油气输送厂站阴极保护相关问题及解决方案

油气输送厂站阴极保护相关问题及解决方案杜艳霞路民旭孙健民摘要：介绍了油气输送厂站阴极保护技术的特点，针对实际厂站阴极保护系统设计、施工与运行调试过程中存在的保护电流消耗偏高、阳极地床布置不合理、存在干扰及屏蔽等进行了分析，提出了解决方案。将阴极保护电位分布数值模拟方法应用于厂站阴极保护设计，数值计算结果与实际测量结果的相对误差小于5%。关键词：油气输送厂站；阴极保护；区域阴极保护；干扰；屏蔽；数值模拟；极化电池ProblemsandSolutionsConcerningCathodicProtectioninoilandGasTransmissionStationDUYanxia，LUMinxu，SUNJianminAbstract：Thetechnicalcharacteristicsofcathodicprotection(CP)inoilandgastransmissionstationareintroduced.SomeproblemssuchashighconsumptionofCPcurrent，unreasonabledistributionofanodegroundbed，interferenceandshieldingindesign，constructionandoperationcommissioningofcathodicprotectionsysteminapracticalstationareanalyzed，andcorrespondingsolutionsareputforward.ThesimulationmethodofCPpotentialdistributionvaluesisusedindesignofCPinthestation，andtherelativeerrorbetweenthevaluecalculationresultandthepracticalmeasurementresultislessthan5%.Keywords：oilandgastransmissionstation；cathodicprotection(CP)；regionalcathodicprotection；interference；shielding；valuesimulation；polarizationcell外防腐层与阴极保护联合保护方式已广泛应用于长距离油气管道防腐，并取得了显著的效果。为了保护厂站埋地管道的安全，我国从20世纪70年代末、80年代初开始在油田和部分厂站采用阴极保护技术[1～13]。对于输油泵站、输气站、油库罐区和油气集输联合站等油气输送厂站，由于保护对象繁多、保护回路复杂、安全要求高等诸多问题给阴极保护技术的有效实施带来一定的困难，因此限制了厂站阴极保护技术的应用和发展。目前国内还有大量的厂站没有采用阴极保护技术，站内埋地金属管道和结构仅依靠涂层防护，当涂层出现缺陷时会面临较为严重的腐蚀。例如某输气管道压气站，仅依靠涂层防腐，投产仅5年：由于腐蚀导致天然气管道泄漏，造成上下游直接经济损失超过2000×104元[6]。因此，为了保证厂站安全，老厂站亟待补加阴极保护，新厂站在设计阶段就应该考虑阴极保护。由于我国厂站阴极保护技术的发展还很不成熟，在设计、实施和应用过程中存在一系列的问题有待改进和解决，因此针对厂站阴极保护技术目前存在问题开展相关研究，对于提高厂站阴极保护水平具有重要意义。1油气输送厂站阴极保护技术的特点油气输送厂站阴极保护技术是对集中在厂站区域内的多个埋地金属结构进行统一的电化学保护，与保护对象单一的干线管道阴极保护系统相比，具有以下特点：①保护对象繁多。保护回路复杂。油气输送厂站例如油库罐区、输油泵站、压气站、油气集输联合站等在相对狭窄的区域内集中了众多的金属结构如工艺、消防、排污、给排水等各种管道、储罐底板、设备底座以及避雷防静电接地系统，构成了庞大的金属结构网，保护对象繁多，结构密集，保护回路复杂。