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大型站場(chǎng)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)失效原因分析

2021-07-20 16:26:19 作者：朱加祥，賈光猛等來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

陰極保護(hù)利用通電技術(shù)使金屬表面陰極電位降低到陽(yáng)極電位，各點(diǎn)電位達(dá)到一致，消除陽(yáng)極區(qū)，從而減緩腐蝕。通常對(duì)埋地管道采用外涂層和陰極保護(hù)來(lái)防止管道的外部腐蝕，外涂層提供第一道防護(hù)屏障，陰極保護(hù)作為腐蝕防護(hù)的第二道屏障，能有效防止涂層存在缺陷（如針孔和漏點(diǎn)）或涂層脫落時(shí)管道發(fā)生腐蝕。

國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐證明，對(duì)輸油站場(chǎng)/庫(kù)區(qū)實(shí)施強(qiáng)制電流的區(qū)域性陰極保護(hù)比單獨(dú)采用涂層防腐蝕技術(shù)或犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)更加有效，可有效避免由腐蝕失效造成的危險(xiǎn)事故。

國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的新建站場(chǎng)和已建站場(chǎng)，已經(jīng)實(shí)施或正在逐步實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)。然而，陽(yáng)極埋設(shè)處土壤電阻率變大，焦碳降阻材料性能下降、失效，陽(yáng)極地床發(fā)生氣阻現(xiàn)象等眾多因素都能影響陰極保護(hù)的效果，因此陰極保護(hù)失效也時(shí)有發(fā)生。

某大型站場(chǎng)分為三個(gè)庫(kù)區(qū)（成品油庫(kù)區(qū)、原油庫(kù)區(qū)和首站），為了防止110km埋地管道和設(shè)備底座發(fā)生腐蝕，整個(gè)站場(chǎng)采用強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)埋地管道、設(shè)備底座采用1642支淺埋分布式高硅鑄鐵陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)。陽(yáng)極規(guī)格為Φ159mm×2000mm，陽(yáng)極埋深1.8m，陽(yáng)極間距2.5~60m，采用接線箱對(duì)陰極保護(hù)電流進(jìn)行分配，整個(gè)站場(chǎng)共有35套系統(tǒng)，其中恒電位儀規(guī)格為75V/50A。該陰極保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行半年后，測(cè)試樁保護(hù)電位的合格率從最初的97%逐漸降低至80%左右，影響了陰極保護(hù)的效果。

針對(duì)該站場(chǎng)部分陰極保護(hù)失效問(wèn)題，中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司的技術(shù)人員分析了陰極保護(hù)電位降低以及恒電位儀輸出電壓偏高的原因，以期為同類(lèi)型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和改造提供借鑒。

陰極保護(hù)的輸出參數(shù)

整個(gè)庫(kù)區(qū)陰極保護(hù)系統(tǒng)于2016年投產(chǎn)運(yùn)行，半年之后，陰極保護(hù)的合格率出現(xiàn)了降低，所有的恒電位儀輸出電壓都出現(xiàn)了偏高。

成品油庫(kù)區(qū)5套陰極保護(hù)系統(tǒng)都采用恒電流運(yùn)行模式。以其中的CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)為例，其恒電位儀的輸出參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示，陰極保護(hù)電位如圖2所示。

（a）輸出電壓

（b）輸出電流

圖1 CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓、電流與時(shí)間的關(guān)系

圖2 CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)通電點(diǎn)處的陰極保護(hù)電位

恒電位儀的輸出參數(shù)在建成投產(chǎn)的4個(gè)月之內(nèi)運(yùn)行良好，通電點(diǎn)的陰極保護(hù)電位（相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極）也能滿(mǎn)足GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》負(fù)于-850mV的要求，投產(chǎn)4個(gè)月之后，恒電位儀的輸出參數(shù)開(kāi)始升高，一些系統(tǒng)恒電位儀的輸出電壓甚至達(dá)到了額定輸出電壓。

對(duì)于改造的油氣站場(chǎng)，部分管道的防腐蝕層已經(jīng)劣化，在陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)提高保護(hù)電位或通過(guò)測(cè)量斷電電位調(diào)整陰極保護(hù)狀態(tài)，避免管線由于絕緣防腐蝕層劣化導(dǎo)致腐蝕穿孔。由于陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻升高，為了保證恒電位儀在額定電壓下運(yùn)行，如果提高保護(hù)電壓，就得調(diào)低恒電位儀的輸出電流。因此陰極保護(hù)范圍和效果都會(huì)受到影響。

　　根據(jù)歐姆定律，恒電位儀輸出電壓可以用下式表示：

V恒=I （Ra+RL+RC）+VR

式中：V恒為直流電源輸出電壓，V；Ra為陽(yáng)極接地電阻，Ω；RL為線電阻（可取0.3~1Ω），Ω；RC為陰極過(guò)渡電阻，Ω；VR為反電動(dòng)勢(shì)，V。

