俞彦英
(中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000)
摘要：为了促进油气管道站场区域性阴极保护实施达到预期效果，文中采用综合归纳总结的方式分析了区域阴极保护设计应用的技术特点，介绍了区域阴极保护技术的设计原则和计算内容，提出了区域阴极保护技术实施中需要关注的问题和技术对策，对于站场区域阴极保护技术的开展具有一定的借鉴作用。
关键词：泻流；屏蔽作用；线性阳极；分流箱；联合接地；隔直耦合器
随着油气管道、站场管道被腐蚀损坏的案例日益增多，站场区域性阴极保护[1]受到关注。由于站内管道错综复杂，外界影响因素众多，阴极保护的有效实施面临着很多困难。
本文结合站场埋地管道阴极保护改造项目的实践，对区域性阴极保护技术应用中可能遇到的一些共性问题进行总结。
石油天然气项目建设及运行中“全项目”、“全时段”、“全方位”、“全过程”控制的理念，已经成为基本准则。油气管道站场内埋地管网的腐蚀案例(见图1、图2)表明，迫切需要开展区域性阴极保护研究。
2.1 影响因素
站场区域性阴极保护设计和有效实施困难较大，与其保护对象的多样性、影响因素的多重性，以及现场制约因素的复杂性有很大关系。
(a)
(b)
图1 忠-武线黄石站站内腐蚀情况
(a)
(b)
图2 西气东输管线轮南首站站内腐蚀情况
2.1.1 保护对象多样性
站内保护的对象相对干线管道要复杂得多，如西一线的孔雀河站、四道班站、哈密站、山丹站等十几座压气站，需要保护的埋地管道包括工艺管网、消防管线、排污管线、热力管网(保护长度≥3 km/站)、电力接地系统等。管线交叉、平行敷设，构成繁杂、庞大的系统，使得阴极保护实施中相互制约、影响的因素很多，很难达到预期的保护效果。
2.1.2 影响因素多重性
影响因素包括：管道长度、分布、敷设方式，防腐层性能，输送介质及温度，环境腐蚀性质等，只要有一项发生变化，都会影响到阴极保护的运行效果，严重时甚至需要重新调整阴极保护系统的运行参数。
2.1.3 现场限制因素复杂性
站内各类功能管道选用材质不同，使得保护电位控制限定差异较大，比如孔雀河站、四道班站等在后期改造中“仪表风管道”采用了自然电位更正(约-0.3 ～-0.4 V，相对饱和硫酸铜电极)的“不锈钢”管道与自然电位更负的钢质工艺管直连，造成同区域管道极化电位差异较大；尤其是为克服西部地区高土壤电阻的难题，古浪站等压气站的电力接地设计了140支“电位更正”的石墨类接地模块，使得所需的极化电流比角钢材料要高出10～20倍，为能达到预期的保护效果，在该站区域阴极保护改造时，对这些“石墨接地模块”进行了拆除(实施中只找到并拆除了69支)，最终该站投入的总极化电流超过70 A，仍有个别检测点的保护电位不达标。
2.1.4 现场限制因素
在改造旧站场区域性阴极保护实施中，首先，需要绝缘或隔离外界构筑物，可能限于不停产、停输而无法实现；此外，旧管道防腐层的结构、其完好程度以及绝缘性能的有效性很难掌握，当不具备现场开挖检测条件时，只能凭借以往工程经验，做出模糊评估判断；另外，对于强制电流保护设计，一些有效的辅助阳极形式可能因现场施工条件限定而无法实施。这些外界限定因素，都是造成站场区域性阴极保护效果不理想的因素。
2.2 区域性阴极保护的技术难点
在站场区域性阴极保护的设计与实施中，需要有效地解决保护电流的散失、屏蔽和干扰等技术难题。
2.2.1 保护电流的散失影响
在站场电力接地系统设计中，由于采用了“联合接地”方式，这样，当埋地管道无法有效隔离时，会造成保护电流由接地极大量流失，此外，管道混凝土支墩中的钢筋与保护管道电连接也会使保护电流意外散失，极大地影响管道保护电位的极化水平，如果电力系统采用了铜接地或石墨类接地模块材料，这种影响更突出；通常在区域阴极保护系统的设计和实施中，有必要强调并要求电力接地采用锌包钢或镀锌类材料，或者采取能够隔绝直流、导通(高压)交流的“隔直耦合等电位连接”等有效技术措施。
2.2.2 保护电流屏蔽影响
多条并行管道的保护中时常发生局部区域保护电流的屏蔽现象，其原因在于选用的阳极形式(如浅埋阳极)或位置不合适。有时阳极发出的保护电流，被最靠近的管道接收和阻隔，经“联合接地”[2]网流入大地，在低电阻“捷径”的作用下返回阴极端，造成远离阳极侧的管道(包括多条并行的中间位置的管道)不能得到足够的极化电流，进而造成保护电位的不均衡；这一影响对于远离阳极的边缘区域的管道也是如此。 这种由于极化电流不能均匀分布造成保护电位不均衡的效应即为屏蔽效应[3]。
