蘇丹油田站場鋼管樁陰極保護狀況分析及改進

袁振昆，徐金獻，高光軍

（中國石油工程建設(shè)公司蘇丹分公司，北京 100011）

蘇丹油田站場鋼管樁陰極保護狀況分析及改進

袁振昆，徐金獻，高光軍

（中國石油工程建設(shè)公司蘇丹分公司，北京 100011）

對蘇丹油田站場鋼管樁陰極保護系統(tǒng)存在的問題進行了分析，并根據(jù)站場鋼管樁陰極保護特點，結(jié)合蘇丹油田土壤狀況對鋼管樁陰極保護提出了改進意見，包括陽極回路加裝可調(diào)電阻、陽極焦炭包覆層采用透水性較好的非絕緣材料、將陽極埋地方式改為深井陽極地床、采用瞬間電位法判定陰極保護效果、對陽極進行灌水處理。改進后的鋼管樁陰極保護效果良好。

鋼管樁；陰極保護；陽極接地電阻；深井陽極地床

0 引言

蘇丹目前的主要油田位于蘇丹南部 （2011年7月9日，南蘇丹獨立后，部分油田位于南蘇丹境內(nèi)）。油田所處地區(qū)氣溫偏高 （年最高氣溫達48℃），旱季、雨季分明，一年中有6～7個月為旱季，6月到10月為雨季，其中7、8月份雨量最大。

蘇丹某油田站場于2004年底開始建設(shè)，2005年投產(chǎn)運行。該站場鋼管樁陰極保護系統(tǒng)在進行調(diào)試和投產(chǎn)運行時，存在部分樁管達不到陰極保護要求的情況，為此根據(jù)當(dāng)時該站場陰極保護系統(tǒng)情況和調(diào)試投產(chǎn)時當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件，對該站場陰極保護系統(tǒng)進行局部調(diào)整，最終達到要求。

1 陰極保護系統(tǒng)存在問題的分析及改進

蘇丹某油田站場鋼管樁采用強制電流陰極保護方法，設(shè)計R01、R02和R03三套陰極保護系統(tǒng)，分別用于保護動力區(qū)設(shè)施鋼管樁、公用設(shè)施區(qū)鋼管樁和庫房區(qū)鋼管樁 （見圖1）。其中RO1和R02系統(tǒng)有6組陽極組，R03系統(tǒng)有3組陽極組。

1.1 陽極回路設(shè)計分析及改進

該站場陰極保護系統(tǒng)設(shè)計，采用一套陰極保護系統(tǒng)多個陽極回路分布方式 （見圖1），而且每個陽極回路陽極數(shù)量不等。由于每一個陽極回路陽極數(shù)量不等、每一根陽極周圍狀況不同，造成每一個陽極回路的陰極保護輸出電流不同 （見表1）。導(dǎo)致陰極保護電流分配非常不均勻，投產(chǎn)時部分樁管陰極保護達不到要求或不理想。

陰極保護系統(tǒng)投產(chǎn)時，正值當(dāng)?shù)睾导?，土壤非常干燥，土壤電阻率高，為此對陽極進行了灌水處理，以降低陽極接地電阻，提高陰極保護電流輸出，改善陰極保護效果。

表1系統(tǒng)陽極組電流輸出測試結(jié)果

另外，建議鋼管樁陰極保護設(shè)計中在每一個陽極回路中加裝可調(diào)電阻，分別對每個陽極回路的電流輸出進行控制，以保證陰極保護的均勻性。也可以采用多臺小整流器，每個小整流器設(shè)1個或2個陽極回路，增加現(xiàn)場操作的靈活性，確保鋼管樁的陰極保護效果。

1.2 陰極保護電位測試方法分析及改進

一般情況下，對鋼管樁陰極保護效果的判定采用測量鋼管樁陰極保護電位的方法，當(dāng)鋼管樁陰極保護電位≤-0.85 V（相對于銅/飽和硫酸銅參比電極）時，鋼管樁達到陰極保護要求。該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用前提是，在陰極保護電位測量時，參比電極距離被保護體相當(dāng)近，測量中的IR降可以忽略。

陰極保護電位測量等效電路見圖2。

表2 動力區(qū)陰極保護系統(tǒng) （R01）測試結(jié)果

從圖2可以看出：Ep=Vm-Ve，其中Ve=Icp×Rsoil（IR降），土壤中的陰極保護電流Icp和土壤電阻Rsoil將大大影響陰極保護電位測量結(jié)果。在站場鋼管樁陰極保護電位測量中，土壤非常干燥，土壤電阻率非常高，同時由于陽極埋設(shè)方式為分散布置，局部土壤陰極保護電流較大，這些都大大增加了陰極保護電位的IR降，因此采用-0.85 V的標(biāo)準(zhǔn)對樁管陰極保護效果進行判定，容易出現(xiàn)誤判情況。

本文對陽極灌水處理后的R01、R02、R03系統(tǒng)分別采用瞬間斷電位法進行了測試，結(jié)果如表2～4所示。由樁管陰極保護電位測試結(jié)果可以看出，樁管去極化電位差＞0.1 V，達到陰極保護要求。

