王立偉1 胡亞楠2 黎建國2 倪偉斌2 張勇2

1.中石油西部管道公司烏魯木齊輸油氣分公司，2.中石油西部管道公司獨山子輸油氣分公司

管道保護過程中，外壁保護依靠防腐涂層與陰極保護聯(lián)合保護的方式，在長輸管道的保護上取得了顯著效果。然而對于站場內(nèi)管道而言，若僅依靠防腐涂層保護，一方面由于很難進行工廠機械化預(yù)制，站場管道大多采用現(xiàn)場涂裝，涂裝質(zhì)量存在一定不足，涂層本身缺陷也在所難免；另一方面由于站場內(nèi)綠化需要，土壤環(huán)境較站外更為潮濕，腐蝕性相對較強，則缺乏陰極保護的情況下，極易發(fā)生腐蝕甚至穿孔泄漏。因此，對站場內(nèi)管道進行區(qū)域性陰極保護十分必要。

1 獨山子成品油站區(qū)域陰極保護現(xiàn)狀

獨山子成品油站建成于2008年，站內(nèi)區(qū)域根據(jù)功能主要分為閥組區(qū)、泵房和成品油罐區(qū)。其中罐區(qū)的所有儲罐均采用罐底MMO網(wǎng)狀陽極保護方式，其余埋地管道部分則采用深井陽極保護方式。獨山子成品油站站內(nèi)埋地管道系統(tǒng)主要包括站內(nèi)工藝管道以及消防系統(tǒng)管道，其中工藝埋地管道外壁表面積約為7320㎡，管道防腐層采用聚乙烯膠粘帶。防腐層等級為加強級，結(jié)構(gòu)分為三層，防腐層總厚度≥1.4mm。另有消防管線外壁總面積約5630㎡。

根據(jù)原設(shè)計說明，閥組區(qū)和站內(nèi)的所有埋地工藝及輔助管道系統(tǒng)均為保護對象。設(shè)計采用位于站外的一口預(yù)制式金屬氧化物深井陽極實施保護，陽極位于站外北側(cè)80m，埋深50m，陽極為10節(jié)，總長≥10m。

1.1 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

2011年7月，針對站隊區(qū)域陰極保護現(xiàn)狀，由第三方公司與站隊共同對站場內(nèi)區(qū)域陰極保護相關(guān)數(shù)據(jù)密間距電位測量（CIS）進行了測試。

測試根據(jù)設(shè)計圖紙及實際管道埋設(shè)情況，在站內(nèi)選取了30個點，進行通斷電電位測試，以檢驗現(xiàn)有系統(tǒng)工作情況。測試工具采用萬用表和便攜式參比電極進行，利用現(xiàn)場測試樁內(nèi)的零位接線點。

通過此次測試可以看出，整個站區(qū)管網(wǎng)基本上都在未保護狀態(tài)，相當一部分電位處于自然腐蝕范圍，通斷電位相差無幾。其中6、 7、 8三點位于站區(qū)泵房后，是站內(nèi)埋地管道最為密集的區(qū)域，此三處電位幾乎等于自然電位，說明站隊埋地管道的陰極保護系統(tǒng)急需改造。

為排除可能的情況，對深井陽極與土壤電阻率進行了測試，結(jié)果見表2、表3。

從測試結(jié)果可知，站區(qū)外面的深井陽極附近，礫石較多且大，土壤露天，較干燥，易失水分，屬低腐蝕環(huán)境；站區(qū)內(nèi)礫石多、較小，有混凝土地坪，土壤不易失水，屬中度腐蝕環(huán)境。深井陽極系統(tǒng)阻值都正常，恒電位儀的輸出也正常，但根據(jù)現(xiàn)場測得電位看來，整個站區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)遠遠達不到保護狀態(tài)。

為檢驗外加電流的影響，將恒電位儀調(diào)整至滿負荷運轉(zhuǎn)的情況，針對30個測試點進行第二次通斷電測試。結(jié)果見表4。

從上述結(jié)果可以得知，恒電位儀滿負荷運載后，輸出電流只上升了0.6安，電流大小不能滿足現(xiàn)場要求，對站區(qū)內(nèi)管網(wǎng)保護電位的提高沒有明顯的作用，大多數(shù)管網(wǎng)仍處于保護不足的狀態(tài)，為解決此問題，需要另外設(shè)計并安裝陰極保護系統(tǒng)。

