某燃?xì)忾T站區(qū)域陰極保護(hù)優(yōu)化方案確定

陳濤濤,趙 茜,杜艷霞,濮春明

(1. 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083;3. 國(guó)家管網(wǎng)西氣東輸分公司蘇浙滬輸氣分公司，南京 210002)

區(qū)域陰極保護(hù)是將指定區(qū)域范圍內(nèi)所有需要保護(hù)的對(duì)象作為一個(gè)整體，依靠輔助陽(yáng)極的合理布局、保護(hù)電流的自由分配等，使被保護(hù)對(duì)象處于規(guī)定的保護(hù)電位范圍之內(nèi)。與傳統(tǒng)的陰極保護(hù)不同，區(qū)域陰極保護(hù)的保護(hù)對(duì)象是一定區(qū)域內(nèi)的埋地金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合體[1-2]。該方法所需投資較少，能夠有效減緩被保護(hù)對(duì)象的腐蝕速率[3]。區(qū)域陰極保護(hù)起源于20世紀(jì)50年代，最早應(yīng)用于油田內(nèi)部管道、套管、船舶等[4]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代才開始區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)的研究探索[5]，區(qū)域陰極保護(hù)起先僅用于油田的單井保護(hù)，但目前已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道油氣輸送站場(chǎng)的防護(hù)[6-7]。

與干線陰極保護(hù)系統(tǒng)相比，區(qū)域陰極保護(hù)具有保護(hù)對(duì)象繁多、保護(hù)回路復(fù)雜、保護(hù)電流消耗較高、屏蔽與干擾等問題[8-9]，因此在有限空間內(nèi)陽(yáng)極地床設(shè)計(jì)的難度較大。為了解決這些問題，基于陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)方法得到發(fā)展和應(yīng)用，使區(qū)域陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)水平大幅提升。該方法能夠節(jié)省大量的人力、物力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[10-13]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)陰極保護(hù)陽(yáng)極地床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試難度大以及依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)無法保證陰極保護(hù)效果的全覆蓋等問題。目前，區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)在長(zhǎng)輸管道以及部分保護(hù)對(duì)象簡(jiǎn)單的站場(chǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，而在城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站尚未得到應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)落后[10,14-17]。

由于城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站所處地下環(huán)境復(fù)雜，站場(chǎng)內(nèi)埋地管網(wǎng)繁多，腐蝕失效案例時(shí)有發(fā)生，有必要對(duì)其進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)。本工作通過資料調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬，確定某燃?xì)忾T站區(qū)域陰極保護(hù)的最優(yōu)方案，為區(qū)域陰極保護(hù)在燃?xì)忾T站的應(yīng)用提供參考。

1 某燃?xì)忾T站基本情況及資料調(diào)研

某燃?xì)忾T站站內(nèi)工藝區(qū)主要由過濾計(jì)量區(qū)、調(diào)壓區(qū)、加臭區(qū)和生產(chǎn)區(qū)四個(gè)部分組成。站內(nèi)需要保護(hù)的對(duì)象主要是埋地管道，同時(shí)站內(nèi)大量防雷接地與管道相連，且無法與埋地管道進(jìn)行電隔離，故將防雷接地的埋地部分也列入保護(hù)對(duì)象[1]。為保證實(shí)施方案的精準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)區(qū)域陰極保護(hù)方案之前，對(duì)該門站進(jìn)行資料調(diào)研，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢驗(yàn)管道分布圖的準(zhǔn)確性，了解埋地管道結(jié)構(gòu)的分布情況，確保位置的準(zhǔn)確性。圖1為該門站內(nèi)管道及測(cè)試點(diǎn)分布圖。由于埋地管道較多且分布復(fù)雜，故管道分布圖可以為下一步開展現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)及數(shù)值模擬提供參考。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)

2.1 土壤電阻率

土壤電阻率是進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本的參數(shù)。采用Wenner四極法對(duì)該燃?xì)忾T站地下1.0～1.5 m的土壤進(jìn)行電阻率測(cè)試,得到平均土壤電阻率約為39 Ω·m。

圖1 某燃?xì)忾T站站內(nèi)埋地管道及測(cè)試點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution diagram of buried pipelines and test points in a gas gate station

2.2 自腐蝕電位測(cè)量

選取具有代表性的管道位置作為測(cè)試點(diǎn)，利用fluke萬用表測(cè)量各測(cè)試點(diǎn)的自腐蝕電位Vn，參比電極為飽和硫酸銅參比電極(CSE)。