回路電阻主要包括三部分：陽(yáng)極接地電阻、導(dǎo)線電阻和陰極過(guò)渡電阻。陰極保護(hù)回路可以等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的直流串聯(lián)回路，其負(fù)荷即為全回路中的總電阻。在恒電位儀輸出電壓的幾個(gè)影響因素中，導(dǎo)線電阻和反電動(dòng)勢(shì)一般較小，可以視為定值，它們對(duì)恒電位儀輸出電壓的影響有限；而陽(yáng)極接地電阻和管道陰極過(guò)渡電阻對(duì)恒電位儀輸出電壓的影響較大，在整個(gè)系統(tǒng)回路中，陽(yáng)極地床的接地電阻占回路電阻的70%~80%。受干燥土壤介質(zhì)的影響，陽(yáng)極與土壤之間的接觸電阻增加比較明顯，導(dǎo)致陽(yáng)極接地電阻和陰極過(guò)渡電阻增加，從而使恒電位儀的輸出電壓升高。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

01 土壤電阻率

土壤電阻率測(cè)量參照了GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》中土壤電阻率（等距法），采用標(biāo)準(zhǔn)四級(jí)法對(duì)地表、地表下1m和1.5m深度的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明地表土壤電阻率在150Ω·m左右；地表下1m、電極間距1m處土壤電阻率為207~244Ω·m；地表下1.5m、電極間距0.5m處土壤電阻率大于279Ω·m，有些測(cè)量值還超出了儀器的量程。隨著土壤深度的增加，土壤電阻率也隨之增大，庫(kù)區(qū)內(nèi)深層土壤含水量少，較為干燥，土壤電阻率大。

地表土壤電阻率為地表所測(cè)范圍內(nèi)的平均值，如站場(chǎng)位于干旱的戈壁灘，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮土壤電阻率的不均勻性，尤其是在深層土壤電阻率較大的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮因土壤電阻率升高導(dǎo)致系統(tǒng)回路電阻升高的情況。

02 陽(yáng)極所處環(huán)境及其表面形貌

高硅鑄鐵陽(yáng)極采用水平方式安裝，陽(yáng)極周?chē)耐寥篮休^多尺寸為1~5cm的碎石，有的石塊尺寸甚至超過(guò)20cm，碎石增大了陽(yáng)極與土壤之間的空隙，縮小了陽(yáng)極與土壤之間的接觸面積，導(dǎo)致陽(yáng)極與土壤的接觸電阻增大。

該陰極保護(hù)系統(tǒng)采用Φ159 mm×2000 mm的預(yù)包裝的高硅鑄鐵陽(yáng)極。開(kāi)挖出的鋼套管表面已經(jīng)發(fā)生腐蝕，在表層可見(jiàn)厚度為1~2 mm的鐵銹層，如圖3所示。

圖3 高硅鑄鐵陽(yáng)極表面腐蝕形貌

一般情況下，陽(yáng)極的氧化反應(yīng)首先發(fā)生在鋼套管處，即鋼套管首先被腐蝕消耗，形成鐵銹層，在偏堿性土壤環(huán)境中陽(yáng)極鋼套管處發(fā)生的反應(yīng)如下式所示：

2Fe+O2+2H2O → 2Fe（OH）2

2Fe（OH）2繼續(xù)氧化轉(zhuǎn)變成Fe（OH）3，最終脫水轉(zhuǎn)變成鐵銹Fe2O3·xH2O。鋼套管上的最終產(chǎn)物Fe2O3·xH2O是一種疏松多孔的物質(zhì)，在干燥和含有較高硫酸鹽的環(huán)境中，高硅鑄鐵陽(yáng)極表面的保護(hù)膜不易形成或易受到損壞，因此其保護(hù)性能不佳。在干燥環(huán)境中，鐵銹增大了鋼套管與土壤的接觸間隙，導(dǎo)致陽(yáng)極與土壤的接觸電阻增大，尤其當(dāng)陽(yáng)極和焦炭層被鍍鋅鐵皮包覆后，水很難進(jìn)入焦炭層，大大影響焦炭層的導(dǎo)電性能，使陽(yáng)極接地電阻居高不下，對(duì)陰極保護(hù)不利。

同時(shí)在偏堿性的土壤環(huán)境中，陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)大多需要氧參與，該反應(yīng)不產(chǎn)生氣體，但土壤中的氯離子得到電子會(huì)產(chǎn)生氯氣，土壤中產(chǎn)生的氯氣與陽(yáng)極的孔洞并無(wú)關(guān)系，不存在氯氣無(wú)法排除的氣阻現(xiàn)象。陽(yáng)極鋼套管首先腐蝕消耗，說(shuō)明陽(yáng)極內(nèi)焦炭導(dǎo)電性能良好。

03 陽(yáng)極澆水降阻

引起陽(yáng)極接地電阻升高最可能的原因是干燥的地質(zhì)條件和封閉的預(yù)包裝鑄鐵陽(yáng)極。為了改變土壤的干燥程度，控制陽(yáng)極地床的接地電阻，從8月份開(kāi)始對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行澆水降阻，處理后恒電位儀輸出電壓隨時(shí)間關(guān)系如圖4所示。

