作者 鄭安升 中國石油天然氣管道工程公司主任
一、 區(qū)域陰極保護(hù)的意義
30多年來，隨著越來越多的石油和天然氣管道工程的建設(shè)，人們對長輸管道的腐蝕控制已經(jīng)得到了足夠的重視，管道腐蝕泄露事故越來越少；然而，由于對站場地下管道的腐蝕防護(hù)缺乏重視，輸油氣站場內(nèi)配管系統(tǒng)腐蝕的事例卻不斷地發(fā)生，已經(jīng)越來越引起大家的關(guān)注，對輸油氣管道站場實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)的呼聲越來越高，將區(qū)域陰保納入站場腐蝕防護(hù)工作中已成為必須。
多年來站場內(nèi)部埋地管網(wǎng)的腐蝕破壞事故不斷的發(fā)生，如忠 武輸氣管線站場在擴(kuò)建開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)，站內(nèi)管線防腐層脫落嚴(yán)重，又沒有陰極保護(hù)措施，造成了較為嚴(yán)重的腐蝕；07年初在西氣東輸輪南首站以及陜京輸氣管道站內(nèi)開挖過程中，也同樣發(fā)現(xiàn)防腐層破損嚴(yán)重，使管道遭受了腐蝕；另外，早些年在阿 賽線、濮--臨復(fù)線 輸油管道上，也都出現(xiàn)過站內(nèi)埋地管道腐蝕泄漏的報(bào)導(dǎo)。所有這些站內(nèi)管道被腐蝕的實(shí)例，都在迫切地督促著人們盡快采取必要的防護(hù)措施，改善和綜合治理由于站內(nèi)管網(wǎng)缺乏保護(hù)正在遭受著的腐蝕侵害。由于站內(nèi)設(shè)備、儀表設(shè)施以及人員相對比較集中，站內(nèi)腐蝕泄露的危害要比干線嚴(yán)重的多。
正因?yàn)槿绱耍緝?nèi)腐蝕在國外油氣儲運(yùn)工程中一直都很重視，美國腐蝕工程師協(xié)會NACE要求站內(nèi)管道必須采取陰極保護(hù)。中石油最近十多年來也陸續(xù)在許多管道工程中,如忠武線、庫鄯線、黃島首站、太陽升和林源等泵站、鄯烏線，陜京輸氣管道、以及廣東LNG等諸多工程的工藝站場實(shí)施了區(qū)域陰極保護(hù)，取得了一定的效果。一些管道項(xiàng)目如西一線、西部原油成油管道等都正在實(shí)施增設(shè)區(qū)域陰極保護(hù)。
忠武管道站內(nèi)腐蝕現(xiàn)場
二、 技術(shù)發(fā)展回顧
國內(nèi)長輸管道行業(yè)區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)始于上世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)的管道勘察設(shè)計(jì)院在管道局所屬的東營首站首次嘗試進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)，陰極保護(hù)采用的是深井陽極，保護(hù)站內(nèi)庫區(qū)與地下管網(wǎng)，現(xiàn)場采取不斷調(diào)試通電點(diǎn)方式，由于當(dāng)時(shí)庫區(qū)地下金屬管網(wǎng)與其它金屬構(gòu)筑物較多，而且分布情況不明，除臨近地床附近的一些區(qū)域達(dá)到-0.85的保護(hù)要求外，許多管道因相互屏蔽而沒達(dá)到-0.85V的保護(hù)電位；90年代初，管道局所屬的東北輸油局又在林源和太陽升泵站實(shí)施了區(qū)域陰極保護(hù)，保護(hù)方式采用強(qiáng)制電流法，陽極地床采用站外周邊水平淺埋陽極組方式，這兩個(gè)站的設(shè)計(jì)和實(shí)施由泵站管理單位完成，由于輸油泵站區(qū)域較大，地下管網(wǎng)較多，管道電絕緣幾乎沒有實(shí)施，因此，這兩個(gè)站的區(qū)域陰保除靠近陽極地床的區(qū)域配管外，相當(dāng)一部分由于地下管道的相互電屏蔽而沒有達(dá)到保護(hù)電位，普遍在-0.75-0.8V C.S.E。
