趙康

西部管道蘭州輸氣分公司

 

摘要：采用BEASY軟件，耦合有限元和邊界元的計算方法，建立了站場區域陰極保護系統（區域陰保）和接地系統模型。完成了不同類型接地系統、不同接地系統材料對區域陰保效果影響的數值模擬計算，結合解析方法分析了各個因素對區域陰保系統的影響規律。結果表明電正性接地極材料會大大加速附近埋地管道的腐蝕速率，造成區域陰極保護無法達標，因此應避免采用；同時近地床的優化分布相對于遠地床形式能更好地消除由接地系統造成的屏蔽區。

關鍵詞：接地系統；數值模擬；區域陰保；站場

  

區域陰極保護技術作為防止站場內埋地金屬設施腐蝕的一種有效措施，已被普遍使用，并取得了很好的保護效果[1]。相對于長輸干線的陰保系統而言，區域陰保具有以下特點：保護對象繁多，陰保電流需求大；地下金屬結構復雜，干擾和屏蔽問題突出；陽極地床設計難度大；安全要求高[2]；影響主要來自站場內聯合接地和日益龐大的接地系統。

站場內接地網的存在，不僅加大了陰極保護電流需求量，還帶來了嚴重的屏蔽與干擾問題，極大地影響了區域陰保效果和系統長期穩定運行。通過陰保電流分布方式的數值模擬計算，研究確定不同類型接地系統、不同接地系統材料對陰保效果的影響規律，對制定埋地管道與接地網設計布置優化方案具有重要意義。

1  數值模擬

1.1  幾何模型建立

調研并收集西部地區某站場內所有埋地構件的幾何尺寸、分布位置、表面狀況，以及土壤電阻率分布等基本信息，根據現場勘測與圖檔資料對比，確定管網與接地網的位置和幾何尺寸，建立區域陰保數值模擬計算幾何模型。

1.2  邊界條件

本數值模擬中涉及輔助陽極、接地系統和管網等結構的邊界條件。其中，輔助陽極采用恒電流邊界條件，即陽極輸出電流/陽極表面積；接地系統和管網均采用極化邊界條件。

（1）土壤電阻率。土壤電阻率是陰極保護建模中的重要參數，采用溫納四電極交流電法測量站場土壤電阻率為80 Ω·m。

（2）極化曲線。測試低碳鋼（扁鐵）、低電阻模塊（碳）、鋅接地（鋅包鋼）、銅接地在該站場土壤環境的極化曲線，獲得管道和接地網邊界條件，如圖 1所示。

圖 1 管道與不同接地材料在土壤中的極化曲線

2  計算結果與分析

2.1  無陰極保護時垂直接地極材料對管道電位和腐蝕速率的影響

由于垂直接地極全裸暴露于土壤中，與管道電連接，垂直接地極材料將影響管道的腐蝕行為。當垂直接地極材料的自然電位相對于管道自然電位正時，垂直接地極將作為陰極，管道成為陽極，管道面臨很大風險腐蝕。

垂直接地極有26支，水平接地體采用低碳鋼（扁鐵）材料。不同材料的垂直接地極對埋地金屬結構電位和腐蝕的影響如表 1所示。可以看出，垂直接地極選用低電阻模塊和銅接地材料時，會對附近管道造成嚴重的腐蝕；垂直接地極和水平接地體均采用低碳鋼（扁鐵）材料時，電位未發生偏移，管道發生自腐蝕。

表 1 垂直接地極材料對管道電位和管道腐蝕的影響

2.2  有陰極保護時接地對陰極保護效果的影響規律

（1）低電阻模塊垂直接地極對陰極保護效果的影響

陰極保護系統能夠有效保護管網不受腐蝕。但當垂直接地極材料自然電位正于管道的自然電位時，接地系統將對陰極保護系統造成影響。

①遠陽極地床。設置4組遠陽極地床，每組1支，長1 m，埋深1 m，距離管道15 m，計算結果如圖 2所示。地床總輸出電流為20 A，附近沒有接地網的管道處于過保護；由于一部分陰極保護電流流入接地系統，其他管道處于欠保護，說明存在低電阻模塊接地極時，遠陽極地床形式很難實現站場內埋地管網各處達到理想的保護效果。

圖 2 遠陽極地床管道電位分布云圖

②近陽極地床。近陽極地床分為3組，每組2支，長1 m，埋深1 m，距離管道2 m時，總輸出電流3 A，計算結果如圖 3所示。可以發現，當陽極地床靠近管道時，管道的電位均勻性得到改善，但由于部分陽極地床接近接地網，導致陰保電流流入接地系統，管道出現欠保護和過保護。