通過此次實際測試情況來看，顯示主要站內(nèi)工藝管道系統(tǒng)遠未達到設(shè)計的GB/T 21488 2008《埋地鋼制管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》的-0.85~-1.5V的保護電位的要求，深井陽極的設(shè)備輸出回路電阻為7.5Ω，屬于偏高的范圍，根據(jù)陽極接地電阻值和恒電位儀的容量，當恒電位儀輸出電壓為40伏，回路電阻為2歐時，才能夠輸出電流20安，根據(jù)現(xiàn)有站場的實際情況，恒電位儀滿負荷工作時電流只能達到4.8安，不能夠滿足現(xiàn)場的要求。同時加之站產(chǎn)接地網(wǎng)的消耗，導(dǎo)致管網(wǎng)系統(tǒng)遠遠達不到保護狀態(tài)。總之結(jié)合深井陽極的測試參數(shù)、陽極床的位置、接地網(wǎng)的屏蔽作用及現(xiàn)有恒電位儀的容量不能夠匹配現(xiàn)有站場區(qū)域陰極保護的需求，都是導(dǎo)致站場埋地管網(wǎng)欠保護的直接原因。

2 對站區(qū)陰極保護問題原因分析

由于目前區(qū)域陰極保護缺乏具體可供依據(jù)的規(guī)范，設(shè)計與施工多為依靠經(jīng)驗，且影響區(qū)域陰極保護效果的原因較多，較為復(fù)雜，難以得出確切的系統(tǒng)失效原因，本文依據(jù)目前國內(nèi)外的區(qū)域陰極保護的主流技術(shù)與共同問題，結(jié)合現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對獨山子成品油站區(qū)域陰極保護現(xiàn)狀進行分析。

2.1 電流通過防雷接地系統(tǒng)流失

獨山子成品油站內(nèi)陰極保護系統(tǒng)與避雷防靜電接地網(wǎng)相連，而目前認為區(qū)域陰極保護中，外界影響最嚴重、最直接的就是站場各種電接地系統(tǒng)。國內(nèi)設(shè)計習(xí)慣為將管道、儲罐底板、混凝土基礎(chǔ)以及各種設(shè)備儀表接地構(gòu)成統(tǒng)一的防雷接地網(wǎng)，然而依據(jù)相關(guān)研究顯示，這會造成陰極保護電流的大量散失，并且輔助陽極的壽命減少到十分之一以上。此外，由于站場內(nèi)管道防腐層為現(xiàn)場涂裝，隨著時間增加，絕緣質(zhì)量差別較大，同樣造成電流消耗增大。根據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計，陰保 電流中超過85%流失于接地系統(tǒng)，僅不足15%的電流消耗在埋地管網(wǎng)與儲罐底板上。

圖2 獨山子成品油站接地網(wǎng)屏蔽示意圖

對接地網(wǎng)進行電位測試（選取30個各區(qū)域代表性的測試點，采取斷開接地線的方式進行測試），目的是說明接地網(wǎng)的屏蔽作用（測試結(jié)構(gòu)理論上應(yīng)該是接地網(wǎng)的電位在-0.85~-1.5V之間，處于別保護狀態(tài)）。同時對接地網(wǎng)的面積進行計算，并按50mA/m2進行計算接地網(wǎng)消耗的電流量，通過結(jié)果進一步說明我站大部分陰保電流被接地網(wǎng)消耗了，同時作為接下來計算電流需求量得理論依據(jù)。

2.2 屏蔽問題

（1）獨立的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計。獨山子成品油站內(nèi)儲油罐區(qū)采用單獨的罐底鋪設(shè)網(wǎng)狀陽極陰極保護系統(tǒng)，站內(nèi)埋地管道則為深井陽極陰極 保護系統(tǒng)，這一設(shè)計同目前我國大多已建的站場區(qū)域陰極保護設(shè)計類似，即對站內(nèi)地下管道和地面儲油罐實施分開獨立的陰極保護，但依據(jù)收集到的資料得知，這種設(shè)計很容易產(chǎn)生屏蔽和雜散電流腐蝕的問題。解決這一問題的一個行之有效的方法是將區(qū)域內(nèi)所有要保護的構(gòu)件和設(shè)施作為一個整體進行區(qū)域陰極保護。