②保护电流消耗大。油气输送厂站内阴极保护的对象除各种埋地金属管道、储罐底板外，还有各种设备和仪表的接地金属结构，此外还可能会包含设备底座及钢筋混凝土基础，通常保护电流需求量较大，数量级为10～100A[6]。③干扰问题。对油气输送厂站进行阴极保护是将整个厂站内的所有地下金属结构全部纳入保护系统，因此一般不会产生内部干扰。但是由于厂站阴极保护电流通常远大于干线，故常常对干线管道等外部金属结构及其阴极保护系统造成干扰。一般厂站阴极保护系统输出电流越大，对外部造成的干扰也会越严重。④屏蔽问题。此处所指的屏蔽是指被保护管线的阴极保护电流被附近与之电性接触的其他金属结构分流的现象。在油气输送厂站内部，被保护管线常常与接地金属、钢筋混凝土基础、水管等紧密邻近且存在电性接触。由于接地金属、钢筋混凝土基础、水管等金属结构的外防腐层质量相对于埋地输油、输气管道要差很多，因此会分流大部分的阴极保护电流，从而使埋地输油、输气管道无法获得足够的保护电流，极化程度低，不能满足阴极保护要求。⑤阳极地床设计困难。油气输送厂站内阳极地床的设计难度较大，如何结合厂站的具体特点，准确地确定阴极保护参数，合理地设计阳极地床的位置、埋设方式和分布形式，以获得保护电流的均匀分布，消除干扰和屏蔽问题，使被保护对象处于要求的保护电位范围之内，成为设计工作者面临的挑战和制约厂站阴极保护技术发展的瓶颈问题。⑥后期调试整改工作量较大。由于传统的厂站阴极保护设计中，设计参数选取多依靠经验，不能充分结合厂站埋地结构的具体分布特点，对干扰和屏蔽问题考虑不足，导致后期的调试和整改工作量较大。后期调试和整改的目的是消除屏蔽、控制干扰、抑制过保护、降低系统输出和能耗。⑦安全要求高。油气输送厂站具有石油、天然气收集、处理和储运等功能，为易燃易爆场所，安全要求高。2厂站阴极保护技术难点分析及解决办法2.1阴极保护电流消耗大的问题①提供足够的阴极保护电流能否准确确定所需的阴极保护电流是厂站阴极保护技术成功与否的关键。在实际的厂站阴极保护设计中，可采用两种方法来确定保护电流：一是根据设计经验，考虑埋地金属结构涂层状况估计电流密度值，将该值乘以金属结构埋地部分的外表面积，得到该结构所需的保护电流，各埋地金属结构保护电流的代数和即为厂站阴极保护总电流；二是根据现场馈电试验确定，即建立临时阳极地床，根据金属结构的电位变化和所施加的电流，计算结构接地电阻，确定施加电流沿金属结构的分布情况和厂站永久阴极保护装置的电流需求。实践证明，对于长输干线管道，由于埋地金属结构单一，外防腐层状况差异不大，采用第一种方法是可行的。但是对于油气输送厂站，由于埋地金属结构种类繁多，分布复杂，且外防腐层状况差异较大，仅通过经验估计的方法很难准确确定实际所需的电流。例如某输气厂站采用第一种方法进行了外加电流阴极保护系统的设计，设计确定的恒电位仪额定输出电流为30A，额定输出电压为50V。按照设计方案施工完成后，调试时发现当恒电位仪的输出电流接近额定输出电流时，厂站内埋地金属构件的极化电位(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极，以下同)为-0.605～-0.720V，达不到-0.85V的最小保护电位要求。后来利用已有阳极进行了现场馈电试验，试验表明该输气厂站所需的保护电流为40A，于是将原恒电位仪更换为额定输出电流更大的恒电位仪，运行后厂站内埋地金属结构极化电位达到-0.880～-1.128V，满足阴极保护要求。因此，推荐采用现场馈电试验法来确定油气输送厂站所需的阴极保护电流。②减小电流需求量油气输送厂站内埋地金属管道、储罐等与大量的接地金属结构电连接，这些接地金属结构多为裸金属，如扁钢、铜包钢等，会消耗大部分的阴极保护电流，只有很少的保护电流消耗在埋地金属管道、储罐等结构上。若能将接地金属结构与站内阴极保护系统相隔离，同时还要保证接地金属结构的功能不受影响，满足站内设备、仪表的电气安全要求，将会大大减少厂站阴极保护电流需求。