趙康

西部管道蘭州輸氣分公司

摘要：采用BEASY軟件，耦合有限元和邊界元的計(jì)算方法，建立了站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)（區(qū)域陰保）和接地系統(tǒng)模型。完成了不同類型接地系統(tǒng)、不同接地系統(tǒng)材料對(duì)區(qū)域陰保效果影響的數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)合解析方法分析了各個(gè)因素對(duì)區(qū)域陰保系統(tǒng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明電正性接地極材料會(huì)大大加速附近埋地管道的腐蝕速率，造成區(qū)域陰極保護(hù)無法達(dá)標(biāo)，因此應(yīng)避免采用；同時(shí)近地床的優(yōu)化分布相對(duì)于遠(yuǎn)地床形式能更好地消除由接地系統(tǒng)造成的屏蔽區(qū)。

關(guān)鍵詞：接地系統(tǒng)；數(shù)值模擬；區(qū)域陰保；站場

區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)作為防止站場內(nèi)埋地金屬設(shè)施腐蝕的一種有效措施，已被普遍使用，并取得了很好的保護(hù)效果[1]。相對(duì)于長輸干線的陰保系統(tǒng)而言，區(qū)域陰保具有以下特點(diǎn)：保護(hù)對(duì)象繁多，陰保電流需求大；地下金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干擾和屏蔽問題突出；陽極地床設(shè)計(jì)難度大；安全要求高[2]；影響主要來自站場內(nèi)聯(lián)合接地和日益龐大的接地系統(tǒng)。

站場內(nèi)接地網(wǎng)的存在，不僅加大了陰極保護(hù)電流需求量，還帶來了嚴(yán)重的屏蔽與干擾問題，極大地影響了區(qū)域陰保效果和系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。通過陰保電流分布方式的數(shù)值模擬計(jì)算，研究確定不同類型接地系統(tǒng)、不同接地系統(tǒng)材料對(duì)陰保效果的影響規(guī)律，對(duì)制定埋地管道與接地網(wǎng)設(shè)計(jì)布置優(yōu)化方案具有重要意義。

1  數(shù)值模擬

1.1  幾何模型建立

調(diào)研并收集西部地區(qū)某站場內(nèi)所有埋地構(gòu)件的幾何尺寸、分布位置、表面狀況，以及土壤電阻率分布等基本信息，根據(jù)現(xiàn)場勘測與圖檔資料對(duì)比，確定管網(wǎng)與接地網(wǎng)的位置和幾何尺寸，建立區(qū)域陰保數(shù)值模擬計(jì)算幾何模型。

1.2  邊界條件

本數(shù)值模擬中涉及輔助陽極、接地系統(tǒng)和管網(wǎng)等結(jié)構(gòu)的邊界條件。其中，輔助陽極采用恒電流邊界條件，即陽極輸出電流/陽極表面積；接地系統(tǒng)和管網(wǎng)均采用極化邊界條件。

（1）土壤電阻率。土壤電阻率是陰極保護(hù)建模中的重要參數(shù)，采用溫納四電極交流電法測量站場土壤電阻率為80 Ω·m。

（2）極化曲線。測試低碳鋼（扁鐵）、低電阻模塊（碳）、鋅接地（鋅包鋼）、銅接地在該站場土壤環(huán)境的極化曲線，獲得管道和接地網(wǎng)邊界條件，如圖 1所示。

圖 1 管道與不同接地材料在土壤中的極化曲線

2  計(jì)算結(jié)果與分析

2.1  無陰極保護(hù)時(shí)垂直接地極材料對(duì)管道電位和腐蝕速率的影響

由于垂直接地極全裸暴露于土壤中，與管道電連接，垂直接地極材料將影響管道的腐蝕行為。當(dāng)垂直接地極材料的自然電位相對(duì)于管道自然電位正時(shí)，垂直接地極將作為陰極，管道成為陽極，管道面臨很大風(fēng)險(xiǎn)腐蝕。