2.2.3 保护电场的干扰影响
由于被保护的对象是各种长度、管径、形状的埋地管网，防腐绝缘层的结构差异很大，敷设方式、相互关系错综复杂，在极化保护中，由于“电流散失”或“屏蔽影响”造成保护电位不均衡，在电位差的作用下，在管体中存在局部微观的“逆向”电流，造成有些管段保护电位正向偏移，这一影响不仅发生在保护系统内部，更多地发生在与保护系统邻近的非保护金属构筑物上，或者存在于不同的保护系统中，比较典型的情形是站内区域阴极保护系统与站外干线管道保护系统间的相互影响。
3.1 方案设计
区域阴极保护虽然只是将阴极保护技术在特定的站场环境中应用，但由于保护的对象、环境条件、制约因素的差异有其自身的特点和适用规律。牺牲阳极虽然兼有保护和接地的双重作用优势，但在高土壤电阻率地域中使用会影响保护电流的输出，对于大管径、防腐层较差的管道无法提供足够的保护；强制电流方式具有保护能量充足、作用范围大、环境适应性强以及保护电位、电流可调等优点，在站场区域阴极保护应用中具有技术优势。
站场强制电流保护应用中，辅助阳极形式及位置的选择，不仅影响保护系统的作用效果，甚至关系到该项技术实施的成败，常用阳极类型包括浅埋阳极、深井阳极和线性阳极(或者几种类型阳极的组合)，技术特点比较见表1。
表1 辅助阳极地床技术特点对比
地床形式安装形式 技术优势技术局限适用场合浅埋阳极沿管道并行简单、费用低有干扰屏蔽分散、单管深井阳极深层井中电流均匀复杂、有干扰高阻、地表受阻线形阳极傍行管道电流均匀费用较高多管并行区
3.2 需要关注的问题与对策
3.2.1 设备选型
站场区域阴极保护设计中推荐采用多路恒电位仪，西气东输管道工程的孔雀河站、四道班站、哈密站、山丹站等十几座压气站，都采用了三用一备的四路恒电位仪配置形式(每路对应一个保护区块)，以适应被保护埋地管道按区分布、彼此关联、相互影响的特点；多路恒电位仪应当具有每路单独输出、各路分别调控的特性，并应具备总体同步通/断检测功能。
3.2.2 分流设施
每个回路中设置阴极、阳极分流箱，能根据需要调节各路的输出电流，对于运行调试以及故障排查是十分必要的，根据电位平衡的需求，通过可变电阻的调节控制各路、甚至是各区块保护电流的大小，能够实现特定阳极电流的“定量输出”。
通过阴极分流箱分线端子连接各路保护管道的极化电流“馈入点”或“通电点”，确保各路极化电流均衡地分布，同时方便各路保护电位的设定、调控。
3.2.3 MMO线形阳极安装
线形阳极不能采取裸阳极覆盖碳粉的敷设方式，当线形阳极穿越管道或电力接地极时，除了要确保垂直间距外，交叉点(段)阳极必须加足够长的绝缘筛管隔离，以免造成线形阳极与被保护管道或接地极(阴极)间短路。
3.2.4 “通电点”选位
站场区域性阴极保护中恒电位控制的“通电点”设置选位十分重要，只有与对应回路的阳极及管道匹配时，才能不因环境影响造成恒电位仪的输出失准。应当避免将“通电点”设置在靠近“辅助阳极(尤其是分布式阳极)”的区域，对于建有站外阴极保护站的工艺站场，应当尽量远离站外保护管道的“通电点”，以免相互干扰，造成保护电位设定的失真。
3.3 区域性阴极保护计算
(1)各保护回路电流：
式中：I回路i为第i回路保护管段电流，A；Di为保护管段直径，m；Li为保护管段长度，m;Jsi为最小保护电流密度，mA/m2。
输出总电流：I总
(2)设备各路输出电压：
V回路i=R回路i×I回路i+V0
式中：V0为阴阳极间反向电压降，取2 V；R回路i为第i回路电阻，Ω。
(3)回路电阻计算：
线性阳极形式回路电阻：
R回路i=RiP+RiA+RiL
RiL=RiW+RiC
RiA=
式中：RiP为保护管段接地电阻，埋地管道常规情况为0.2 Ω；RiA为保护管段阳极接地电阻，Ω；G为阳极接地系数，1 000英尺(1英尺=0.304 8 m)阳极接地系数为0.02 Ω；ρi为土壤电阻率，Ω·cm ；RiL为阳极导线电阻，Ω；RiW为电缆线电阻，RiW=Lo×K1,Lo为线长度，K1为线截面导电系数；RiC为线性阳极线电阻,Ω，RiC=0.000 72×L1，L1为阳极长度[4]。