极化电池产品可以实现以上功能，该产品在国外应用较为广泛，是保证设备安全接地和高效阴极保护的必需件，但国内尚未推广。传统的液态极化电池由一对分离的不锈钢板浸于KOH溶液中构成，当在不锈钢板间施加一定的电压时，不锈钢板的表面会发生极化，极化膜具有类似电容器的作用，能够阻止直流电通过，而允许交流电及其他瞬态电通过。因此，当将极化电池的两端分别接在阴极保护构件与接地构件上，可以在隔离阴极保护直流电流同时确保安全接地。由于液态极化电池的电解液会带来安全、维护和环境等问题，给使用带来一些不便，国外采用固态半导体材料研制出功能相同、性能稳定、效率更高的固态产品，包括美国DEI电气工业公司的PCR/PCRH固态极化电池产品及加拿大省级腐蚀控制有限公司(ICCC)生产的Rustrol系列固态极化电池产品。极化电池产品的固态设计带来了更高的可靠性，已经在美国、加拿大等国家广泛应用于管道、罐区及电力电缆等系统，成功地实现了阴极保护结构的直流隔离，确保交流及瞬态电的安全接地。在国内油气输送厂站阴极保护技术中，如果能够采用极化电池产品将埋地管网与接地系统隔离，将会大大减小阴极保护电流，同时会减弱或消除由接地金属结构引起的屏蔽问题和站内阴极保护系统对站外的干扰问题。2.2干扰问题油气输送厂站实施阴极保护时，易对干线管道等外部结构及其阴极保护系统造成干扰。主要原因是长输干线管道与站内管道及设备一般通过绝缘法兰进行电隔离，各自单独实施阴极保护。干线管道涂装绝缘良好的防腐层，保护系统的电流输出通常较小，一般不会对站内金属结构造成明显干扰。但站内保护电流通常远大于干线管道，所以站内实施阴极保护易对站外阴极保护系统造成影响。站内阴极保护电流一般通过影响站外干线阴极保护系统控制点来对其造成干扰。由于国内大多数干线管道阴极保护系统采用恒电位控制方式，而电位信号反馈点即阴极保护电位控制点通常距离站内金属结构较近，因此易受到站内阴极保护系统的影响，引起极化增加或去极化而影响控制系统的信号反馈，从而使干线保护系统的输出电流降低或增加，干线阴极保护水平相应受到影响。通常干扰有两种类型：一是控制点处有干扰电流流入，导致极化增加，见图1，为维持设定的控制电位，干线阴极保护系统输出电流将自动下降，导致整个管道阴极极化程度降低，远端易保护不足；二是控制点处有干扰电流流出，导致极化减小，见图2，为维持设定的控制电位，干线阴极保护系统输出电流将自动提高，导致整个管道阴极极化加大，近端易产生过保护。在厂站阴极保护系统投运前后，对比干线阴极保护系统参数的变化，可以检测其是否受到干扰以及干扰的程度。表1列出了两个实际厂站阴极保护系统投运前后干线管道阴极保护参数的变化[7]。由表1数据可以判断，1号厂站阴极保护系统投运后，干线阴保系统输出电流降低，管道远端阴极极化程度降低，属于第一类情况，即控制点处有干扰电流流入；2号厂站阴极保护系统投运后，干线阴保系统输出电流增加，管道阴极极化程度增大，近端过保护，属于第二类情况，即控制点处有干扰电流流出。表1厂站阴极保护系统投运前后干线阴极保护系统参数对比厂站名称1号站2号站厂站阴极保护系统运行阶段投运前投运后投运前投运后干线阴极保护系统控制电位/mV-1360-1360-1100-1100干线阴极保护系统输出电流/A0.60.21.01.6干线阴极保护系统输出电压/V3.701.201.782.80干线保护电位/mV站外近端-1350-1480-1260-1530站外5km-1220-951-1130-1350当检测到干扰后，需要采取措施来降低或排除干扰，其原则是将站外干线阴极保护系统的输出参数恢复到厂站阴极保护投运以前的水平，并进行保护电位测试，确认干线保护电位和保护距离不因站内系统的投运而受影响。可采用以下方法来降低或排除厂站阴极保护系统对站外干线的干扰：①尽可能使厂站阴极保护系统的阳极影响区远离站外阴保系统控制点；②根据厂站内阴极保护系统的调试情况，对部分阳极进行电流输出限制；③厂站阴极保护采用对外界干扰小的辅助阳极系统，例如柔性阳极[9]；④对站外干线近端进