馮雄輝 單勁智 張亞丹

中石油北京天然氣管道有限公司北京輸氣管理處

摘 要： 天然氣站場(chǎng)區域陰極保護技術(shù)是對集中在站場(chǎng)區域內的多個(gè)埋地金屬結構進(jìn)行統一的電化學(xué)保護，與保護對象單一的干線(xiàn)陰極保護系統相比，有其特點(diǎn)和難點(diǎn)。結合日�，F場(chǎng)測試、調研和模擬計算分析陜京管道區域陰極保護效果和受干擾情況，針對存在的問(wèn)題提出解決措施，消除安全隱患。

關(guān)鍵詞： 鋼制管道；區域陰保；保護效果；干擾

為控制站內埋地管道的腐蝕風(fēng)險，陜京管道近年來(lái)對站場(chǎng)埋地管道實(shí)施了區域陰極保護改造，即將站場(chǎng)區域內的所有預保護對象作為一個(gè)整體進(jìn)行陰極保護，依靠輔助陽(yáng)極的合理布局、保護電流的自由分配以及與相鄰設備的電絕緣措施，使被保護對象處于有效的保護電位范圍之內。

由于現有區域陰極保護效果評價(jià)依靠有限點(diǎn)的測量來(lái)進(jìn)行，受到現場(chǎng)測試空間和測試條件的限制，無(wú)法得到站場(chǎng)內埋地管道各個(gè)位置處的保護電位，對于某些保護不足或過(guò)保護的部位不能及時(shí)發(fā)現并采取措施。國內外站場(chǎng)區域陰極保護相關(guān)案例表明，站內外管線(xiàn)一般通過(guò)絕緣接頭進(jìn)行電隔離，采用兩套獨立的陰極保護系統分別進(jìn)行保護。兩套陰極保護系統在保護對象數量、涂層狀況、電流需求及安全要求方面均存在較大差異，二者電位控制點(diǎn)及陽(yáng)極地床的位置又相距較近，易產(chǎn)生相互干擾，影響陰極保護的效果。根據對陜京管道實(shí)施區域陰極保護的站內外管線(xiàn)相互干擾情況開(kāi)展的初步調研和測試情況看，這種相互干擾影響系統的正常運行，造成潛在的安全隱患。

1 站場(chǎng)區域陰極保護技術(shù)的特點(diǎn)

（1）保護對象繁多、保護回路復雜。輸氣站場(chǎng)在相對狹窄的區域內集中了眾多的金屬結構如工藝、消防、排污、給排水等各種管網(wǎng)、設備底座以及避雷防靜電接地系統，構成了龐大的金屬結構網(wǎng)，保護對象繁多，結構密集，保護回路復雜。

（2）保護電流消耗大。輸氣站場(chǎng)內接地系統龐大，除管道、混凝土基礎外，還有各種設備和儀表的接地，構成了避雷防靜電接地網(wǎng)，多為裸金屬扁鋼材料。此外，站場(chǎng)內各種管網(wǎng)的防腐層均為現場(chǎng)涂裝，隨著(zhù)運行時(shí)間的增長(cháng)，絕緣質(zhì)量差異較大。在對油氣站場(chǎng)進(jìn)行陰極保護時(shí)，大部分陰極保護電流通過(guò)設備底座、接地系統漏失，小部分電流消耗在管網(wǎng)上，通常保護電流需求較大。

（3）對管道產(chǎn)生電流干擾。對輸氣站場(chǎng)實(shí)施陰極保護，是將整個(gè)站區內的所有地下金屬結構全部納入保護系統，因此一般不會(huì )產(chǎn)生內部干擾。但站場(chǎng)陰極保護電流通常遠大于干線(xiàn)保護電流，故常常對管道干線(xiàn)等外部結構及其陰極保護系統造成干擾，一般系統電流輸出越大，干擾也會(huì )越嚴重。

（4）屏蔽影響較為突出。輸氣站場(chǎng)區域內埋地構件眾多，結構密集區的管道可能會(huì )與接地系統、鋼筋混凝土基礎、電力系統及水管等接觸，流向該區域的總電流足以在土壤中產(chǎn)生電位梯度，導致屏蔽效應。在結構密集區的中央，屏蔽影響將達到最大。如果全部為裸管道，屏蔽作用將會(huì )非常嚴重。

（5）陽(yáng)極地床設計困難。需要結合輸氣站場(chǎng)的具體特點(diǎn)，來(lái)準確的確定陰極保護參數，合理的設計陽(yáng)極地床的位置、埋設方式和分布形式，以獲得保護電流的均勻分布，同時(shí)避免或限制干擾和屏蔽的影響，使被保護對象處于規定的保護電位范圍之內。

（6）后期調試整改量較大。由于傳統的站場(chǎng)陰極保護設計參數選取多依靠經(jīng)驗，對干擾和屏蔽問(wèn)題考慮不足，不能充分結合站場(chǎng)埋地構件的具體分布特點(diǎn)，導致后期消除屏蔽、控制干擾、抑制過(guò)保護、降低系統輸出和能耗等工作量大。