垂直接地極有26支，水平接地體采用低碳鋼（扁鐵）材料。不同材料的垂直接地極對(duì)埋地金屬結(jié)構(gòu)電位和腐蝕的影響如表 1所示�？梢钥闯�，垂直接地極選用低電阻模塊和銅接地材料時(shí)，會(huì)對(duì)附近管道造成嚴(yán)重的腐蝕；垂直接地極和水平接地體均采用低碳鋼（扁鐵）材料時(shí)，電位未發(fā)生偏移，管道發(fā)生自腐蝕。

表 1 垂直接地極材料對(duì)管道電位和管道腐蝕的影響

2.2  有陰極保護(hù)時(shí)接地對(duì)陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律

（1）低電阻模塊垂直接地極對(duì)陰極保護(hù)效果的影響

陰極保護(hù)系統(tǒng)能夠有效保護(hù)管網(wǎng)不受腐蝕。但當(dāng)垂直接地極材料自然電位正于管道的自然電位時(shí)，接地系統(tǒng)將對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)造成影響。

①遠(yuǎn)陽極地床。設(shè)置4組遠(yuǎn)陽極地床，每組1支，長1 m，埋深1 m，距離管道15 m，計(jì)算結(jié)果如圖 2所示。地床總輸出電流為20 A，附近沒有接地網(wǎng)的管道處于過保護(hù)；由于一部分陰極保護(hù)電流流入接地系統(tǒng)，其他管道處于欠保護(hù)，說明存在低電阻模塊接地極時(shí)，遠(yuǎn)陽極地床形式很難實(shí)現(xiàn)站場內(nèi)埋地管網(wǎng)各處達(dá)到理想的保護(hù)效果。

圖 2 遠(yuǎn)陽極地床管道電位分布云圖

②近陽極地床。近陽極地床分為3組，每組2支，長1 m，埋深1 m，距離管道2 m時(shí)，總輸出電流3 A，計(jì)算結(jié)果如圖 3所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陽極地床靠近管道時(shí)，管道的電位均勻性得到改善，但由于部分陽極地床接近接地網(wǎng)，導(dǎo)致陰保電流流入接地系統(tǒng)，管道出現(xiàn)欠保護(hù)和過保護(hù)。

圖 3 近陽極地床管道電位分布云圖

近陽極地床最終優(yōu)化方案如圖 4所示，需要陽極地床4組，每組3支，長1 m，埋深1 m，距離管道1 m，總輸出電流2.4 A，所有管道都在陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求的范圍內(nèi)，達(dá)到良好的保護(hù)效果。說明通過近陽極地床的優(yōu)化分布，可以實(shí)現(xiàn)站場埋地管網(wǎng)各處達(dá)到理想的保護(hù)效果。

圖 4 近陽極地床優(yōu)化后管道電位分布云圖

綜上所述，站場區(qū)域陰極保護(hù)中，由于受到接地網(wǎng)的影響，若使用遠(yuǎn)陽極地床形式，接地網(wǎng)會(huì)對(duì)陰極保護(hù)電流產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，造成管道存在欠保護(hù)區(qū)域，僅通過遠(yuǎn)陽極形式難以消除；而近陽極的優(yōu)化分布能夠減少接地網(wǎng)對(duì)管道的干擾，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)埋地管道各處達(dá)到理想的保護(hù)效果。

（2）鋅包鋼接地極對(duì)陰極保護(hù)效果的影響

當(dāng)垂直接地極采用自然電位較負(fù)的鋅包鋼材料時(shí)，即使沒有陰極保護(hù)，接地本身就可以作為犧牲陽極為管道提供一定的保護(hù)，但保護(hù)范圍和鋅包鋼使用的量有關(guān)系，且如果接地網(wǎng)全部換成鋅材料還面臨消耗及成本問題。

①陰極保護(hù)電位正于鋅包鋼自然電位。水平接地體為低碳鋼時(shí)，只需陰極保護(hù)電流輸出1.6 A，管道陰極保護(hù)電位處于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保護(hù)，如圖 5所示。

