孫冰冰

中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司，新疆烏魯木齊830012

某壓氣站區(qū)域陰極保護效果評價及基于數(shù)值模擬方法的整改方案研究

孫冰冰

中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司，新疆烏魯木齊830012

某壓氣站區(qū)域性陰極保護系統(tǒng)采用1套4回路外加電流保護方式，陽極地床為柔性陽極和高硅鑄鐵淺埋輔助陽極地床。為了掌握站內(nèi)區(qū)域陰極保護效果，開展了詳細的現(xiàn)場測試，在此基礎(chǔ)上對其效果進行了評價，并針對目前存在的部分區(qū)域陰極保護不符合要求，以及站內(nèi)外存在干擾問題進行了數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場試驗研究，確定了整改方案，最終取得了良好整改效果。

壓氣站；陰極保護；效果評價；數(shù)值模擬計算；整改方案

0 引言

某壓氣站區(qū)域陰極保護（簡稱陰保）系統(tǒng)采用柔性陽極加高硅鑄鐵淺埋輔助陽極的外加電流保護方式，保護對象為埋地管道和接地系統(tǒng)，其中接地系統(tǒng)包括水平接地體和垂直接地極，水平接地體材料為鍍鋅扁鐵，垂直接地極材料為鍍鋅扁鐵和低電阻接地模塊?，F(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，站內(nèi)部分區(qū)域電位異常，存在欠保護和過保護區(qū)域，同時站內(nèi)區(qū)域陰保系統(tǒng)第2回路開啟后，西二線干線陰極保護恒電位儀輸出為零，存在嚴重的陽極干擾，亟待整改。本文通過現(xiàn)場檢測和試驗，結(jié)合數(shù)值模擬計算對站內(nèi)區(qū)域陰保效果進行評價，并對其整改方案進行了研究。

1 某壓氣站區(qū)域陰極保護效果評價

該陰極保護系統(tǒng)使用福建三明PS-3F型1套4路恒電位儀，輸出電流、電壓為30 A、50 V。其中第1回路保護站區(qū)接地系統(tǒng)，第2回路保護工藝裝置區(qū)、收發(fā)球筒區(qū)、放空區(qū)及其周圍管網(wǎng)，第3回路保護壓縮機區(qū)及其周圍管網(wǎng)，第4回路備用。站場兩端的西二線長輸管道采用跨接的方式，由1臺外加電流陰極保護系統(tǒng)提供保護，陽極地床為淺埋高硅鑄鐵陽極地床，采用福建三明HPS-1D型恒電位儀，輸出電流、電壓為15 A、40 V。

1.1 恒電位儀初始運行狀態(tài)

陰保系統(tǒng)建后成初始運行時，各恒電位儀的運行參數(shù)見表1。由表1可知，陰保系統(tǒng)初始運行時，第2回路陰?；芈肺茨苷ｉ_機，檢查后發(fā)現(xiàn)是因為控制電位設(shè)置為0 V，而現(xiàn)場長效參比電極測量反饋的保護電位為-750 mV，控制電位與保護電位的差值超過了恒電位儀的設(shè)定值，造成了設(shè)備報警。第1回路、第3回路及干線陰保系統(tǒng)通電點處的斷點電位均正于-850 mV（CSE，即銅-硫酸銅參比電極，下同），未達到保護要求，需增大恒電位儀輸出。

1.2 站場內(nèi)區(qū)域陰保電位現(xiàn)場檢測及分析

根據(jù)恒電位儀的初始運行參數(shù)，結(jié)合被保護物的自然電位，調(diào)整西二線區(qū)域陰保系統(tǒng)恒電位儀的輸出。調(diào)整后的運行參數(shù)見表2。調(diào)整后，為了全面反映某站區(qū)域陰極保護效果，對某站內(nèi)9個子區(qū)域，共169處通斷電電位進行了測量。其中，博樂分輸及調(diào)壓區(qū)28個測量點，過濾及分離區(qū)38個測量點，排污罐區(qū)4個測量點，進站閥組區(qū)11個測量點，收球區(qū)7個測量點，發(fā)球區(qū)6個測量點，出站閥組區(qū)3個測量點，壓縮機空冷區(qū)56個測量點，壓縮機廠房周邊16個測量點，具體檢測結(jié)果見表3。