在這種情況下，采用瞬間斷電位法進行判定，可以克服IR降對陰極保護電位測量結(jié)果的影響，尤其在蘇丹旱季時土壤異常干燥的情況下是一種較為理想的測量方法。

表3 公共設(shè)施區(qū)陰極保護系統(tǒng) （R02）測試結(jié)果

注：整流器輸出電流：67.0 A，整流器輸出電壓：50.0 V。

表4 庫房區(qū)陰極保護系統(tǒng) （R03）測試結(jié)果

注：整流器輸出電流：15.0 A，整流器輸出電壓：50.0 V。

1.3 陽極結(jié)構(gòu)分析及改進

該站場陰極保護系統(tǒng)的陽極結(jié)構(gòu)見圖3。采用高硅鑄鐵陽極，陽極外包覆一層焦炭，焦炭外層用鍍鋅鐵皮包裹。

焦炭層本來應(yīng)起到防止 “氣阻”、降低陽極接地電阻、延長陽極壽命的作用。但是該陽極結(jié)構(gòu)中，焦炭層被鍍鋅鐵皮包裹，焦炭層不能和土壤直接接觸，使用早期不僅不能避免 “氣阻”的產(chǎn)生，而且也不能顯著降低陽極接地電阻。尤其陽極和焦炭層被鍍鋅鐵皮包覆后，水很難進入焦炭層，大大影響焦炭層的導(dǎo)電性能，使陽極接地電阻居高不下，對陰極保護不利。

對于該陽極結(jié)構(gòu)，在施工中應(yīng)當(dāng)對鍍鋅鐵皮包裹層進行鉆孔處理，以利于水的進入，從而改善陽極接地電阻。在以后的陽極制造中，對于焦炭包覆層可采用透水性良好的非絕緣材料。

1.4 陽極埋設(shè)方式分析及改進

該站場陰極保護設(shè)計采用淺埋陽極地床均勻分布的方式。從表2～4鋼管樁陰極保護電流測試結(jié)果可以看出，鋼管樁陰極保護電位分布非常不均勻，出現(xiàn)過保護的情況。

蘇丹油田所處區(qū)域具有旱季、雨季界限十分分明的特征，淺埋陽極地床的每根陽極、每一陽極回路周圍土壤干濕程度一年中會發(fā)生很大變化，其接地電阻值在一年中起伏很大。

針對這個問題，對鋼管樁的陰極保護進行了改進：將陽極埋設(shè)方式改為深井陽極地床，取得了很好的效果。

深井陽極地床是深度15 m以下的豎直陽極。深井陽極地床的采用，可以克服因地表土壤電阻率高，陽極接地電阻大的問題，也可有效減少因季節(jié)變化對接地電阻的影響。而且陽極與被保護體間有一定距離，使保護電流分布更加均勻，同時采用深井陽極地床可以減小對其他金屬構(gòu)筑物的干擾腐蝕。

表5為某集輸站采用鋼管樁的陰極保護電位測試結(jié)果。

表5 某集輸站鋼管樁陰極保護測試結(jié)果

采用深井陽極地床的同時，在每個陽極回路中都加裝了可調(diào)電阻。改進后的陰極保護系統(tǒng)測試結(jié)果表明，鋼管樁陰極保護電位分布更加均勻，保護效果更好。

2 結(jié)束語

陰極保護系統(tǒng)從設(shè)計、材料到施工，直至投產(chǎn)后的運行乃至維護，各個環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，任何一個環(huán)節(jié)的問題都會影響整個陰極保護系統(tǒng)的正常運行。針對該站場鋼管樁陰極保護出現(xiàn)的問題，我們積極進行總結(jié)和分析，在以后的鋼管樁陰極保護設(shè)計、施工中加以改進，達到了較好的陰極保護效果。

（1）陰極保護設(shè)計中，如果一個陰極保護系統(tǒng)中的一臺設(shè)備帶多個陽極回路，應(yīng)當(dāng)在每個陽極回路加裝可調(diào)電阻，以利于陰極保護電流的均勻分布，提高陰極保護效果。

（2）在陰極保護電位測試和陰極保護效果的判斷上，根據(jù)蘇丹站場土壤情況，采用瞬間斷電位法進行判定，效果良好。

（3）如果仍采用淺埋陽極地床，應(yīng)對陽極結(jié)構(gòu)進行改善，焦炭層包覆材料改為導(dǎo)電型透水良好的材料。

（4）考慮蘇丹油田土壤狀況，鋼管樁的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計，陽極地床的埋設(shè)方式宜采用深井陽極地床。

（5）應(yīng)加強陰極保護系統(tǒng)運行后的維護。對于蘇丹站場土壤狀況，應(yīng)當(dāng)及時對陽極進行灌水等處理，以降低陽極接地電阻，改善陰極保護效果。

[1]NACE RP 0169-2002，Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

[2]NACE TM 0497-2002，Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

[3]NACE RP 0572-2001，Design,Installation,Operation,and Maintenance of Impressed Current Deep Groundbeds[S].

[4]Pierre R Roberge.Handbook of Corrosion Engineering[M].New York:McGraw-Hill，2010.

[5]胡士信.陰極保護工程手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

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Analysis and Improvement of Cathodic Protection for Steel Pipe Piles in Sudan Oilfield Stations

YUAN Zhen-kun（China Petroleum Engineering&Construction Corporation Sudan Branch， Beijing 100011， China），XU Jin-xian，GAO Guang-jun

The problems in the cathodic protection system for steel pipe piles in Sudan oilfield stations were analyzed and the improvement suggestions were put forward according to the features of station cathodic protection and based on the soil conditions of Sudan oilfield,which include adding adjustable electrical resistance in anode circuit,using non-insulation material with good permeability as the protective layer of anode coke,changing buried anode into deep well anode ground-bed,applying instantaneous electric potential method to judge cathodic protection effect and watering anode.The improved cathodic protection effect of steel pipe piles was good.

steel pipe pile;cathodic protection;potential;anode grounding resistance；deep well anode ground-bed

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.019

袁振昆 （1965-）男，天津人，高級工程師，美國防腐工程協(xié)會二級涂裝檢驗師 （NACE CIPZ），國家注冊監(jiān)理工程師，1987年畢業(yè)于天津大學(xué)腐蝕與防護專業(yè)，現(xiàn)從事油田地面工程項目管理工作。

2012-03-20