進(jìn)入新世紀(jì)初，區(qū)域陰極保護(hù)進(jìn)入全面嘗試應(yīng)用階段。2001年11月，管道公司在所屬的鄯烏線對沿線所有工藝站場實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)，這次陰極保護(hù)的實(shí)施，充分總結(jié)了以前的經(jīng)驗(yàn)，先后對鄯善首站、烏石化末站、新化分輸站、城市站等所有站場進(jìn)行區(qū)域保護(hù)，保護(hù)采用深井陽極與淺埋陽極相結(jié)合分散布置的方式，以深井陽極為主，淺埋陽極為輔，深井陽極安裝于站外，淺埋陽極靠近被保護(hù)管道，以降低屏蔽和干擾。同時(shí)對站內(nèi)接地系統(tǒng)進(jìn)行改造，將原來的角鋼接地改為鋅合金。工程實(shí)施后，進(jìn)行電位實(shí)測，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)。陜京線也先后在采育、永清、通州等站實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)；西氣東輸也陸續(xù)在 直和古浪開展了區(qū)域陰保研究； CPE西南分公司也在永唐秦輸氣管道站場中實(shí)施了深井陽極地床區(qū)域陰極保。 在國內(nèi)工程不斷進(jìn)行區(qū)域陰保實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，管道局也先后在科威特、俄羅斯西伯利亞 太平洋等管道工程中實(shí)施區(qū)域陰保，同時(shí)我們也在不斷與我們的國際合作伙伴如美國克羅尼爾、MACTOR、英國CP、德國SSS等專業(yè)公司廣泛合作，對國外的區(qū)域陰保也有比較多的了解和掌握。
三、 區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)特點(diǎn)
多年來，長輸管道工程設(shè)計(jì)中，區(qū)域性陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和實(shí)施之所以沒有很好地全面開展，與其保護(hù)對象的多樣性、影響因素的多重性以及現(xiàn)場條件制約的多方性有很大關(guān)系。通常來說，區(qū)域陰保具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
保護(hù)對象復(fù)雜性，站內(nèi)區(qū)域性陰極保護(hù)是復(fù)雜的系統(tǒng)，通常包括站內(nèi)埋地工藝管網(wǎng)、站內(nèi)消防管線、排污管線、放空管線、熱力管網(wǎng)等，這與站外單一干線管道的保護(hù)完全不同，相互制約和影響因很多，需要系統(tǒng)地統(tǒng)籌考慮。
影響因素差異性，站內(nèi)管道本身具有防腐層差異、管徑差異、敷設(shè)方式差異、介質(zhì)溫度差異、材質(zhì)差異、鄰近或交叉分布差異以及地質(zhì)環(huán)境差異等，這些差異反應(yīng)在陰極保護(hù)電場分布方面，直接影響著陰極保護(hù)電位的分布。 區(qū)域保護(hù)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)這些不同客觀條件，采取適當(dāng)調(diào)節(jié)措施，有效地均衡各區(qū)段管道的保護(hù)電位，根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同區(qū)域保護(hù)電流的合理分配，才能保證整體系統(tǒng)處于預(yù)期的保護(hù)狀況。