表1 西二線站場區(qū)域及干線陰保恒電位儀初始運行參數(shù)

表2 西二線站場區(qū)域陰保系統(tǒng)恒電位儀調(diào)整后運行參數(shù)

表3 西二線站場區(qū)域陰保斷電電位統(tǒng)計

同時站內(nèi)區(qū)域陰保恒電位儀運行參數(shù)調(diào)整后，干線恒電位儀無法正常工作，現(xiàn)場檢測研究發(fā)現(xiàn)主要是因為區(qū)域陰保第2回路的陽極地床距離西二線匯流點和控制參比電極過近，使得控制參比電極的實測電位超過了預(yù)定的控制電位，從而導(dǎo)致干線恒電位儀無輸出，說明區(qū)域第2回路陰保對線路陰保存在較強的陽極干擾。為考慮干擾是否對線路斷電電位產(chǎn)生較大影響，調(diào)整線路的控制電位，使得其輸出電流保證在未受干擾的水平，然后與區(qū)域陰保恒電位儀同步通斷，測得線路進出站端與站內(nèi)側(cè)的電位，檢測結(jié)果見表4。

表4 進出站絕緣接頭兩端電位測量

由表3可以看出，在所考察的169處測量點中，過保護的點只有一個，位于過濾及分離區(qū)；進站閥組區(qū)電位偏正，不滿足-0.85 V的保護要求；壓縮機區(qū)域由于采用高硅鑄鐵淺埋分布式陽極引起陰保電流分布不均勻及電流屏蔽，導(dǎo)致該區(qū)域電位分布范圍大，保護效果較差。總體而言，某站區(qū)域陰極保護效率不高，特別是在進站閥組區(qū)和壓縮機區(qū)域附近，存在欠保護區(qū)域，有待進一步整改。

表4測量結(jié)果表明，將線路的電位控制點移動到強陽極干擾區(qū)之外，同時保持系統(tǒng)輸出電流不變，測得線路出站側(cè)靠近站場的管段斷電電位為-1.20 V，未發(fā)生過保護現(xiàn)象。為了避免干線陰極保護系統(tǒng)受到區(qū)域陰保系統(tǒng)的干擾，可以通過移動控制參比電極的位置進行一定程度的緩解，將干線陰保系統(tǒng)的輸出恢復(fù)至受干擾前的水平，同時為了避免過保護的情況，尚需要在站場附近開展密間隔電位測試。

綜合以上內(nèi)容可知，西二線某壓氣站區(qū)域陰保系統(tǒng)主要存在以下兩方面問題：

（1）站內(nèi)區(qū)域陰保系統(tǒng)保護效率不高，存在一定的欠保護區(qū)域。

（2）站內(nèi)區(qū)域陰保第2路對西二線干線陰保系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的陽極干擾，導(dǎo)致干線陰保系統(tǒng)無法正常運行。

2 某壓氣站區(qū)域性陰極保護系統(tǒng)整改方案研究

針對某站區(qū)域陰保系統(tǒng)存在的問題，利用數(shù)值模擬計算軟件進行整改設(shè)計和效果評估[1-5]。

2.1 某站模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場測試對比

首先根據(jù)某站內(nèi)埋地管道和接地極相關(guān)信息，利用數(shù)值模擬計算方法進行建模計算，計算結(jié)果見圖1。

圖1 某站區(qū)域陰保電位分布模擬計算結(jié)果

從圖1中可以看出，絕大部分管道電位分布范圍為-0.84～-1.3 V，水平接地體電位為-0.46～-0.9 V，垂直接地極電位分布在-0.26～-0.76 V之間。

為了驗證模擬計算的準確性，將計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比，見表5。由表5可知，兩電位值吻合程度很高，除個別點外，大部分區(qū)域相對誤差小于10%，說明模擬計算方法可以較好地模擬現(xiàn)場實際情況。

