已建油气站场新增区域阴极保护项目的设计思路

（中油（新疆）石油工程有限公司设计分公司，新疆  克拉玛依  834000）

摘  要：本文通过对已建油气站场新增区域阴极保护系统项目的特点分析，找到此类项目的设计难点，理清设计思路，有针对性的寻找解决办法，为相关项目设计提供参考。

关键词：区域阴极保护

引 言

长期以来，阴极保护技术在长输管道上的应用非常广泛。而油气站场内区域阴极保护却一直未能引起足够的重视，一般埋地管道仅采用涂层防腐。然而，站场内管道通常管径复杂，弯头、三通较多，使得防腐层很难在工厂预制，基本都采取现场除锈、涂敷的方式，这使得防腐层性能和质量较难控制，造成管道防腐层完整性较差。近年来，许多运行多年的站场埋地管道防腐层逐步老化，相继出现埋地管道腐蚀穿孔的事故，造成油气泄漏，成为安全生产的隐患。因此，施加区域阴极保护成为弥补防腐层完整性的重要手段。

防腐层与阴极保护的联合保护是目前公认最有效的防腐方式。防腐层为管道主要防腐方式，阴极保护为防腐层缺陷处提供电化学保护。

1. 已建站场新增阴极保护系统的难点

目前，新建的油气站场通常在设计时就规划了站内埋地管道的区域阴极保护，阴极保护与管道同时设计，同时施工，同时调试，这样大大的降低了阴极保护设计施工的难度。

而对于已建站场，在新增阴极保护系统的设计和施工存在较大的难度，基本体现在以下几点。

（1）多数已建油气站场通常由于站场面积，工艺区集中等各种方面原因，将大量的埋地金属构筑物较为集中的设置在一起。这样就造成站内局部埋地金属构筑物相对复杂。需要选择合适的阳极材料，地床形式，在满足阴极保护系统需要的同时，对附近的埋地金属构筑物不产生或少产生干扰影响。这在设计上难度较大。

（2）站场内通常建设有静电接地、防雷接地等接地系统。这些接地系统经常与站内埋地管道连接，无法分离。而接地系统的埋地金属通常没有防腐层覆盖，造成站内埋地管道的阴极保护系统阴极电流直接通过接地极流失，无法对埋地管道形成有效保护。

（3）由于站场已经建设完毕，埋地金属构筑物位置、数量都无法改变，有时，在站场内根本无法找到设置阳极地床的位置。同时，很多站场都存在分期施工，不断改造的情况，埋地金属构筑物的数量位置都发生变化，前期资料收集困难，使得设计和施工的难度都大大增加了。

（4）部分已建油气站场经过多年的运行，埋地管道的防腐层或多或少已经出现了老化破损的迹象。如果不在进行区域阴极保护之前将防腐层修补，仅仅针对目前的状况进行设计，一方面需要较大容量的电源设备，另一方面，随着防腐层的逐渐老化，所需的保护电流会逐步增大，最终使得阴极保护系统无法满足需要，增加新的设备，陷入恶性循环。

2. 已建站场新增阴极保护系统的处理方法

针对上节所提到的种种问题，对已建的油气站场，在新增阴极保护系统的过程中，应该从以下的几方面入手考虑。

2.1   管道外防腐层维修

在进行阴极保护设计时，首先应该考虑是否对站内埋地管道防腐层进行维修。在防腐层与阴极保护系统组成的防腐体系中，防腐层是主要的防腐手段，阴极保护是为防腐层缺陷处提供弥补的措施。如果防腐层质量很好，完全没有漏电，那么理论上是不需要进行阴极保护的。然而，由于上文所论述的情况，埋地管道，尤其是站场埋地管道防腐层质量不可能完全没有缺陷，所以阴极保护是不可缺少的保护措施。但是应该对谁是主要手段谁是辅助手段有清楚的认识，不能喧宾夺主。纯粹的阴极保护只出现在极少数极端情况，大部分情况仍然应该以防腐层作为埋地管道腐蚀控制的首要手段。保证完好的防腐层可以大大降低阴极保护电流，降低能耗，延长保护周期。

2.2  选择合适的阴极保护方式

常见的阴极保护方式主要有牺牲阳极法和强制电流法，这两种方法主要是对被保护体提供电流的方式不同，在实际应用中，各有各的特点，具体见表1。

表 1 阴极保护方法的优缺点

牺牲阳极阴极保护方式投资较小，对于较为简单的分输站，通常站内埋地管道数量较小，埋地构筑物也不多，直接采用牺牲阳极阴极保护方式就足以使埋地管道达到保护效果。不需要设置更为复杂的阴极保护装置。而一些老站场由于埋地管道防腐层状况已经很差，而牺牲阳极对防腐层完整性的要求又较高，这种情况下，若采用牺牲阳极阴极保护方式，就不太合适了。

