分享：某油田站場區(qū)域陰極保護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)與方案

迄今為止，國內(nèi)很多油田站場埋地管道與儲罐底板僅采用防腐蝕層進(jìn)行外腐蝕防護(hù)。隨著油田站場運(yùn)行時(shí)間的增長，站內(nèi)埋地管道及儲罐底板腐蝕泄漏問題日益突出，這成為了站場運(yùn)行的安全生產(chǎn)隱患[1-3]。區(qū)域陰極保護(hù)能夠?yàn)橛吞镎緢雎竦毓艿兰皟薜装逄峁┓雷o(hù)，降低生產(chǎn)中的安全隱患，近年來該技術(shù)在油氣管道站場得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的防護(hù)效果[4-5]。 

相比傳統(tǒng)的陰極保護(hù)方法，區(qū)域陰極保護(hù)將范圍內(nèi)的所有預(yù)保護(hù)對象看做一個(gè)整體，依靠合理的陽極分布和陰極保護(hù)電流分配使得范圍內(nèi)的對象得到保護(hù)[6-7]。油田站場內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)物眾多且分布復(fù)雜，包括輸油管道、消防管道、放空管道、儲罐及其電連接的其他金屬結(jié)構(gòu)物[8]。同時(shí)，管道防腐蝕層類型、儲罐底部防腐蝕層劣化程度等均存在不同，因此難以通過經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確確定站場內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)電流需求量，這給陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)帶來了困難[9-10]。此外，復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)物會屏蔽陰極保護(hù)電流，導(dǎo)致陰極保護(hù)陽極地床設(shè)計(jì)難度增加[11-12]。因此，如何對已建油田站場補(bǔ)加區(qū)域陰極保護(hù)，準(zhǔn)確確定保護(hù)電流需求[13]，合理設(shè)計(jì)陽極地床，避免管道和儲罐底板發(fā)生腐蝕和泄漏[14]，成為油田站場腐蝕控制管理有待解決的技術(shù)難題。 

作者以某投入使用20 a的油田站場為研究對象，通過現(xiàn)場饋電試驗(yàn)和數(shù)值模擬[15-17]相結(jié)合的方法，確定了保護(hù)電流的需求量及陽極地床分布方案，該方案在示范應(yīng)用中取得了良好的效果，為油田站場補(bǔ)加區(qū)域陰極保護(hù)工程提供參考。 

1.   現(xiàn)場饋電試驗(yàn)

某油田站場主要分為管道區(qū)和儲罐區(qū)，站內(nèi)的主要保護(hù)對象是儲罐底板和埋地管道。2#、3#儲罐為小型儲罐，其底部直徑為40 m，容積為20 000 m3；1#、4#、5#、6#和7#儲罐為大型儲罐，底部直徑為60 m，容積為50 000 m3。管道總長為3.1 km。 

1.1   試驗(yàn)內(nèi)容和方法

首先進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和測試，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行饋電試驗(yàn)確定站場區(qū)域陰極保護(hù)電流的需求量。 

（1）現(xiàn)場調(diào)查 

通過現(xiàn)場調(diào)查掌握油田站場的基礎(chǔ)情況，包括埋地管道和其他地下金屬結(jié)構(gòu)物的尺寸和空間分布，儲罐底板及管道的防腐蝕層情況，可開挖并埋設(shè)臨時(shí)陽極的位置。 

（2）現(xiàn)場測試 

現(xiàn)場測試內(nèi)容包括自然腐蝕電位測量和土壤電阻率測試。使用地表參比電極測試電位；采用溫納四極法測試站場內(nèi)不同區(qū)域和不同深度的土壤電阻率。 

（3）饋電試驗(yàn) 

