4～5組高硅鑄鐵陽極（每組4只）。為監(jiān)測保護(hù)效果，設(shè)置131個(gè)智能電位采集儀，可將采集電位通過射頻方式上傳至現(xiàn)有的專家系統(tǒng)。將所有的接地模塊更換為鋅包鋼。

在區(qū)域陰極保護(hù)中，被保護(hù)體的跨接十分必要。一般土壤電阻率通常在103～106Ω·cm，而金屬電阻率在10-5～10-6Ω·cm，其比值為10-8～10-12，一個(gè)橫截面積為0.01 m2的金屬導(dǎo)體等價(jià)于電阻率為106Ω·cm、橫截面積為1 010 m2的土壤，可見大地中的金屬構(gòu)筑物是具有很強(qiáng)吸引電流的載體。當(dāng)保護(hù)電流在土壤內(nèi)因電阻過大難以流向被保護(hù)管道時(shí)，通過導(dǎo)線跨接，可以大大縮短電流路徑，使被保護(hù)體電流密度增加，電位得到有效降低，因此為保證陰極保護(hù)電流均勻分布，在管網(wǎng)密集處設(shè)計(jì)了大量的跨接。

4 實(shí)施情況

王家溝油庫已施工完畢，處于最終調(diào)試期，具體實(shí)施與初步設(shè)計(jì)有所不同：初步設(shè)計(jì)要求將模塊接地極更換為鋅接地，因現(xiàn)場模塊接地極位置無法探測，所以未做更換；初步設(shè)計(jì)考慮陽極垂直埋設(shè)，為減少土方，擬用鉆孔方式，但場區(qū)內(nèi)管網(wǎng)實(shí)際位置無法準(zhǔn)確探測，鉆孔有鉆透管道或損壞電纜的風(fēng)險(xiǎn)，因此改用人工開挖，陽極改為水平埋設(shè)，埋深約2 m。

2015年7月對南庫區(qū)進(jìn)行了預(yù)驗(yàn)收，通過現(xiàn)場調(diào)試，在罐區(qū)周圍減少陽極15只；在南側(cè)管廊帶處，管道長約100 m，陽極間隔20 m，保護(hù)電位不足，因此在13 m及67 m處增加了2只陽極。南庫區(qū)均能滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求的斷電電位-0.75 V（該罐區(qū)土壤電阻率＞100 Ω·m）或100 mV要求。

2016年1月對王家溝油庫整體進(jìn)行了初步調(diào)試，92%的區(qū)域得到了正常保護(hù)，8%部位存在欠保護(hù)。欠保護(hù)區(qū)域主要是距離陽極較遠(yuǎn)或出現(xiàn)了屏蔽的管網(wǎng)密集區(qū)域。新增恒電位儀的輸出總電流為128.7 A，原有的恒電位儀輸出總電流為49.7 A，合計(jì)178.4 A，模擬推算所需電流298 A，饋電推算所需電流292 A，實(shí)際電流值低于這兩種計(jì)算值。通過現(xiàn)場測試，不同位置的陽極輸出電流也不均衡，單只陽極輸出電流為0.1～0.4 A。

2016年3月至7月連續(xù)對王家溝油庫進(jìn)行調(diào)試和整改，欠保護(hù)部位增加了陰極跨接點(diǎn)并補(bǔ)設(shè)陽極。截止7月中旬，系統(tǒng)調(diào)試電位達(dá)標(biāo)率達(dá)到97.9%，整個(gè)內(nèi)測試電位不存在欠保護(hù)區(qū)域，但有2.1%的電位為過保護(hù)區(qū)域，新增恒電位儀的輸出總電流為111.3 A，原有恒電位儀的輸出總電流為58.6 A，系統(tǒng)整改之后恒電位儀的輸出電流變化不大。補(bǔ)加陽極使整個(gè)電流電位分布更加均勻，以前需要更大電流輸出才能達(dá)到保護(hù)要求的區(qū)域，通過補(bǔ)加近陽極，使該區(qū)域陽極地床接地電阻減小，在同等條件下能獲得更多的保護(hù)電流，所以在欠保護(hù)區(qū)域增加陽極之后新建系統(tǒng)的恒電位儀總電流輸出有所降低，而原有的系統(tǒng)電流需求量上升主要是因?yàn)樵摬糠蛛娢挥幸徊糠痔幱谇繁Ｗo(hù)的狀態(tài)。最終的電流需求量待調(diào)試后或許有微小變化，目前系統(tǒng)調(diào)試電位達(dá)標(biāo)率達(dá)到94.6%。

5 結(jié)論及建議

區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)庫區(qū)的特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮陰極保護(hù)區(qū)域的劃分、陽極地床的選擇和位置的確定。

（1）對于類似王家溝這樣的特大型庫區(qū)，采用模擬計(jì)算與現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)區(qū)域陰極保護(hù)更為切合實(shí)際。

（2）區(qū)域陰極保護(hù)管道之間的跨接十分必要，可直接改變因土壤電阻率不同、管道防腐層絕緣性差異、電流衰減等造成電流不均的現(xiàn)象，達(dá)到電流重新分布的目的。

（3）王家溝管網(wǎng)采用淺埋陽極，系統(tǒng)調(diào)試電位達(dá)標(biāo)率隨季節(jié)有少許變化，達(dá)到94.6%～97.9%，實(shí)踐證明采用淺埋陽極這種近陽極的方式取得了預(yù)期的保護(hù)效果。

[1]馬含悅，杜磊，楊陽，等.區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)概況及其發(fā)展[J].腐蝕與防護(hù)，2014，35（5）：425-429.

[2]李海坤，謝濤，王穎，等.區(qū)域陰極保護(hù)實(shí)踐與分析[J].天然氣與石油，2013，31（2）：73-75.

[3]杜炘潔.站場區(qū)域陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2013.

[4]翁永基.陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中的模型研究及其應(yīng)用[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1999，11（2）：99-110.

[5]程明，屠海波，張平，等.線性陽極在陽曲壓氣站區(qū)域性陰極保護(hù)中的應(yīng)用.腐蝕與防護(hù)，2012，33（4）：338-341.

Design ofregionalcathodic protection for Wangjiagou OilDepot

ZHAO Changying1，ZHU Jiaxiang1，ZHOU Bing2，JIAGuangmeng1，QIN Haiyan1
1.China Petroleum Engineering HuabeiCompany，Renqiu 062552，China
2.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

Wangjiagou OilDepot has the features oflong construction time span，large regionalarea，large numberofstorage tanks，dense pipeline network distribution and various coatings with serious failure.According to the characteristics of Wangjiagou Oil Depot，this paper analyzes in detail the negative factors as follows：A lot of cathodic protection current is required because of the failure of anticorrosive coating and the large ground area；Bias current and shield are easily produced because of the presence of low resistance module with positive potential and different soil resistivity；Installation of anode bed is limited.Furthermore，through field feeding experiment and numericalsimulation，deep wellanode，shallow buried anode and flexible anode are screened and the type of shallow buried anode and the distributive location are optimally selected.Ultimately，protection potentials of more than 94%monitoring points met requirements.The key points of the design for cathodic protection of the oildepot and the implementation effect are mainly introduced.

regionalcathodic protection；anode bed；Wangjiagou OilDepot

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.017

趙常英（1968-），女，河北唐山人，高級工程師，1989年畢業(yè)于西南石油學(xué)院，現(xiàn)從事防腐設(shè)計(jì)工作。

2016-07-15；

2016-11-01

Email：34142622@qq.com