区域阴极保护对外管道干扰的案例及其成因分析

2022-09-15 16:33:52 作者：吴翔来源：腐蚀与防护分享至：

随着石油和天然气管道站场的连续多年运行，站内管道和储罐腐蚀泄漏事故频繁发生，引起了管理方以及社会公众的关注。为了减缓站场内部埋地油气管道的腐蚀危害，大多数站场采取了区域阴极保护技术。

区域阴极保护就是将某一区域内的所有预保护对象作为一个整体进行阴极保护，依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的自由分配以及与相邻设备的电绝缘措施，使被保护对象处于规定的保护电位范围内。一般区域阴极保护以外加电流法为主，系统由拟保护的各类埋地管线及与之电连接的金属构件，阴极保护电源系统（恒电位仪）、辅助阳极地床、阴/阳极电缆、土壤电解质等部分组成。

与常规干线阴极保护相比，区域阴极保护具有保护对象多，保护电流消耗大，阳极地床设计难度大，后期调试整改工作量较大等特点。

尽管目前西部管道公司所辖油气站场已经广泛采用区域阴极保护技术，但在实际运营管理中发现站场区域阴极保护存在一些普遍问题，这影响了区域阴极保护的效果和运行可靠性，还可能对站外管道造成干扰：

1. 由于输油气站场内埋地金属管道、综合接地系统及构筑物基础钢筋等埋地金属存在相互电连接，导致站场内部消耗阴极保护电流的对象多，阴极保护电流需求量大。在西部某些油气站场，站场区域阴极保护系统的输出电流超过100 A是很常见的。但即便在如此高的电流输出情况下，这些站场仍无法实现有效阴极保护的全面覆盖；

2. 由于站场区域阴极保护系统的电流输出远大于站外干线，常造成站内阴极保护系统对外部干线干扰的问题，如西部多个油气站场均存在站内区域阴极保护系统对站外干扰的问题，造成站外阴极保护系统无法正常运行、进出站管道在绝缘接头附近出现局部腐蚀。

将站场区域阴极保护建设好、维护好已经成为管道完整性管理的一个重要部分。国家管网集团西部管道有限责任公司的吴翔工程师结合西部某原油站场区域阴极保护实测数据，展示了区域阴极保护对站外管道产生的阴极干扰、阳极干扰，探讨了区域阴极保护对站外管道产生影响的原因。

某原油站的测试数据

1 阴极保护概况

某原油站内埋地原油管道、消防管道及接地体，与储罐、阀组区共同进行区域阴极保护，储罐与管道、接地之间没有电绝缘。原油站区域阴保共有恒电位仪26台，区域阴极保护输出直流电流合计141 A。原油站区域阴极保护所用辅助阳极均为高硅铸铁阳极，除了个别阴极保护系统使用浅埋地床，其余辅助阳极均为深井阳极。

原油站内阴极保护系统的输出和辅助阳极的接地电阻情况见表1。

表1 原油站内阴极保护系统的基本情况

2 绝缘接头性能测试

使用uDL2双通道同步测量绝缘接头两侧的电位，并对两侧测量结果进行对比，若电位相差较大，则说明绝缘接头的绝缘性能良好；若电位相差较小，则应继续使用其他测试方法核实接头的绝缘性能。

由图1可见：A管道出站绝缘接头内侧和外侧的电位分别为0.81 V和-1.03 V；B管道进站绝缘接头内侧和外侧的电位分别为-0.43 V和-2.47 V；C管道进站绝缘接头内侧和外侧的电位分别为0.49 V和-2.4 V。三根管道绝缘接头的绝缘性能均为良好。

图1 A，B，C管道的绝缘接头两侧电位测量结果（2018-6-22）

3 站内区域阴极保护对站外管道的干扰情况

在研究站内区域阴极保护对外管道的干扰时，采取两种测试方法。第一种是采用密间隔电位方法测试绝缘接头外侧管道的电位，找到波动变化停止或数值平稳点以确定干扰范围。

由图2可见：站内区域阴极保护对A，B，C管道绝缘接头外侧管道造成了阴极干扰，干扰范围是绝缘接头外侧200~300 m。在该范围，管道排放来自站内区域阴极保护的直流杂散电流，具有很大的腐蚀风险。

图2 A，B，C管道绝缘接头外侧的间隔电位测试结果

A管道在绝缘接头处通电电位约为+0.5 V，而在350 m远的162号测试桩处，通电电位变为-2.5 V。B管道在绝缘接头外侧的通电电位约为-0.18 V，而在161号测试桩处为-1.1 V。C管道在绝缘接头处电位为-0.61 V，在200 m远处就恢复至-1.7 V。

为判断站外管道受阴极干扰的具体的干扰源，在测试工作中执行了第二种测试方法，即逐个中断站内区域阴极保护电源并维持站外管道阴极保护正常运行，用数据记录仪连续记录站外管道的电位波动情况，以判断哪个回路的区域阴极保护对外管道造成了干扰。