各回路总电阻：
深井形式回路电阻(主要是接地电阻)：
R回路i总=
式中：L为带填料的辅助阳极长度，m；d为带填料的辅助阳极直径，m。
浅埋水平回路电阻(主要是接地电阻)[5]：
R回路i总=
式中t为辅助阳极埋深。
站场区域阴极保护设计应充分考虑被保护管道的电流需求，并考虑电力接地系统的电流损耗，实际上保护电流的极大部分都消耗在接地级上，当接地极采用镀锌钢带材料时，其消耗的电流量至少按1 mA/m 考虑，而钢筋混凝土基础的电流消耗大约为5 mA/m。
为了避免或降低站场区域阴极保护的干扰影响，恒电位仪每路输出电压一般控制在50 V以内，极化电流输出也以够用为准，不宜追求超高的保护度余量，避免极化电流造成保护电位差异过大。总之，站场区域阴极保护系统的调试运行，应当遵循“立足局部、着眼全局、内外兼顾、平稳输出、均衡保护”的原则，通过各路设备的输出，以及阴极、阳极分流箱的调节设施，实现整个站场各区域管道保护电流均匀、保护电位均衡的预期效果。
参考文献：
[1] Cathodic Protection of Metals:Part 2 Compact Buried Structures:AS 2832.2—2003[S].
[2] 张清玉.油气田工程实用防腐蚀技术[M].北京：中国石化出版社，2009.
[3] 贝克曼 W V.阴极保护简明手册[M].5版.赖敬文，译.1997.
[4] 贝克曼 W V， 施文克 W，普林茈 W.阴极保护手册 电化学保护的理论与实践[M].3版.胡士信，王向农，等译.北京：化学工业出版社，2005.
[5] A. G. 奥斯特罗夫,W.A.凯勒，安东尼.特鲁比兹，等.腐蚀控制手册[M] .王向农，张清玉,等译.北京：石油工业出版社，1988.
[6] 《长输油气管道工艺设计》编委会.长输油气管道工艺设计[M].北京：石油工业出版社，2012.
Technical Application of Cathodic Protection for Underground Pipes in Process Station of Long-distance Pipeline
YU Yan-ying
(China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China)
Abstract：In order to gear up achieve of regional cathodic protection in the oil-gas pipeline process station, in this paper，an integrated deductive method was employed to analyze technical feature of regional cathodic protection for pipelines. The design philosophy and calculation details of regional cathodic protection technical were introduced. The questions and relevant technical countermeasures of regional cathodic protection were proposed. There is some reference value for development of regional cathodic protection technology.
Key words：leakage current；shielding effect；linear anode；current divider box；connection grounding；inductive coupler
中图分类号：TE8
文献标识码：B
文章编号：1004-9614(2016)04-0055-03
作者简介：俞彦英(1958—)，高级工程师，从事防腐与阴极保护设计工作。E-mail:yuyanying@cnpc.com.cn
收稿日期：2015-11-18
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