圖 3 近陽極地床管道電位分布云圖

近陽極地床最終優化方案如圖 4所示，需要陽極地床4組，每組3支，長1 m，埋深1 m，距離管道1 m，總輸出電流2.4 A，所有管道都在陰極保護準則要求的范圍內，達到良好的保護效果。說明通過近陽極地床的優化分布，可以實現站場埋地管網各處達到理想的保護效果。

圖 4 近陽極地床優化后管道電位分布云圖

綜上所述，站場區域陰極保護中，由于受到接地網的影響，若使用遠陽極地床形式，接地網會對陰極保護電流產生屏蔽效應，造成管道存在欠保護區域，僅通過遠陽極形式難以消除；而近陽極的優化分布能夠減少接地網對管道的干擾，通過優化設計能夠實現埋地管道各處達到理想的保護效果。

（2）鋅包鋼接地極對陰極保護效果的影響

當垂直接地極采用自然電位較負的鋅包鋼材料時，即使沒有陰極保護，接地本身就可以作為犧牲陽極為管道提供一定的保護，但保護范圍和鋅包鋼使用的量有關系，且如果接地網全部換成鋅材料還面臨消耗及成本問題。

①陰極保護電位正于鋅包鋼自然電位。水平接地體為低碳鋼時，只需陰極保護電流輸出1.6 A，管道陰極保護電位處于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保護，如圖 5所示。

圖 5 保護電流輸出1.6 A時低碳鋼水平接地體管道電位分布云圖

同樣，當水平接地體也為鋅包鋼時，陰極保護系統不輸出電流，管道陰極保護電位處于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保護。

②陰極保護電位負于鋅包鋼自然電位。當水平接地體為低碳鋼時，控制陰極保護電位負于﹣1.15 VCSE，陰極保護系統需輸出電流4.8 A達到原輸出電流的3倍，鋅包鋼會吸收陰極保護系統電流，顯著增加陰極保護系統的負擔。管道電位分布云如圖 6所示。

圖 6 保護電流輸出4.8 A時低碳鋼水平接地體管道電位分布云圖

當水平接地體為鋅包鋼時，控制陰極保護電位負于﹣1.15 VCSE時，此時陰極保護系統由不輸出電流變為需輸出電流2.75 A才能達到保護要求，鋅包鋼將對陰極保護電流造成影響，如圖 7所示。

圖 7 鋅包鋼垂直接地極、鋅包鋼水平接地體管道電位分布云圖

當接地網采用鋅包鋼材料，控制陰極保護系統電位低于鋅包鋼自然電位時，只需少量陰極保護電流或者不施加電流，管道即可受到保護；但當陰極保護系統電位負于鋅包鋼電位后，鋅包鋼會吸收電流，造成陰保系統輸出電流增加；通過調正控制電位和優化陽極地床位置可以減少鋅包鋼對陰極保護電流的影響。

3  結論

（1）垂直接地極材料對管道腐蝕速率有較大的影響，當其為低電阻模塊（碳）或銅時，大大加速管道腐蝕，同時對附近管道無法達到理想的保護效果。當其為低碳鋼（扁鐵）時，管道電位未發生偏移，不會引起管道電偶腐蝕，管道為自腐蝕；而用鋅包鋼材料將會使管道電位負移，管道受到保護。

（2）站場區域陰極保護中，遠陽極地床無法消除密集管網與接地影響造成的電流屏蔽，通過近陽極地床的優化分布可以消除電流屏蔽影響，使各個區域達到理想的保護效果。

（3）當接地網采用鋅包鋼材料時，其自然電位負于管道的自然電位。若控制陰極保護系統的電位低于鋅包鋼自然電位時，只需要少量陰極保護電流或者不施加電流，管道即可受到保護；但當陰極保護系統的控制電位負于鋅包鋼自然電位后，鋅包鋼會吸收電流，造成陰保系統輸出電流增加；通過調正控制電位和優化陽極地床位置可以減少鋅包鋼對陰極保護電流的影響。

 

參考文獻：

[1]趙常英.輸油站場區域陰極保護[J].石油工程建設，2010，36(5)：48-50.

[2]吳廣春，杜艷霞，路民旭，姜子濤，唐德志.接地系統對區域陰極保護影響規律及解決措施研究現狀[J].腐蝕與防護，2014，35(11)：1065-1068+1097.

作者簡介：趙康，1987年生，高級工程師，蘭州輸氣分公司常務副經理，主要從事管道完整性管理工作。聯系方式：0931-4529219，zhaokang@pipechina.com.cn。