由图3可见：站内区域阴极保护对出站管道造成不同程度的阴极或阳极干扰。

图3 站内区域阴极保护对A，B，C管道造成的干扰情况（2018-6-24）

对A管道出站造成阴极干扰的阴极保护系统编号如下：1#、2#、3#、4#、5#（轻微）、8#、9#、10#（轻微）、11#（轻微）、12#、14#。

对A管道出站造成阳极干扰的阴极保护系统编号如下：6#（轻微）、7#、13#。

对B管道出站绝缘接头外侧管道产生阴极干扰的站内区域阴极保护系统编号为：1#、2#（严重）、3#、7#（严重）、8#、9#、10#、11#、12#、13#（较严重）。

站内所有的区域阴极保护阳极都对C管道绝缘接头外侧管道造成阴极干扰，干扰的范围大概是绝缘接头外侧200 m。

阴极干扰的成因

在强制电流阴极保护系统中，被保护的结构物吸收直流电流，在它周边会产生一个阴极电势场，周边地电位会降低（相对于远地），如果外部金属结构物处于该阴极电势场内，就会受到阴极干扰。

图4为一个阴极干扰的案例，两条金属管道近距离交叉，干扰源管道安装了阴极保护系统，被干扰管道穿越了干扰源管道周边的阴极电势场，受到阴极干扰。被干扰管道在交叉点排放杂散电流，具有一定的腐蚀风险。

图4 阴极干扰示意图

在一些实施了站内区域阴极保护的案例中，由于站内强制电流阴极保护系统输出电流过大，站内阴极保护系统对站外（绝缘接头外侧）管道产生了干扰。

图5所示是典型的站内阴极保护系统对站外管道的阴极干扰。站外管道的远端吸收的杂散电流经管道流向站内方向，在绝缘接头的根部进入土壤电解质，绕过绝缘接头后进入站内。在绝缘接头的外侧根部，管道电位出现明显的正向偏移，具有很大的腐蚀风险。

图5 站内区域阴极保护对外管道的干扰示意

区域阴极保护对外管道也可能产生阳极干扰。靠近辅助阳极的管道吸收直流电流，然后在管道某防腐层破损点处返回至大地。在本工作研究的案例中，区域阴极保护对外管道的干扰主要表现为阴极干扰。

区域阴极保护对站外管道的阴极干扰严重影响了外管道阴极保护系统的运行，带来了严重的腐蚀风险。导致该问题的根本原因是站场内埋地管线和站内接地、基础等金属结构物的电连接，这不仅造成了极高的阴极保护电流需求，还带来了严重的屏蔽与干扰问题。

此外，站场内广泛使用深井阳极辅助地床，也是西部油气站场出现区域阴极保护对外管道产生严重阴极干扰的一个重要因素。深井阳极距离管道和站内接地体的距离都较远，处于阳极的远地管道和接地体吸收的电流大小与它们的对地电阻呈反比关系。接地体是裸露的金属且总面积巨大，接地电阻很低，所以绝大多数阴极保护电流都被接地体吸收。这就造成阴极保护系统的输出电流显著增大，且在接地体周边形成了范围较广的阴极电势场，对外管道造成了阴极干扰。

将站内埋地管道架空，即可以解决金属在电解质中发生的腐蚀问题。除了将埋地管道架空处理外，在站场区域阴极保护的设计和施工中还可以考虑以下的方法：

1. 在设计阶段采用馈电试验或/和数值模拟的方式优化阳极的分布以及输出电流；

2. 采用分布式阳极：辅助阳极与被保护管道近距离布置，减少接地体所吸收的电流，提升管道的保护效果；

3. 改变管道与接地体的连接方式，通过阻直通交类产品实现两者的连接，避免接地体吸收阴极保护电流；统筹工艺、电气、通信、仪表和土建等专业的设计思路，尽量减少输油气站场需要进行阴极保护的埋地金属构筑物的数量；

4. 尽量避免使用易造成阴极干扰问题的辅助阳极安装方式，比如在西部区域应慎重使用深井阳极。

土壤电阻率等外部因素也可能造成上述阴极干扰问题，在对这些干扰问题进行评价和缓解时，应考虑到这些因素的影响。

在站场区域阴极保护的运行中，如果使用100 mV阴极极化保护准则，则阴极保护系统的输出电流较使用-850 mV极化电位准则要低，对外部管道的干扰也会降低。但在复杂站场区域使用100 mV阴极极化准则有诸多限值，应慎重采用。

在进行站场区域阴极保护的设计和施工时，应统筹考虑绝缘接头外侧管道的阴极保护和阴极干扰问题。在绝缘接头处应设置阴极保护测试装置，定期对外管道的保护电位进行检测。

结论

区域阴极保护系统对外管道的干扰是大型油气站场常见的问题。随着站场区域阴极保护技术的应用普及，该干扰问题引起了广泛的注意。

区域阴极保护对外管道造成阴极干扰的原因是外管道处于站内被保护结构物的阴极电势场内。消减该阴极电势场的范围和强度是缓解阴极干扰的重要措施。从我国西部区域的现场应用情况看，在站内区域阴极保护系统中使用深井阳极往往会造成绝缘接头外侧的阴极干扰。采用分布式辅助阳极、使用阻直通交类产品将接地体与被保护管道隔离，都可以降低站内区域阴极保护的输出电流，缓解站外管道受到的阴极干扰。

在区域阴极保护项目实施前，采用馈电试验与数值模拟结合的方法，可以对设计进行优化，有助于消减区域阴极保护对外管道的干扰。

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