2.3 饋電試驗(yàn)

饋電試驗(yàn)即采用臨時(shí)性陰極保護(hù)系統(tǒng)(電源和陽(yáng)極地床)對(duì)擬保護(hù)對(duì)象進(jìn)行通電極化試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上獲得不同區(qū)域的保護(hù)電流需求，并對(duì)比不同區(qū)域保護(hù)的難易[18]。

2.3.1 饋電試驗(yàn)過程

根據(jù)站內(nèi)空間、管道分布位置和保護(hù)電位分布情況，確定陽(yáng)極地床預(yù)埋位置和數(shù)量。針對(duì)該燃?xì)忾T站的特點(diǎn)，設(shè)置了4個(gè)臨時(shí)陽(yáng)極地床。陽(yáng)極地床的埋設(shè)位置見圖1，材料為1 500 mm×50 mm×4 mm的鍍鋅扁鐵。陽(yáng)極地床埋設(shè)完成后，回土填埋，壓實(shí)土壤，澆水潤(rùn)濕，以降低陽(yáng)極附近的土壤電阻率。

對(duì)設(shè)備通電，通過調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出將管道電位調(diào)整到理想的電位后，開始極化。4個(gè)陽(yáng)極地床輸出如表1所示。

表1 4個(gè)陽(yáng)極地床的輸出設(shè)置Tab. 1 Output setting of four anode ground beds

待管道極化穩(wěn)定后，開始進(jìn)行管道陰極保護(hù)通、斷電電位測(cè)試(簡(jiǎn)稱通、斷電電位)。在回路中串接斷路器，通過對(duì)陰極保護(hù)電源進(jìn)行通、斷電來實(shí)現(xiàn)通、斷電電位測(cè)試。在之前選取的自腐蝕電位測(cè)試點(diǎn)處測(cè)試并記錄對(duì)應(yīng)的通電電位Von、斷電電位Voff，計(jì)算電位極化量ΔV(斷電電位與自腐蝕電位之差)。文中電位如無特指均相對(duì)于參比電極CSE。

2.3.2 饋電試驗(yàn)結(jié)果

通過饋電試驗(yàn)得到4個(gè)陽(yáng)極地床保護(hù)下各測(cè)試點(diǎn)處管道通、斷電電位和電位極化量數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2～5所示。按照-850 mV電位準(zhǔn)則和100 mV極化準(zhǔn)則對(duì)管道陰極保護(hù)進(jìn)行評(píng)估[19]。

由表2可見，在1#陽(yáng)極地床保護(hù)下，管道通電電位位于-2.86～-0.52 V，管道斷電電位分布在-1.2～-0.48 V，電位極化量為-610～-30 mV。由于饋電試驗(yàn)條件限制，極化時(shí)間較短，以及防雷接地材料較多并吸收了大部分陰保電流，管道極化不完全。編號(hào)為1、28、32、33、34 的測(cè)試點(diǎn)沒有滿足100 mV極化準(zhǔn)則，未得到有效保護(hù)。

由表3可見，在2#陽(yáng)極地床保護(hù)下，管道通電電位位于-1.38～-0.44 V，管道斷電電位分布在-0.83～-0.42 V，電位極化量為-320～0 mV。編號(hào)為15、16、19、24、28、29、30、31的測(cè)試點(diǎn)沒有滿足極化準(zhǔn)則，處于欠保護(hù)狀態(tài)，其他的測(cè)試點(diǎn)得到良好保護(hù)。

由表4可見，在3#陽(yáng)極地床保護(hù)下，管道通電電位位于2.32～-0.62 V，管道斷電電位分布在-0.94～-0.48 V，電位極化量為-450～-60 mV。編號(hào)為13、31、37的測(cè)試點(diǎn)沒有得到有效保護(hù)。

表2 1#陽(yáng)極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 2 Feed test data of 1# anode ground bed

表3 2#陽(yáng)極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 3 Feed test data of 2# anode ground bed

由表5可見，在4#陽(yáng)極地床保護(hù)下，管道通電電位位于-2.45～-0.7 V，管道斷電電位分布在-0.97～-0.63 V，電位極化量為-370～-60 mV。除位置較遠(yuǎn)的23、15測(cè)試點(diǎn)外，所有生產(chǎn)區(qū)埋地管道極化量均滿足要求，管道得到有效保護(hù)。

表4 3#陽(yáng)極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 4 Feed test data of 3# anode ground bed

表5 4#陽(yáng)極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 5 Feed test data of 4# anode ground bed