現(xiàn)場饋電試驗(yàn)通過在站場建立臨時(shí)陰保系統(tǒng)，分區(qū)對站內(nèi)埋地管道和儲罐底板進(jìn)行臨時(shí)保護(hù)，檢測埋地管道和儲罐底板的電位分布，分析確定相應(yīng)的電流需求量、電流流失點(diǎn)、屏蔽區(qū)域和干擾等情況。利用饋電試驗(yàn)測得的通/斷電電位分布數(shù)據(jù)可以評估臨時(shí)陽極地床的保護(hù)范圍以及電位衰減情況。試驗(yàn)中，陰極保護(hù)電流由直流電源提供，待極化電位相對穩(wěn)定后，記錄埋地管道的通/斷電位，參比電極為銅/飽和硫酸銅電極（CSE）。通過對比不同區(qū)域保護(hù)電流需求量以及保護(hù)范圍，可以獲得整個(gè)區(qū)域內(nèi)保護(hù)電流需求量以及不同區(qū)域保護(hù)的難易等重要信息。圖1為某油田的平面布局、饋電試驗(yàn)測試點(diǎn)和臨時(shí)陽極地床位置示意。 

圖  1  某油田站場平面布局、饋電試驗(yàn)測試點(diǎn)和陽極地床位置示意圖

Figure  1.  Schematic diagram of layout, feeding test points and anode ground bed location in an oilfield station

1.2   現(xiàn)場饋電試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，在油田站場地下2 m深度內(nèi)，土壤平均電阻率為20.10 Ω·m。 

在不同饋電試驗(yàn)中，采用不同的陽極地床分區(qū)對站內(nèi)埋地管道和儲罐底板進(jìn)行臨時(shí)保護(hù)。表1為采用不同陽極地床饋電試驗(yàn)的電源輸出電流、輸出電壓等參數(shù)。 

在第一次饋電試驗(yàn)中，1#陽極地床布置在2#儲罐東南位置，輸出電流為24.0 A，測試了距離陽極最近的2#儲罐的斷電電位，結(jié)果如表2所示。其中，16#測試點(diǎn)的斷電電位（相對于CSE，下同）為-732 mV，極化電位偏移量達(dá)到-120 mV；17#測試點(diǎn)的斷電電位為-640 mV，極化電位偏移量達(dá)到-50 mV；18#測試點(diǎn)的斷電電位為-704 mV，極化電位偏移量達(dá)到-84 mV；19#測試點(diǎn)的斷電電位為-839 mV，極化電位偏移量達(dá)到-229 mV。2#儲罐外圍只有16#和19#測試點(diǎn)的極化電位偏移超過100 mV。以上結(jié)果表明，當(dāng)站場存在7個(gè)儲罐和管道時(shí)，24 A的保護(hù)電流不足以使該油田中20 000 m3小型儲罐外圍電位達(dá)到保護(hù)要求。 

在第二次饋電試驗(yàn)中，2#陽極地床布置在1#儲罐的東北和西南方向，其01和02陽極地床輸出電流分別為20.5 A和15.9 A，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，1#儲罐40#測試點(diǎn)的斷電電位為-828 mV，極化電位偏移量達(dá)到-188 mV；41#測試點(diǎn)的斷電電位為-743 mV，極化電位偏移量達(dá)到-100 mV；42#測試點(diǎn)的斷電電位為-811 mV，極化電位偏移量達(dá)到-154 mV；43#測試點(diǎn)的斷電電位為-838 mV，極化電位偏移量達(dá)到-183 mV。1#儲罐外圍各測試點(diǎn)的極化電位負(fù)向偏移量均達(dá)到或超過100 mV。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)站場存在7個(gè)儲罐和管道時(shí)，36 A的保護(hù)電流只能使該油田中一個(gè)50 000 m3大型儲罐的外圍極化電位達(dá)到保護(hù)要求，而儲罐中心的極化電位仍不能達(dá)到保護(hù)要求，因此若要完全保護(hù)該站場一個(gè)大型儲罐，需要更大的電流量。 

在第三次饋電試驗(yàn)中，3#陽極地床放在管道區(qū)，輸出電流為15 A，結(jié)果如表4所示。其中，最近的51#測試點(diǎn)的斷電電位為-1 176 mV，稍遠(yuǎn)一些的46#和50#測試點(diǎn)的斷電電位分別為-924、-896 mV，都達(dá)到了-850 mV的陰極保護(hù)準(zhǔn)則；9#和44#測試點(diǎn)的斷電電位分別為-710 mV和-737 mV，極化電位偏移量分別為-46 mV和-58 mV，極化電位偏移量低于100 mV。試驗(yàn)結(jié)果表明，淺埋陽極地床輸出15 A的電流能使30 m范圍內(nèi)管道斷電電位負(fù)移至-850 mV以下，使2 m內(nèi)管道斷電電位負(fù)移至-1 176 mV，達(dá)到-850 mV陰極保護(hù)準(zhǔn)則。 