外界條件限制多樣性，外界影響最嚴(yán)重、最直接的就是站場各種電接地系統(tǒng)，在常規(guī)站場電力接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往采用整體聯(lián)合接地網(wǎng)形式，將防雷擊接地、工作接地、安全接和防靜電接地做成一個(gè)整體，使得需要保護(hù)的管段與不需要保護(hù)的設(shè)施連為一體，會造成保護(hù)電流的大量意外流失，限制著保護(hù)電流的合理流動(dòng)，嚴(yán)重影響著防腐保護(hù)應(yīng)有的保護(hù)效果。
--必要絕緣設(shè)施的安裝限制，站場區(qū)域性陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要設(shè)置必要的絕緣隔離設(shè)施，但在裝置區(qū)內(nèi)安裝絕緣接頭因數(shù)量較多、安裝空間有限等原因顯得很不現(xiàn)實(shí)，造成一定的陰極保護(hù)電流流失。
--調(diào)試與檢測，如上所述，站場區(qū)域性陰極保護(hù)的實(shí)施受到許多制約影響，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)并合理分配保護(hù)電流，實(shí)際操作中保護(hù)電流的調(diào)配以及保護(hù)電位的均衡并不是十分容易取得理想效果的，有時(shí)會顧此失彼；
這些因素都是區(qū)域陰保難以成功實(shí)施原因。
四、傳統(tǒng)輔助陽極地床
國內(nèi)近30年區(qū)域陰極保護(hù)經(jīng)驗(yàn)證明，站場區(qū)域陰極保護(hù)能否成功，陽極地床方式和位置至關(guān)重要，這是我們十多項(xiàng)區(qū)域陰保工程的最深刻感受，可以說是區(qū)域陰保能否成功的關(guān)鍵。如果地床方式或位置分布選擇不當(dāng)，將會對保護(hù)范圍以外的干線管道和鄰近金屬構(gòu)筑物形成不良的干擾影響，并且，存在對于管網(wǎng)密集的地方因屏蔽而達(dá)不到保護(hù)而其它區(qū)域卻產(chǎn)生了過保護(hù)問題。
傳統(tǒng)的區(qū)域陰極保護(hù)輔助陽極地床形式主要有淺埋、深井陽極等形式。
1 淺埋陽極地床, 淺埋陽極地床是指一支或多支陽極垂直（或水平）安裝于地下15米以內(nèi)的土壤中，以提供陰極保護(hù)的陽極地床。這種陽極地床適合保護(hù)幾何形狀單一的構(gòu)筑物，如單一長輸管線。分布式淺埋陽極地床也可用于站場區(qū)域陰極保護(hù)。
2 深井陽極地床 深井陽極地床是指在地下深層井孔中（通常井深大于15米）垂直安裝一支或多支陽極的地床形式，多用于地表土壤電阻率高或空間狹小、無法滿足淺埋陽極地床安裝空間及所需的陽極接地電阻要求的環(huán)境條件下。深井陽極地床方式對地質(zhì)條件、地下水位、地下地層土壤電阻率等因素要求苛刻，另外深井陽極方式存在著施工設(shè)施龐大、施工復(fù)雜、鉆井配套設(shè)施復(fù)雜、工程費(fèi)用較高、鉆井失敗的風(fēng)險(xiǎn)較大等許多不利因素。
五、柔性陽極技術(shù)
柔性陽極是目前國外區(qū)域陰極保護(hù)中普遍采用的陽極材料。柔性陽極是一種柔軟、長線形的輔助陽極，在外面包覆碳粉填料制成的纜形陽極。它包括導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物、以及和鉑鈮合金三種。導(dǎo)電聚合物陽極為早期的第一代柔性陽極，MMO柔性陽極為第二代產(chǎn)品。
兩種陽極外形相似，使用目的和方式相同，但結(jié)構(gòu)上有著本質(zhì)的差別。目前國際上正在廣泛使用的是MMO柔性陽極。相對于傳統(tǒng)的深井陽極與分布式陽極，柔性陽極具有如下優(yōu)點(diǎn)：
--輸出電流分布均勻，即使管道防腐層破損嚴(yán)重，甚至裸管，也能提供足夠的保護(hù)電流；
--保護(hù)電位分布均勻，避免了管道保護(hù)中過保護(hù)和保護(hù)不足的問題；
--針對性強(qiáng)，對其他金屬構(gòu)筑物干擾影響很小；
--適用于不同土壤電阻率的土壤環(huán)境；
--保護(hù)管網(wǎng)，可以弱化電絕緣條件要求；