圖4 澆水處理后CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系

水分與多孔的土壤結(jié)構(gòu)相結(jié)合，多余的水分可以填補(bǔ)土壤孔隙，增強(qiáng)了土壤的導(dǎo)電性，使陰極保護(hù)系統(tǒng)能更好地保護(hù)埋地管道裸露的表面。結(jié)果表明：剛澆水時(shí)，接地電阻明顯降低，這是因?yàn)榻o陽(yáng)極床澆水時(shí)，土壤中的水分得以增加，水分與套管接觸的同時(shí)也降低了陽(yáng)極接觸電阻，保證陽(yáng)極的電流流通；但陽(yáng)極接觸電阻的降低只能保持較短時(shí)間，隨著水分的蒸發(fā)擴(kuò)散，陽(yáng)極與土壤介質(zhì)之間變得干燥，陽(yáng)極接地電阻又會(huì)迅速升高，因此對(duì)淺層地表澆水達(dá)不到持續(xù)降低接地電阻的效果。

在不同的庫(kù)區(qū)，恒電位儀輸出電壓超載的現(xiàn)象并不一樣。當(dāng)陽(yáng)極間隔較小（5~10m）時(shí)，恒電位儀輸出電壓一般不超限，陰極保護(hù)電流輸出較小，單支陽(yáng)極的保護(hù)范圍也較小，陽(yáng)極消耗反應(yīng)對(duì)土壤中水分的需要量較少。當(dāng)陽(yáng)極間隔較大（10~20m）時(shí)，單支陽(yáng)極的保護(hù)范圍較大，恒電位儀的輸出電流也相對(duì)較高，這增加了恒電位儀輸出電壓超限的可能性。

陽(yáng)極和管道的埋設(shè)位置一般位于凍土層以下，庫(kù)區(qū)內(nèi)深層土壤非常干燥，自然降雨僅能濕潤(rùn)淺層地表，表層土壤電阻率變小，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，使部分回路的接地電阻降低，但大多數(shù)回路的接地電阻仍然較高，這也說(shuō)明淺層土壤含水率增加對(duì)凍土線以下陽(yáng)極的接地電阻影響有限。

對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)而言，涂層質(zhì)量的劣化、土壤參數(shù)的改變和輔助陽(yáng)極的埋深和數(shù)量都是影響接地電阻變化的重要因素。土壤參數(shù)隨季節(jié)性降雨而改變，直接影響陽(yáng)極接地電阻。按現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448-2017中“在最大的預(yù)期保護(hù)電流需要量時(shí)，地床的接地電阻上的電壓降應(yīng)小于額定輸出電壓的70%”的要求，及該油庫(kù)所選恒電位儀（50A/75V）運(yùn)行參數(shù)不能超過(guò)52V的限制，降低陽(yáng)極接地電阻時(shí)應(yīng)考慮恒電位儀電壓輸出隨季節(jié)性變化和地質(zhì)環(huán)境變化對(duì)陽(yáng)極接地電阻帶來(lái)的影響。

每套陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝了4個(gè)陽(yáng)極接線箱，每個(gè)陽(yáng)極箱輸出4路，每路包括3個(gè)高硅鑄鐵陽(yáng)極。在未澆水時(shí)和澆水后3天內(nèi)分別測(cè)量CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極接地電阻，可以看出澆水之后回路的陽(yáng)極接地電阻明顯低于未澆水回路的陽(yáng)極接地電阻；未澆水情況下，單支陽(yáng)極的接地電阻最大為882Ω，根據(jù)單支水平陽(yáng)極接地電阻公式反推，埋深2m處土壤電阻率已經(jīng)接近2800Ω·m。

結(jié)論

（1）庫(kù)區(qū)深層土壤較為干燥，土壤電阻率隨土壤深度的變化較為明顯，而庫(kù)區(qū)多碎石的土壤環(huán)境加大了陽(yáng)極與土壤接觸的空隙，減小了陽(yáng)極與土壤的接觸面積，導(dǎo)致陽(yáng)極與土壤介質(zhì)接觸電阻升高。

（2）在設(shè)計(jì)輸油站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，選擇合適的陽(yáng)極類(lèi)型是陰極保護(hù)成功與否的關(guān)鍵因素，對(duì)于土壤電阻率較高的環(huán)境，可以選用受條件影響較小的輔助陽(yáng)極，在采用高硅鑄鐵陽(yáng)極時(shí)，最好選用非預(yù)包裝陽(yáng)極。

（3）在地表淺層對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行澆水，陽(yáng)極接地電阻降低，但降阻僅持續(xù)較短時(shí)間。

（4）由于現(xiàn)場(chǎng)年降雨量低，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，設(shè)計(jì)陽(yáng)極地床時(shí)應(yīng)該考慮深層土壤電阻率過(guò)高導(dǎo)致接地電阻過(guò)大的問(wèn)題，可以采用澆水保濕和非預(yù)包裝陽(yáng)極的方式進(jìn)行降阻處理。

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