從4個(gè)陽(yáng)極地床饋電試驗(yàn)結(jié)果可以看到，該燃?xì)忾T站埋地管道電流衰減過快，陽(yáng)極地床保護(hù)范圍較小，不能對(duì)站內(nèi)所有管道起到很好的保護(hù)。

以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的電位極化量最小值為電位極化量的測(cè)試值ΔVtest，同時(shí)根據(jù)陰保設(shè)計(jì)目標(biāo)和被保護(hù)結(jié)構(gòu)物自腐蝕電位，計(jì)算出所需極化量的最大值ΔVreq，然后根據(jù)式(1)計(jì)算所需的陰保電流Ireq。

(1)

式中：Itest為陰保電流測(cè)試值，與電位極化量測(cè)試值對(duì)應(yīng)。

由于極化特性是非線性的，利用式(1)計(jì)算的所需陰保電流可能會(huì)存在誤差，為了降低該公式的計(jì)算誤差，以下將利用數(shù)值模擬方法對(duì)電流需求量進(jìn)行計(jì)算，并采用被保護(hù)結(jié)構(gòu)物在實(shí)際土壤環(huán)境中的極化特性作為數(shù)值模擬的邊界條件。

3 電流需求量的數(shù)值模擬及方案確定

該燃?xì)忾T站內(nèi)空間狹小，地下管道縱橫交錯(cuò)且會(huì)相互發(fā)生屏蔽干擾，這給保護(hù)性預(yù)測(cè)帶來一定的困難[18]。數(shù)值模擬方法則可以通過數(shù)學(xué)建模在陰極保護(hù)中調(diào)整或者確定陽(yáng)極數(shù)量、分布等參數(shù)，計(jì)算出保護(hù)電位的范圍，預(yù)測(cè)出保護(hù)效果，得到最優(yōu)的陰極保護(hù)方案[1,20-21]。

3.1 模型建立

根據(jù)對(duì)某門站的資料查詢和現(xiàn)場(chǎng)信息核實(shí)，建立了該門站區(qū)域性陰極保護(hù)系統(tǒng)的三維幾何模型，如圖2所示。

圖2 燃?xì)忾T站的三維模型Fig. 2 3D model of a gas gate station

3.2 極化邊界確定

采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和邊界反演方法確定埋地管道防腐蝕涂層的狀況。邊界反演是指通過對(duì)陰極保護(hù)電場(chǎng)分布規(guī)律的研究來反演出管道極化邊界條件，從而準(zhǔn)確獲得模擬陽(yáng)極地床保護(hù)下管道陰極保護(hù)電位的分布情況。

采用Reference 3000型電化學(xué)工作站和三電極體系測(cè)量X42鋼在土壤中的極化曲線。工作電極為尺寸10 mm×10 mm×5 mm的X42鋼，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為混合金屬氧化物(MMO)，介質(zhì)為現(xiàn)場(chǎng)帶回的土壤。掃描速率為1 mV/s，掃描范圍為-1 200～200 mV(相對(duì)于開路電位)。調(diào)整面電阻率和破損率的取值，獲得不同位置涂層極化的邊界條件，如圖3～4所示。

圖3 X42鋼在土壤中的極化曲線Fig. 3 Polarization curve of X42 steel in soil

圖4 根據(jù)饋電試驗(yàn)反演獲得不同區(qū)域的極化曲線Fig. 4 Polarization curves of different regions obtained by inversion of feed test

3.3 陽(yáng)極地床優(yōu)化方案

利用反演計(jì)算得到的陰極邊界對(duì)陽(yáng)極地床進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。分別計(jì)算獲得了外加電流淺埋分布式輔助陽(yáng)極地床、深井與淺埋陽(yáng)極地床共同防護(hù)以及犧牲陽(yáng)極三種情況下的優(yōu)化方案。

3.3.1 方案1

方案1為外加電流淺埋分布式輔助陽(yáng)極地床分布優(yōu)化方案。在采用6組淺埋分布式輔助陽(yáng)極地床情況下，通過數(shù)值模擬對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，使站內(nèi)埋地管道能得到有效保護(hù)。6組陽(yáng)極具體位置如圖5所示，陽(yáng)極輸出電流分別為-2.30，-6.80，-1.20，-2.45，-2.85，-2.15 A，共-17.75 A。采用-850 mV的陰保準(zhǔn)則對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到外加電流陰極保護(hù)電位范圍為-1 199～-851 mV，如圖6所示。由圖6可知，所有站內(nèi)外管道得到有效保護(hù)，但管道電位衰減較快，站外電位較正。

