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典型站場區域陰極保護系統對線路陰極保護系統干擾的檢測及處理

2021-02-22 11:02:24 作者：趙康來源：中國石油石化腐蝕與防護技術大會分享至：

摘　要：為了消除區域陰極保護系統對線路陰極保護系統的干擾，使線路陰極保護系統能夠正常恒位運行。利用陰極保護電位分布數值模擬及干擾模擬計算的三維幾何模型對干擾進行了分析，并通過現場測試對模擬進行了驗證。根據模擬及現場測試的結果對干擾采取了有效的治理，消除了區域陰極保護系統對線路陰極保護系統的干擾，將線路恒電位儀的輸出參數恢復至干擾前的水平。

關鍵詞：區域陰極保護　陽極干擾　數值模擬　現場檢測　處理

壓氣站是天然氣生產和輸送中的一個重要環節，站內一般包含了工藝管網、防雷接地網等在內的多種埋地金屬構筑物。為了保護站內埋地管網及防雷接地網的安全長效運行，近年來區域陰極保護技術發展迅速[1-2]。由于站內陰極保護系統所保護的埋地構筑物多為裸鋼或防腐層較差的鋼結構，而站外陰極保護系統所保護的干線防腐層較好，站內、外兩套陰極保護系統所需的保護電流存在較大差異，因此常采用絕緣接頭將站內、外管線電隔離，即站場內外各自采用獨立的陰極保護系統。由于站內陰極保護系統通常距離站外干線較近，如果設計不合理，站內陰極保護系統會對站外干線陰極保護系統產生干擾，引起干線陰極保護系統輸出異常，無法達到保護效果，目前國內對于不同陰極保護系統間干擾問題的檢測和處理仍處于研究探索階段[3-4]。

某壓氣站區域陰極保護系統采用淺埋陽極地床的外加電流保護方式，通過3路淺埋陽極地床來保護站場內的接地網、埋地工藝管線及壓縮機區域埋地金屬構筑物。現場運行發現，站場區域陰極保護系統開啟后，引起該站所轄干線陰極保護系統恒電位儀輸出電壓電流為零，同時下游出站端管線極化電位較正常保護下管線的極化電位正移0.5 V左右。通過開展現場測試和試驗明確了干線陰極保護系統的干擾源，并進行了有效治理，將干線恒電位儀的輸出參數恢復至干擾前的水平。

1站內區域陰極保護系統對站外干線陰極保護系統干擾排查

某壓氣站站場區域陰極保護系統主要由1套4路恒電位儀、柔性陽極地床、高硅鑄鐵淺埋輔助陽極地床、參比電極、饋流點和測試點、分流箱、連接電纜等構成。每路的設計保護區域：第1回路保護站區接地系統；第2回路保護工藝裝置區、收發球筒區、放空區及其周圍管網；第3回路保護壓縮機區及其周圍管網；第4回路備用。設備采用福建三明PS-3F型恒電位儀，額定輸出功率為50 V/30 A。

站場區域陰極保護系統開啟后，干線陰極保護系統恒電位儀輸出電壓電流即為零，為確認是區域陰極保護系統恒電位儀的哪一路對線路陰極保護系統存在干擾，將3路區域陰極保護系統恒電位儀分別通斷，觀察線路陰極保護系統恒電位儀的輸出，見表1：

表1　干線陰保恒電位儀輸出值

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由上表可以看出，第2路區域陰極保護系統恒電位儀開啟后，干線陰極保護系統恒電位儀輸出電壓電流變為零，這是因為線路控制參比電極一般放置在出站絕緣接頭站外側附近，且處于第2路區域陰極保護系統陽極地床的陽極電場影響區，導致有雜散電流從該段管道上流入，雜散電流的流入導致極化增大，恒電位儀為維持設定的控制電位，輸出電壓和輸出電流自動降低為零。干線陰極保護系統恒電位儀無輸出，最終導致站場上下游管線實際得不到陰極保護，增大了管線發生腐蝕的風險。

2干擾及緩解措施的數值模擬分析

根據該站的平面布置圖、埋地管網分布圖、接地網分布圖情況建立了陰極保護電位分布數值模擬及干擾模擬計算的三維幾何模型，通過計算控制參比電極的可能移動位置來保證線路陰極保護系統能以恒電位模式正常工作，為下一步的調整和現場實驗測試提供一定的借鑒指導作用。其計算過程如下。

該站的平面分布圖、管網分布圖及站內接地網分布圖如圖1~3所示。

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圖1　壓氣站平面分布圖

圖2　壓氣站管網分布圖

圖3 壓氣站接地網分布圖

根據圖1~3所示的基礎資料建立了該站區域陰極保護數值模擬及干擾模擬計算的三維模型，并進行了邊界元網格劃分，如圖4和5所示。

圖4　壓氣站站內外干擾三維計算模型

圖5　壓氣站站內外干擾三維計算模型的網格分布

利用軟件對站內外干擾模型進行數值模擬計算，研究陽極干擾區的距離。

首先模擬計算了不存在干擾時，站場附近線路的陰極保護電位分布，如圖6所示。由圖可見，不存在干擾時，站場附近線路能受到良好的陰極保護，且保護電位能達到-1.0 V左右，對應云圖中色塊的顏色為淡綠色。