表5 數(shù)值模擬計算與現(xiàn)場測試電位對比

2.2 某站內(nèi)區(qū)域陰極保護系統(tǒng)整改方案研究

初步分析，造成某站內(nèi)存在欠保護區(qū)域的原因可能有兩方面，一方面是站內(nèi)存在大量的接地極，由于接地系統(tǒng)材料多為裸金屬，與埋地管道相連時會消耗大量的陰保電流，特別是低電阻接地模塊，導(dǎo)致站內(nèi)部分區(qū)域管道電位偏正；另一方面，站內(nèi)各陰保回路之間相互影響，導(dǎo)致部分區(qū)域電位出現(xiàn)異常。綜合考慮整改方案現(xiàn)場實施的可行性和經(jīng)濟性，分以下兩步進行整改。

（1）將站內(nèi)低電阻接地模塊垂直接地極換成鋅包鋼，研究發(fā)現(xiàn)鋅包鋼與陰保系統(tǒng)兼容性較好，同時鋅接地極可作為犧牲陽極為管道提供保護[6-7]。

（2）對站內(nèi)陽極地床進行整改，在欠保護區(qū)域優(yōu)化分布淺埋分布式陽極地床。

2.2.1 將站內(nèi)低電阻接地模塊接地極換成鋅包鋼接地極（方案一）

更換后計算結(jié)果見圖2。由圖2可見，整改后絕大部分管道電位分布范圍從-0.84～-1.3 V變成-0.9～-1.3 V，管道電位出現(xiàn)一定的負移。但是由于低電阻模塊較少，管道仍有部分位置電位正于-0.85 V，需要進一步設(shè)計。整改前水平接地極電位分布范圍為-0.46～-0.9 V，低電阻模塊區(qū)域內(nèi)垂直接地極電位約-0.26 V，其他區(qū)域垂直接地極電位分布在-0.52～-0.76 V；整改后水平接地極電位分布在-0.46～-0.92 V，較整改前負移了約20 mV，由于將低電阻模塊換成鋅包鋼，所以整改后對應(yīng)區(qū)域垂直接地極電位變?yōu)榧s-0.96 V，其他區(qū)域接地極電位為-0.57～-0.84 V，較整改前負移了約60 mV。

2.2.2 陽極地床整改（方案二）

整改方案一實施后，仍有局部管道電位異常，電位異常區(qū)域見圖3。其中1號處管道電位較負，電位分布范圍為-1.30～-1.35 V；2號處管道電位約為-0.77～-0.82 V，電位較正，未達到保護；3號處管道電位約為-0.78～-0.95 V，且該處大部分管道電位分布在-0.78～-0.85V，正于欠保護電位，應(yīng)進行優(yōu)化整改；4號處管道電位約為-0.81～-0.85 V，管道未得到足夠的保護；5號處管道電位約為-0.79～-0.83V，未達到保護值。

圖2 整改方案一模擬計算結(jié)果

圖3 整改方案一完成后站內(nèi)電位異常區(qū)域

針對以上管道電位存在的問題，對站內(nèi)部分區(qū)域陽極地床進行了優(yōu)化，共增設(shè)12只淺埋陽極，陽極位置見圖4。整改后計算結(jié)果見圖5，整改后站內(nèi)所有管道電位分布范圍為-0.89～-1.2 V，取得了良好的保護效果。同時，調(diào)整接地系統(tǒng)陰保回路輸出使其電位達到標準范圍。

圖4 整改方案二陽極布置位置示意

圖5 整改方案二模擬計算結(jié)果

2.3 某站內(nèi)區(qū)域陰保對西二線干線陰保系統(tǒng)干擾整改方案研究

針對某站內(nèi)區(qū)域陰保第2回路對西二線干線陰保系統(tǒng)造成陽極干擾的問題，開展了干擾范圍的模擬計算以及現(xiàn)場測試，并提出了干擾問題的整改方案。