根據(jù)第一次饋電試驗(yàn)結(jié)果，只有最靠近陽極地床位置的儲罐偏移量最大。當(dāng)站場存在7個(gè)儲罐和管道時(shí)，24 A的保護(hù)電流不能使該油田站場中一口20 000 m3小型儲罐的外圍極化電位達(dá)到保護(hù)要求。第二次饋電試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)站場存在7個(gè)儲罐和管道時(shí)，36.4 A的保護(hù)電流能使該油田站場中一口50 000 m3外浮頂儲油罐極化電位負(fù)移100 mV。第三次饋電試驗(yàn)結(jié)果表明，淺埋陽極地床輸出15 A能使30 m范圍內(nèi)管道極化電位負(fù)移至-850 mV以下，使2 m內(nèi)管道電位極化至-1 176 mV，達(dá)到-850 mV陰極保護(hù)準(zhǔn)則。圖2為某油田站場饋電試驗(yàn)中陽極地床的保護(hù)范圍。 

圖  2  某油田站場饋電試驗(yàn)中陽極地床的保護(hù)范圍

Figure  2.  Protection range of anode ground bed in the feeding test of an oilfield station

2.   數(shù)值模擬及陽極優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1   區(qū)域陰極保護(hù)三維幾何模型

根據(jù)站場實(shí)際埋地管道、儲罐及其他埋地結(jié)構(gòu)物的幾何位置、埋深、管道長度等基礎(chǔ)信息，建立站場三維管網(wǎng)和儲罐1∶1幾何模型，并對模型進(jìn)行了網(wǎng)格化，如圖3所示。 

圖  3  某油田站場三維幾何模型及網(wǎng)格化

Figure  3.  Three dimensional geometric model (a) and meshing (b) of an oilfield station

2.2   埋地管道和儲罐邊界條件的確定

為了獲取管道和儲罐的邊界條件，使用Reference 3000型電化學(xué)工作站測試Q235鋼在某油田站場土壤中的極化特性。測試過程使用三電極體系，工作電極為尺寸10 mm×10 mm×5 mm的Q235鋼，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極是混合金屬氧化物（MMO），介質(zhì)為某油田站場現(xiàn)場帶回的土壤。掃描速率為0.3 mV/s，掃描范圍為-1 500~1 000 mV。根據(jù)Q235鋼的極化曲線，調(diào)整管道和儲罐面電阻率和涂層破損率，得到油田站場內(nèi)埋地管道、儲罐等其他埋地結(jié)構(gòu)物的邊界條件。 

圖4為Q235鋼在該油田站場土壤環(huán)境中的極化曲線。利用現(xiàn)場饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演計(jì)算埋地管道的極化邊界條件，具體方法為：將不同區(qū)域內(nèi)的埋地管道和儲罐底板在該站土壤中的真實(shí)極化曲線作為該區(qū)域的陰極邊界條件帶入數(shù)學(xué)模型中求解。得到電位分布結(jié)果后，將管道和儲罐電位和饋電試驗(yàn)測試電位進(jìn)行比較。若數(shù)值模擬得到的電位與真實(shí)電位誤差在10%以內(nèi)，反演的邊界條件接近于站場的實(shí)際情況。如誤差超過10%，則反演結(jié)果不能真實(shí)反映油田站場的電位分布情況，需根據(jù)兩者的差值進(jìn)行修正，直到誤差小于10%，最終反演得到油田站場埋地管道、儲罐及接地等其他埋地結(jié)構(gòu)物的邊界條件。利用反演之后的極化邊界條件計(jì)算得到斷電電位，并將其與三次饋電試驗(yàn)中實(shí)地測試斷電電位進(jìn)行比較，如圖5所示。結(jié)果表明，斷電電位的模擬結(jié)果與測試結(jié)果的相對誤差均在10%以內(nèi)。圖6為管道涂層極化特性反演的最終結(jié)果。該模型能夠真實(shí)反映油田站場陰極保護(hù)效果。 