圖6　不存在干擾時站場附近線路陰極保護電位分布

當存在干擾時，即站場區域陰保系統輸出電流為30 A時，站場附近出站和進站線路的陰極保護電位分布分別如圖7和圖8所示。由圖可見，存在干擾時，站場附近線路由于受到陽極干擾的影響而發生電位負移，但未發生過保護的情況。以淡綠色為無干擾時的正常電位標志，由圖可見該陽極干擾的影響距離可能達到200~300 m，此時應將參比電極移動到300 m以外。

圖7　存在干擾時站場附近出站線路陰極保護電位分布

圖8 　存在干擾時站場附近進站線路陰極保護電位分布

3干擾程度及范圍

3.1干擾程度

為保證站場上下游管線得到有效的陰極保護，需改變目前線路陰極保護系統控制參比電極的位置，使線路陰極保護系統的恒電位儀能夠正常恒電位工作。盡管改變控制參比電極的位置，能夠使恒電位儀能夠正常工作，但位于區域陰極保護系統陽極地床影響區的管線仍然受陽極干擾[5-6]，為考察影響區內的管線受干擾的程度，調整區域陰極保護系統恒電位儀的輸出，見表2：

表2　區域陰保恒電位儀輸出參數表

同時調整干線陰極保護系統恒電位儀的輸出，使得其輸出電流維持在未受干擾的水平，然后與區域陰極保護系統恒電位儀同步通斷，測得干線進出站絕緣接頭兩端的電位如表3所示：

表3　進出站絕緣接頭兩端電位測量表

測試結果表明，若將干線陰極保護系統的控制參比電極移動到陽極干擾區之外，同時維持干線陰極保護系統恒電位儀輸出電流在未受干擾的水平，測得干線出站絕緣接頭站外管段極化電位為-1.20 V，干線未發生過保護的情況，這說明區域陰極保護系統未對站外管線的極化電位產生影響。

3.2干擾范圍

為考察區域陰極保護系統對線路陰極保護系統的影響范圍，將區域陰極保護系統恒電位儀調整為通斷運行，沿管線出站下游方向測量干線不同點的通電電位，見下表：

表4　站內外干擾影響范圍測量表

由上表可以看出，當便攜式參比電極放置在距出站絕緣接頭下游350 m處時，站內區域陰極保護系統恒電位儀通斷電運行不會引起干線通電電位的變化，說明區域陰極保護系統對線路陰極保護系統的影響范圍為出站350 m以內，與模擬計算結果相一致。

4干擾問題處理

根據前期測試及模擬計算結果，為消除區域陰極保護系統對線路陰極保護系統的干擾，需將線路控制參比電極沿出站管線下游方向移動350 m，并重新敷設參比電纜，與原有參比電纜連接。由于原有參比電纜出站后無法準確定位埋深及走向，且站內外落差有6m，因此不宜在站外開挖查找電纜。在站內管線出站位置，沿管線開挖便于查找原有參比電纜。

線路控制參比電極遷移前后，區域陰極保護系統恒電位儀及線路陰極保護系統恒電位儀輸出參數如下表：

表5　恒電位儀輸出統計表

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由上表可以看出，線路控制參比遷移后，線路陰極保護系統恒電位儀基本不受區域陰保系統的影響。

5結論

圖片

（1）第2路區域陰極保護系統恒電位儀開啟后，干線陰極保護系統恒電位儀輸出電壓電流為零，說明第2路區域陰極保護系統對線路陰極保護系統存在陽極干擾；

（2）區域陰極保護系統對站外陰極保護系統的陽極干擾未引起站外管線的極化電位過負的現象；

（3）經過數值模擬計算及現場實際測試，區域陰極保護系統對干線陰極保護系統的影響范圍為出站350 m以內；

（4）干線控制參比遷移后，干線陰極保護系統恒電位儀基本不受區域陰極保護系統的影響。

參考文獻

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[2] 張俊義，劉志剛，張永盛等。區域性陰極保護實施過程中的幾個問題[J].油氣儲運；2000, 19（2）：51-52

[3] 陳航的。長輸油氣管道工藝站場的區域性陰極保護[J].腐蝕與防護；2008, 29（8）：485-487

[4] 劉玲莉，陳洪源，劉明輝，劉桂春。輸油氣站區陰極保護中的干擾與屏蔽[J].管道技術與設備。2005,2:31-33

[5] I.A. Metwally, H.M. Al-Mandhari, A. Gastli, Z. Nadir. Factors affecting cathodic-protection interference[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements,2007（31）：485-493

[6] F. Brichau, J. Deconinck, and T. Driesens.Modeling of Underground Cathodic Protection Stray Currents[J]. CORROSIONENGINEERING,1996,52（6）：480-488

作者簡介

趙康，男，1987.4.5,2008年本科畢業于重慶大學材料成型及控制工程，現就職中石油西部管道公司管道處，完整性管理，副處長。

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