强制电流阴极保护投资虽然比较大，但是对防腐层完整性不好的管道依然能够保证很好的保护效果。目前自动化发展的趋势，也已经使强制电流阴极保护方式的后期维护工作大大减轻了，对于站场更不存在电源问题，因此，强制电流阴极保护方式更适合较大规模的油气集输站场，在不进行防腐层修复的情况下也可以保证良好的保护效果。这样的站场，通常埋地管道较多，需要的阴极保护电流较大，若采用牺牲阳极阴极保护方式，埋设阳极数量较多，复杂管网的屏蔽作用会导致管网局部无法达到保护。

2.3   选择合适的阳极地床形式

强制电流阴极保护法通常需要选择合适的辅助阳极地床，以达到良好的阴极保护效果。辅助阳极地床的作用是将直流电源输出的直流电流由介质传递到被保护的金属结构上。适当的阳极地床形式往往能使阴极保护电流分布的更均匀，阴极保护效果更好。区域阴极保护常见的阳极地床形式主要有深井阳极、浅埋阳极及柔性阳极，它们的特点见表2。

表2  常用强制电流阴极保护方式优缺点

浅埋阳极为了保证使用寿命和接地电阻，占地面积较大，一般站内很难保证安装空间。为了使保护电流分布的更加均匀，需要将阳极地床与被保护管道间拉开足够的距离。使用深井阳极可以很好的解决浅埋阳极的问题，由于其在纵向保持了阳极与被保护管道的距离，电流分布更趋均匀，一定程度上也减轻了屏蔽造成的问题。浅埋阳极和深井阳极都存在对地床附近埋地金属构筑物的干扰，可能造成这些金属构筑物的腐蚀。近几年，柔性阳极在站场区域阴极保护项目中大量使用。一方面柔性阳极的敷设是与管道同沟敷设，很方便同防腐层大修的工程结合，同时施工，节省施工费用，保证施工效果。另一方面，由于柔性阳极与管道距离较近，可以将对其他埋地金属构筑物的干扰降低到最低程度。除此之外，柔性阳极与管道同长，保持固定间距，这样阴极保护电流可以分布的更加均匀。

在实际应用中，阳极地床的形式选择是非常重要的，每个站场都是不同的，应该根据不同的站场情况，选择不同的阳极地床形式。有时候，将不同的阳极地床结合使用更能在达到保护效果的同时，在经济上节省投资。

2.4  有效的电绝缘

区域阴极保护的实施，离不开有效的电绝缘。区域阴极保护的埋地管道通常是一个系统的某一部分，如果不能将被保护埋地管道与其他埋地金属构筑物有效的绝缘隔开，大量的阴极保护电流就会因为没有采取预防措施而损失掉。可以说，没有电绝缘即使被保护埋地管道有很好的涂层，这样的阴极保护系统也不可能是经济的或切合实际的。

常见与区域阴极保护的埋地管道连接的埋地金属构筑物有管道、套管、接地系统等。绝缘的方式可以根据实际情况而定，通常区域阴极保护的埋地管道与其他工艺管道的绝缘可以通过绝缘法兰、绝缘接头等管件实现。套管的绝缘可以采用绝缘之城等工具实现。交叉管段可以通过增设绝缘垫层实现。对于一些大型站场，接地系统与埋地管道连接，在实施区域阴极保护的时候，大量的电流通过接地系统流失，使得埋地管道根本无法达到有效保护。这种时候可以在标准规范允许的情况下，对接地系统进行改造，将埋地管道与接地系统充分分隔开来，还可以通过对连接处安装去耦合器来实现接地系统与埋地管道的绝缘。

2.5   转换思路

在实际项目中，有些站场增设区域阴极保护系统的设计、施工难度都很大，可以考虑将原埋地管道改为管沟敷设、或地面敷设，这样既能达到保护效果，也便于今后的维护。

在国外，油气站场管道大多采用地面敷设的方式。国内站场管道埋地敷设的主要原因通常是为了节省保温或美观。然而，站场管道有它特殊的地方，通常站场内管道集中度很高，埋地敷设造成的结果是一旦维修，施工难度非常大。由此而造成的投资，远比节省下来的保温费用要大得多。而美观问题，站场管道埋地确实使得整个站场整洁美观，但是由于维修改造等问题，经常导致站场频繁开挖，站内地坪反而会变成一块一块的补丁。而且，土壤中的腐蚀环境相对于空气要严重得多，在防腐方面，埋地管道的防腐远比地面管道的防腐要复杂得多。从实际效果上看，不考虑其他因素，站场内的管道采用地面敷设的方式更合理一些。

当然，对管道敷设方式的改变可能投资、施工等难度更大，但如果埋地管道的腐蚀状况非常严重，这也是一个解决问题的办法。

3. 结论

已建站场新增区域阴极保护项目一般都是改造项目，每个项目都有各自的特点，有的站场埋地管网复杂、有的站场土壤电阻率大。在设计中，要根据不同的情况，选择合适的阴极保护方式、适当的阳极地床形式、有效的绝缘装置。综合考虑施工难度和经济投资，充分的发挥设计人员的聪明才智，设计合理的有针对性的，区域阴极保护方案。

参考文献：

[1]  NACE SP0286-2007《阴极保护管路的电绝缘》；

[2] 《阴极保护工程手册》；

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>