--能夠有效解決復(fù)雜管網(wǎng)區(qū)域內(nèi)屏蔽和相互干擾；
--與站內(nèi)工藝管道同時(shí)施工，同溝敷設(shè)，便于安裝，可根據(jù)現(xiàn)場需要截取任意長度；
--不影響以后站場改、擴(kuò)建，以及站場改擴(kuò)建后的相應(yīng)區(qū)域陰極保護(hù)擴(kuò)容。
可以說，柔性陽極開發(fā)的目的就是用來解決傳統(tǒng)陰極保護(hù)難題的，尤其用來解決陰極保護(hù)中因屏蔽而造成保護(hù)不足和過保護(hù)同時(shí)存在的難題，以及對外界金屬構(gòu)筑物特別是對干線管道的干擾問題。因此，一經(jīng)面世，該陽極即廣泛用于站場管網(wǎng)及附屬金屬構(gòu)筑物保護(hù)，包括大型儲罐底板的陰極保護(hù)。
柔性陽極在國內(nèi)外的應(yīng)用
柔性陽極在美國廣泛應(yīng)用于石油金屬設(shè)施的保護(hù)、電廠地下金屬配管和構(gòu)筑物的保護(hù)、船舶碼頭的保護(hù)等等，即使是美國水務(wù)協(xié)會AWWA也聽從了美國腐蝕工程師協(xié)會NCAE的建議在城市供水管網(wǎng)上大量采用柔性陽極進(jìn)行保護(hù)，1999年，中石油曾組團(tuán)到歐洲考察管道建設(shè)，發(fā)現(xiàn)歐洲的許多管道如Zeepipe、Asgard、Europipe1、Europipe、Norfra等管道的陰極保護(hù)也廣泛采用了柔性陽極技術(shù)。
在由管道局承建、俄羅斯人設(shè)計(jì)的俄羅斯西伯利亞 太平洋管道站場區(qū)域陰極保護(hù)工程中采用的也是柔性陽極。今年8月份，北京中俄管道項(xiàng)目部轉(zhuǎn)來一份中俄管道俄羅斯境內(nèi)管段的設(shè)計(jì)文件，俄羅斯人在該管道上仍然采用的是柔性陽極保護(hù)。歐盟規(guī)范也建議采用柔性陽極進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)。
下圖為柔性陽極與傳統(tǒng)的深井陽極和分布式淺埋陽極的特點(diǎn)對比，圖中紅、黑、白三條曲線分別代表柔性陽極、分布式陽極以及深井陽極等保護(hù)系統(tǒng)在管采用柔線上的電位分布形態(tài)。柔性陽極電位分布為-0.9-- -1.0V；分布式陽極電位分布為-0.79-- -1.3V；深井陽極保護(hù)情況下的電位分布為-0.7V-- -1.6V。不難看出，柔性陽極的電位分布最為均衡，能很好地避免保護(hù)不足和過保護(hù)的問題，過保護(hù)對管道防腐層和管道材質(zhì)，尤其是對X80鋼的危害不容忽視。
從上表可以看出，柔性陽極區(qū)域陰極保護(hù)的保護(hù)參數(shù)非常理想，不存在保護(hù)不足和過保護(hù)的問題。也沒有對干線管道造成雜散電流干擾。
由于柔性陽極技術(shù)在區(qū)域陰極保護(hù)中獨(dú)特的優(yōu)勢，目前西二線、陜京三線、蘭鄭長、獨(dú)烏鄯原油管道等站場陰極保護(hù)中全面采用了柔性陽極。
目前西氣東輸公司也開始在不少站場大修工程中采用柔性陽極技術(shù)。
根據(jù)我們所了解的國外信息，以及國內(nèi)外工程反復(fù)實(shí)踐檢驗(yàn)，區(qū)域陰極保護(hù)中最不恰當(dāng)?shù)牡卮卜绞骄褪沁h(yuǎn)陽極地床。這一點(diǎn)，美國著名的管道腐蝕控制專家A.W.Peabody 在他的專著《Control of Pipeline Corrosion》第二版“Shielding in Congested Areas”一節(jié)已經(jīng)說明的非常明白，他在談到對工藝站場區(qū)域保護(hù)時(shí)指出密集區(qū)的屏蔽作用是個(gè)難題，使用遠(yuǎn)地床陰極保護(hù)系統(tǒng)是不起作用的。
更多內(nèi)容，參見資料下載頻道
長輸管道站場區(qū)域陰極保護(hù)。
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