圖 5 保護(hù)電流輸出1.6 A時(shí)低碳鋼水平接地體管道電位分布云圖

同樣，當(dāng)水平接地體也為鋅包鋼時(shí)，陰極保護(hù)系統(tǒng)不輸出電流，管道陰極保護(hù)電位處于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保護(hù)。

②陰極保護(hù)電位負(fù)于鋅包鋼自然電位。當(dāng)水平接地體為低碳鋼時(shí)，控制陰極保護(hù)電位負(fù)于﹣1.15 VCSE，陰極保護(hù)系統(tǒng)需輸出電流4.8 A達(dá)到原輸出電流的3倍，鋅包鋼會(huì)吸收陰極保護(hù)系統(tǒng)電流，顯著增加陰極保護(hù)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。管道電位分布云如圖 6所示。

圖 6 保護(hù)電流輸出4.8 A時(shí)低碳鋼水平接地體管道電位分布云圖

當(dāng)水平接地體為鋅包鋼時(shí)，控制陰極保護(hù)電位負(fù)于﹣1.15 VCSE時(shí)，此時(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)由不輸出電流變?yōu)樾栎敵鲭娏?.75 A才能達(dá)到保護(hù)要求，鋅包鋼將對(duì)陰極保護(hù)電流造成影響，如圖 7所示。

圖 7 鋅包鋼垂直接地極、鋅包鋼水平接地體管道電位分布云圖

當(dāng)接地網(wǎng)采用鋅包鋼材料，控制陰極保護(hù)系統(tǒng)電位低于鋅包鋼自然電位時(shí)，只需少量陰極保護(hù)電流或者不施加電流，管道即可受到保護(hù)；但當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)電位負(fù)于鋅包鋼電位后，鋅包鋼會(huì)吸收電流，造成陰保系統(tǒng)輸出電流增加；通過調(diào)正控制電位和優(yōu)化陽極地床位置可以減少鋅包鋼對(duì)陰極保護(hù)電流的影響。

3  結(jié)論

（1）垂直接地極材料對(duì)管道腐蝕速率有較大的影響，當(dāng)其為低電阻模塊（碳）或銅時(shí)，大大加速管道腐蝕，同時(shí)對(duì)附近管道無法達(dá)到理想的保護(hù)效果。當(dāng)其為低碳鋼（扁鐵）時(shí)，管道電位未發(fā)生偏移，不會(huì)引起管道電偶腐蝕，管道為自腐蝕；而用鋅包鋼材料將會(huì)使管道電位負(fù)移，管道受到保護(hù)。

（2）站場區(qū)域陰極保護(hù)中，遠(yuǎn)陽極地床無法消除密集管網(wǎng)與接地影響造成的電流屏蔽，通過近陽極地床的優(yōu)化分布可以消除電流屏蔽影響，使各個(gè)區(qū)域達(dá)到理想的保護(hù)效果。

（3）當(dāng)接地網(wǎng)采用鋅包鋼材料時(shí)，其自然電位負(fù)于管道的自然電位。若控制陰極保護(hù)系統(tǒng)的電位低于鋅包鋼自然電位時(shí)，只需要少量陰極保護(hù)電流或者不施加電流，管道即可受到保護(hù)；但當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的控制電位負(fù)于鋅包鋼自然電位后，鋅包鋼會(huì)吸收電流，造成陰保系統(tǒng)輸出電流增加；通過調(diào)正控制電位和優(yōu)化陽極地床位置可以減少鋅包鋼對(duì)陰極保護(hù)電流的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙常英.輸油站場區(qū)域陰極保護(hù)[J].石油工程建設(shè)，2010，36(5)：48-50.

[2]吳廣春，杜艷霞，路民旭，姜子濤，唐德志.接地系統(tǒng)對(duì)區(qū)域陰極保護(hù)影響規(guī)律及解決措施研究現(xiàn)狀[J].腐蝕與防護(hù)，2014，35(11)：1065-1068+1097.

作者簡介：趙康，1987年生，高級(jí)工程師，蘭州輸氣分公司常務(wù)副經(jīng)理，主要從事管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：0931-4529219，zhaokang@pipechina.com.cn。