2.3.1 某站內(nèi)區(qū)域陰保對西二線干線陰保系統(tǒng)干擾范圍研究

確定整改方案前，利用數(shù)值模擬軟件確定陽極干擾范圍。首先模擬計算了不存在干擾時，站場附近線路的陰極保護電位分布，見圖6。由圖6可見，不存在干擾時，站場附近線路保護電位能達到-1.0 V左右，保護效果良好。當(dāng)存在干擾時，站場附近出站和進站線路的陰極保護電位分布分別見圖7、圖8。由圖可見，存在干擾時，站場附近線路由于受到陽極干擾的影響而發(fā)生電位負移，但未發(fā)生過保護的情況。以淡綠色代表的-1.0 V為無干擾時的正常電位標志，可見該陽極干擾的影響距離可能達到200～300 m。

圖6 不存在干擾時站場附近線路陰極保護電位分布

圖7 存在干擾時站場附近出站線路陰極保護電位分布

圖8 存在干擾時站場附近進站線路陰極保護電位分布

同時，對區(qū)域陰保對線路陰保的影響范圍進行現(xiàn)場實驗，將區(qū)域陰保恒電位儀調(diào)整為通斷運行，沿管道出站下游方向測量干線不同點處的通電電位，結(jié)果見表6。

表6 站內(nèi)外陰保干擾影響范圍測量結(jié)果

由表6可知，將便攜參比電極移到出站絕緣接頭外350 m處時，區(qū)域陰保第2回路通斷電對干線陰保電位沒有影響，均為-1.26 V，所以干擾范圍大約為350 m，與數(shù)值計算結(jié)果相符。

2.3.2 某站內(nèi)區(qū)域陰保對西二線干線陰保系統(tǒng)干擾初步整改方案

根據(jù)之前現(xiàn)場測試結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果，提出如下整改意見。

西二線干線171#測試樁距站場約為500 m，模擬結(jié)果及現(xiàn)場測試結(jié)果表明，陽極干擾的大致影響距離可能達到300 m，出于保守考慮，可將171#測試樁所在位置作為控制參比電極需要移至的位置，這樣也可不必為長效參比電極樹立新的標志樁。當(dāng)然，也可以通過現(xiàn)場測試再來確定一個距站內(nèi)更近的位置作為控制參比電極需要移至的位置，但要充分考慮站內(nèi)陰保系統(tǒng)電流隨時間變化的影響。

盡管調(diào)整控制參比電極位置可以消除恒電位儀所受干擾，但受干擾管道是否滿足保護要求，還需同步通斷站內(nèi)外陰保系統(tǒng)，通過進一步的測試才能確定。若測試結(jié)果顯示干擾未被完全消除，需要對站內(nèi)區(qū)域陰保陽極地床進行優(yōu)化改造，必要時需采取排流措施，如采用犧牲陽極排流地床等。

[1]De Giorgi V G，Wimmer S A.Geometric details and modeling accuracy requirements for shipboard impressed current cathodic protectionsystemmodeling[J].EngineeringAnalysiswith Boundary Elements，2005，29（1）：15-28.

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[7]Kirkpatrick E L，Shamim M L.Copper Grounding Systems Have a Negative Effect on Cathodic Protection in Production Facilities[A]. Corrosion/2000[C].Houston，Texas：NACE，2000.743.

Effect Assessment of Regional Cathodic ProtectionSystemat Certain Compressor Station and Reform Program Based on Numerical Simulation Method

Sun Bingbing
PetroChina West Pipeline Company，Urumqi830012，China

Afour-circuit impressed current cathodic protection system is applied in a certain compressor station with the anode bed composing of flexible anode and shallowly buried high silicon cast-iron auxiliary anode.In order to realize the protective effect of the regional cathodic protection system，detailed field tests have been carried out.Based on the results of field tests，effect assessment is conducted，then the reform program to solve the problems of inadequate protective effect and interferences between pipelines outside and inside the station is determined by numerical simulation computation and field experiments.

compressor station；cathodic protection；effect assessment；numericalsimulation computation；reform program

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.018

孫冰冰（1988-），女，河南商丘人，助理工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，現(xiàn)從事管道防腐、陰極保護專業(yè)技術(shù)研究工作。

2014-04-09