2 技術(shù)難點(diǎn)分析及解決辦法

2.1 陰極保護電流消耗過(guò)高的解決辦法

運行中常因設計時(shí)對保護電流估計不足，所選的電源設備無(wú)法滿(mǎn)足保護要求，可通過(guò)以下途徑實(shí)現。

（1）提供足夠的陰極保護電流。在站場(chǎng)陰極保護設計中，可采用兩種方法來(lái)確定保護電流。一是根據設計參數預測，即根據設計經(jīng)驗綜合考慮埋地構件涂層狀況估計一個(gè)電流密度值，將該值乘以結構的總埋地面積得到近似的電流總需求量。二是根據現場(chǎng)饋電試驗確定，即建立臨時(shí)陽(yáng)極地床，根據結構的電位變化和所施加的電流，計算結構對地電阻并確定施加電流沿結構的分布和永久陰極保護裝置的電流需求。國內大多根據第一種方法進(jìn)行設計，在長(cháng)輸管道干線(xiàn)陰極保護系統設計中由于埋地構件單一，表面狀況差異不大，采用這種方法可行。但是對于輸氣站場(chǎng)，由于埋地金屬構件多樣性和分布復雜性，且埋地管網(wǎng)、接地結構網(wǎng)等表面狀況差異較大，僅通過(guò)經(jīng)驗估計的方法很難準確的確定實(shí)際所需的電流量，還需進(jìn)一步探討。

（2）減小電流需求量。輸氣站場(chǎng)陰極保護電流消耗大的主要原因是由于存在龐大的避雷防靜電接地網(wǎng)，大部分陰極保護電流通過(guò)接地系統漏失，只有很少的電流消耗在埋地管網(wǎng)和儲罐底板上。站場(chǎng)施加陰極保護的目的主要是為了保護埋地管網(wǎng)等防止其腐蝕泄漏，若保護電流只用于這些構件，所需的保護電流將大大減小，為此，可以考慮在保證設備、儀表的電氣安全要求的前提下，采取將接地系統與站內陰極保護系統相隔離的措施。

2.2 對管道產(chǎn)生電流干擾的解決辦法

站內區域陰極保護電流一般通過(guò)影響站外干線(xiàn)陰極保護系統控制點(diǎn)來(lái)對其造成干擾。由于國內大多數管道干線(xiàn)陰極保護系統采用恒電位控制方式，而控制點(diǎn)（通電點(diǎn)）通常設在絕緣接頭或絕緣法蘭外側，當該處管道受到外來(lái)干擾時(shí)，由于附加極化或去極化而影響控制系統的信號反饋，使站外保護系統的輸出降低或增加，干線(xiàn)保護相應受到影響。通常有兩種類(lèi)型：一是控制點(diǎn)處有干擾電流流入，導致極化增加，如圖 1（a）所示，為維持設定的控制電位，干線(xiàn)陰極保護系統輸出將自動(dòng)下降，導致整個(gè)管道陰極極化降低，遠端易保護不足。二是控制點(diǎn)處有干擾電流流出，導致極化減小，如圖 1（b）所示，為維持設定的控制電位，干線(xiàn)陰極保護系統輸出將自動(dòng)提高，導致整個(gè)管道陰極極化加大，近端易產(chǎn)生過(guò)保護。

圖 1  站場(chǎng)區域性保護的干擾影響

當檢測到存在干擾后，降低或排除干擾的原則是，將站外陰極保護系統的輸出電流恢復到站場(chǎng)陰極保護投運以前的水平，并對站外干線(xiàn)陰極保護系統所保護的管道進(jìn)行保護電位測試，確認保護電位和保護距離不因站內系統的投運而受影響，可采取以下措施。

（1）盡可能使站場(chǎng)陰極保護系統的陽(yáng)極影響區遠離站外陰保系統控制點(diǎn)，并根據站場(chǎng)內陰極保護系統的調試情況，對部分陽(yáng)極進(jìn)行電流輸出限制。

（2）對站外干線(xiàn)近端進(jìn)行密間隔電位測試，將站外干線(xiàn)陰極保護系統的控制點(diǎn)轉移至不受干擾的位置。

（3）對恒電位控制點(diǎn)進(jìn)行處理，安裝排流電極以降低或消除干擾電流引起的附加極化或去極化。

（4）站外干線(xiàn)陰極保護系統采用恒電流控制。

（5）對于小型站場(chǎng)，可考慮納入干線(xiàn)保護系統中。

（6）由于區域陰極保護系統參數受外界因素影響較大，具有波動(dòng)性，應設專(zhuān)人管理，勤于維護，根據保護電位測試情況及時(shí)調整運行參數。

2.3 屏蔽影響的解決辦法

由于站場(chǎng)地下工藝管道與電力系統、鋼筋混凝土、消防給排水管道以及接地系統等金屬都會(huì )存在搭接，流向該區域的總電流會(huì )在土壤中產(chǎn)生電位梯度導致屏蔽效應。在結構密集區的中央，屏蔽影響將達到最大。

當出現密集區屏蔽時(shí)，可采用遠陽(yáng)極與近陽(yáng)極相結合的方式，使陽(yáng)極周?chē)�的影響區相互充分疊加，改善整個(gè)區域內結構的保護電位，對于接地系統龐大的站區，可采用負電性金屬（例如鎂陽(yáng)極或鋅陽(yáng)極）作為接地材料以幫助消除屏蔽，促使保護電流均衡分布。

運行中常通過(guò)多組陽(yáng)極分散布置、遠/近陽(yáng)極互為補充、犧牲陽(yáng)極材料做接地等改進(jìn)措施，來(lái)減緩站場(chǎng)陰極保護屏蔽問(wèn)題。傳統的設計方法無(wú)法充分預測屏蔽，隨著(zhù)施工、調試工作開(kāi)展和設計方案的調整，通常要求站場(chǎng)陰極保護系統分步實(shí)施。為此可進(jìn)行主保護回路（遠陽(yáng)極系統）施工及接地系統改造（如果需要），通電試運行并進(jìn)行相應的測試，然后根據試運行測試的結果布置近陽(yáng)極后進(jìn)行系統調試，直到屏蔽減弱，保護電流均衡分布，獲得滿(mǎn)意的陰極保護效果為止。

作者：馮雄輝，中石油北京天然氣管道有限公司北京輸氣管理處防腐工程師。