3.3.2 方案2

方案2為深井與淺埋陽(yáng)極地床分布優(yōu)化方案。通過數(shù)值模擬優(yōu)化獲得當(dāng)采用1組深井+4組淺埋陽(yáng)極聯(lián)合保護(hù)方式時(shí)，深井與淺埋陽(yáng)極地床的具體位置如圖7所示。陽(yáng)極輸出分別為-6.65，-2.20，-6.10，-1.10，-2.00 A，共-18.05 A。根據(jù)數(shù)值計(jì)算得管道保護(hù)電位分布云圖，如圖8所示。由圖8可知，管道保護(hù)電位分布范圍為-1 199～-852 mV，所有站內(nèi)外管道得到有效保護(hù)，站外電位較負(fù)。

圖5 方案1中陽(yáng)極地床分布Fig. 5 Distribution of anode ground beds in scheme 1

圖6 方案1保護(hù)電位分布云圖Fig. 6 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 1

圖7 方案2中陽(yáng)極地床分布Fig. 7 Distribution of anode ground beds in scheme 2

3.3.3 方案3

方案3為犧牲陽(yáng)極地床分布優(yōu)化方案。在站內(nèi)設(shè)置了17組犧牲陽(yáng)極地床，具體位置如圖9所示，這些陽(yáng)極幾乎覆蓋了站場(chǎng)所有沿線管道。陽(yáng)極設(shè)置恒電位為-1.55 V，計(jì)算得到管道保護(hù)電位分布云圖,如圖10所示。由圖10可以看到，管道保護(hù)電位分布范圍為-967～-561 mV，站內(nèi)外少數(shù)管道得到有效保護(hù)，大部分管道沒有得到有效保護(hù)。因此犧牲陽(yáng)極保護(hù)不適應(yīng)于該燃?xì)忾T站的陰極保護(hù)。

圖8 方案2保護(hù)電位分布云圖Fig. 8 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 2

圖9 方案3陽(yáng)極地床分布圖Fig. 9 Distribution of anode ground beds in scheme 3

圖10 方案3保護(hù)電位云圖Fig. 10 Cloud diagram of protection potential distribution in scheme 3

將不同情況下的陰極保護(hù)方案及保護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比，如表6所示。由表6可見，犧牲陽(yáng)極地床形式使用的陽(yáng)極數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過另外兩種方案，但只有少量的管道可以得到保護(hù)，多數(shù)管道無法得到保護(hù)；而淺埋陽(yáng)極地床和深井+淺埋陽(yáng)極地床形式可以使所有管道都得到保護(hù)，但采用深井+淺埋陽(yáng)極地床形式時(shí)，站外電位較負(fù)，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施條件和保護(hù)效果，最終選擇了外加電流淺埋分布式輔助陽(yáng)極陰極保護(hù)方案。

表6 燃?xì)忾T站陽(yáng)極優(yōu)化方案匯總Tab. 6 Summary of anode optimization scheme of a gas gate station

4 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)，對(duì)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行極化測(cè)試，可獲得門站不同區(qū)域的電流需求量，通過檢測(cè)埋地管道的陰極保護(hù)通、斷電電位分布情況，可以確定各個(gè)區(qū)域保護(hù)的難易程度，為陽(yáng)極分布以及保護(hù)電流需求量的最終確定提供非常有價(jià)值的參考。

(2) 數(shù)值模擬結(jié)合饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以有效地預(yù)測(cè)不同陰極保護(hù)陽(yáng)極地床分布方案下擬保護(hù)對(duì)象的電位分布，通過對(duì)陽(yáng)極數(shù)量、分布、保護(hù)效果等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化陰極保護(hù)陽(yáng)極分布方案。

(3) 利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)燃?xì)忾T站區(qū)域陰極保護(hù)中外加電流淺埋分布式輔助陽(yáng)極地床、深井與淺埋陽(yáng)極共同防護(hù)以及犧牲陽(yáng)極三種方案進(jìn)行了計(jì)算和效果對(duì)比。結(jié)果表明，犧牲陽(yáng)極方案中使用了大量陽(yáng)極，但大部分管道仍未得到有效保護(hù)，外加電流淺埋分布式輔助陽(yáng)極地床和深井與淺埋陽(yáng)極共同防護(hù)都可以使管道得到有效保護(hù)。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施條件和保護(hù)效果，最終選擇了外加電流淺埋分布式輔助陽(yáng)極陰極保護(hù)方案。