（2）深井陽極。深井陽極這一設(shè)計同樣會產(chǎn)生屏蔽問題。依據(jù)美國防腐專家A.W.Peabody在其著作 《Control of Pipeline Corrosion》“Shieldingin Congested Areas”一節(jié)中的相關(guān)試驗及其結(jié)論，由于站場內(nèi)埋地構(gòu)件眾多，結(jié)構(gòu)密集區(qū)的管道可能會與接地系統(tǒng)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)、供水管線相將接觸，流向該區(qū)域的總電流足以在土壤中產(chǎn)生電位梯度，繼而產(chǎn)生屏蔽。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，屏蔽影響由邊緣向密集區(qū)的中央呈現(xiàn)增加趨勢，如果其中存在裸管，則屏蔽將非常嚴重。對照表1及4中測試數(shù)據(jù)，獨山子成品油站內(nèi)保護電位最弱的點位于陰極保護系統(tǒng)中較為中心的位置，由于輸油泵站區(qū)域較大，地下管網(wǎng)較多，因此，區(qū)域陰保除靠近陽極地床的區(qū)域配管外，相當一部分由于地下管道的相互電屏蔽及接地網(wǎng)的影響而沒有達到保護電位，屏蔽問題的比較嚴重。

2.3 干擾問題

對獨烏線0-76km范圍內(nèi)保護電位進行分析，發(fā)現(xiàn)出站4km內(nèi)，保護電位明顯過高，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

從此表可以看出，出站4km范圍內(nèi)管道干線均存在過保護現(xiàn)象，特別是5km處，距離站場最近，其過保護現(xiàn)象最為嚴重。結(jié)合自然電位測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當全線恒電位儀斷電后，測量此段管線的自然電位均在-1000mv左右，可以判定存在嚴重的電流干擾。

其中干擾分為控制點有電流流入與電流流出兩種。分析獨山子成品油站實際情況，站場近端存在嚴重的過保護，而遠端保護電流并無明顯不足，屬于控制點有電流流出的情況。即由于控制點電流流出，導(dǎo)致極化減小，為維持設(shè)定的控制電位，干線陰極保護系統(tǒng)自動提高輸出電流，導(dǎo)致整個管段陰極極化增大，對管道近端形成過保護。

3 對現(xiàn)有系統(tǒng)的改造方案

在進行具體的檢測后，北京鼎尚基業(yè)科技有限公司提出了在站內(nèi)鋪設(shè)基于MMO/Ti的柔性陽極的改造方案。

柔性陽極開發(fā)的目的就是用來解決傳統(tǒng)陰極保護難題的，尤其用來解決陰極保護中因屏蔽而造成保護不足和過保護同時存在的難題，以及對外界金屬構(gòu)筑物特別是對干線管道的干擾問題。

圖3為柔性陽極與傳統(tǒng)的深井陽極和分布式淺埋陽極的特點對比，圖3中紅、黑、白三條曲線分別代表柔性陽極、分布式陽極以及深井陽極等保護系統(tǒng)在管采用柔線上的電位分布形態(tài)。柔性陽極電位分布為-0.9-- -1.0V；分布式陽極電位分布為-0.79-- -1.3V；深井陽極保護情況下的電位分布為-0.7V-- -1.6V。不難看出，柔性陽極的電位分布最為均衡，能很好地避免保護不足和過保護的問題，過保護對管道防腐層和管道材質(zhì)，尤其是對X80鋼的危害不容忽視。

針對獨山子成品油站內(nèi)的土壤條件、管網(wǎng)復(fù)雜程度和管道防腐層的可能破損情況，以及可能存在的屏蔽與干擾現(xiàn)象，柔性陽極是較為合理的選擇。

4 結(jié)語與建議

1、獨山子成品油站保護結(jié)構(gòu)復(fù)雜，埋地管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)存在電流大量流失、屏蔽、干擾等可能性。

2、采用增加陽極的辦法對系統(tǒng)進行改造是比較有針對性的方法，其中柔性陽極具有較大優(yōu)勢。

3、區(qū)域陰極保護作為站場管道防腐的重要保證，正日益被重視，但當前技術(shù)水平發(fā)展較為緩慢，缺乏相關(guān)的規(guī)范，僅依靠經(jīng)驗設(shè)計，數(shù)值型模型是目前的研究方向。 

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作者簡介：王立偉，工程師，1979年生，2005年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，國家級注冊安全工程師，現(xiàn)主要從事基層站隊安全生產(chǎn)管理。

2014年第1期（總第14期）