圖  4  現(xiàn)場土壤環(huán)境中Q235鋼的極化曲線

Figure  4.  Polarization curve of Q235 steel in on-site soil environment

圖  5  三次饋電試驗(yàn)斷電電位的模擬結(jié)果及其與測試結(jié)果的誤差

Figure  5.  Simulated results of off potentials and errors between simulated results and test results in the first (a), second (b) and third (c) feeding tests

圖  6  埋地管道與儲罐極化邊界條件反演計(jì)算結(jié)果

Figure  6.  Inversion calculation results of polarization boundary conditions of buried pipelines and storage tanks

2.3   陽極地床優(yōu)化分布設(shè)計(jì)

根據(jù)建立的油田站場區(qū)域陰極保護(hù)模型，利用上述管道和儲罐極化邊界條件對不同陽極地床分布方案的保護(hù)效果進(jìn)行計(jì)算。通過調(diào)整陽極分布位置、數(shù)量和陽極地床形式，進(jìn)行陽極地床分布優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到油田站場中單個(gè)儲罐和部分管道受到保護(hù)、整體管道和儲罐受到保護(hù)情況下陽極地床的位置和管道斷電電位的分布。 

2.3.1   單個(gè)儲罐和部分管道受到保護(hù)

選擇離管道最近的4#儲罐和部分管道作為保護(hù)對象。在儲罐兩側(cè)分別設(shè)置2處深井陽極地床，埋深為80 m，活性段長度為44 m，活性段頂端距離地表深度為36 m。在部分管段周圍或附近設(shè)置淺埋陽極地床，陽極埋深2 m。儲罐區(qū)的兩口深井陽極總輸出電流為72 A，管道區(qū)域的陽極地床總輸出電流為15 A，陽極地床位置和管道保護(hù)電位分布云圖如圖7所示。圖中黑色虛框?yàn)槭鼙Ｗo(hù)的管道和儲罐區(qū)域?？梢园l(fā)現(xiàn)，離陽極地床較近的4#儲罐和部分管道作為保護(hù)對象得到有效保護(hù)，2#儲罐和7#儲罐雖然與陽極地床距離較遠(yuǎn)，但儲罐之間電連接，它們可以從其他儲罐吸收保護(hù)電流，因此也得到有效保護(hù)。當(dāng)模型中只有單個(gè)儲罐時(shí)，只需13 A電流就可以使儲罐得到有效保護(hù)，如圖8所示。 

圖  7  在單個(gè)儲罐和部分管道受到保護(hù)的條件下斷電電位分布云圖和陽極地床位置

Figure  7.  Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with single storage tank and partial pipeline under protection

圖  8  單個(gè)儲罐達(dá)到保護(hù)時(shí)斷電電位電位分布云圖和陽極地床位置（其余模型處于缺省狀態(tài)）

Figure  8.  Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with single storage tank under protection (the remaining models in default)

2.3.2   整體管道和儲罐受到保護(hù)

將站內(nèi)整體管道和儲罐作為保護(hù)對象，在儲罐區(qū)設(shè)置7處深井陽極地床，埋深為80 m，活性段長度為44 m，活性段頂端距離地表深度為36 m；在管道區(qū)設(shè)置5組淺埋分布式陽極地床，儲罐區(qū)的深井陽極輸出電流為130 A，管道區(qū)域的陽極輸出電流為75 A，陽極輸出總電流為205 A，陽極地床位置和管道保護(hù)電位分布云圖如圖9所示?？梢钥吹?，電位分布范圍為-1.20~-0.85 V，站內(nèi)埋地管道和儲罐均得到有效保護(hù)。 

圖  9  在整體管道和儲罐受到保護(hù)的條件下斷電電位分布云圖和陽極地床位置

Figure  9.  Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with overall pipeline and storage tank under protection

3.   示范應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場饋電試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，以4#儲罐和部分管道作為示范區(qū)域，采用兩組淺埋陽極地床和兩組深井陽極地床對部分區(qū)域施加陰極保護(hù)。 

在4#罐東北與西南方向80 m處各設(shè)置了一個(gè)深井陽極，有效段深度為30~60 m；淺埋臥式陽極地床距管道距離為3 m，埋深為2 m。按照該方案進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)施。淺埋1#陽極地床與淺埋2#陽極地床采用同一臺80 V/40 A直流穩(wěn)壓電源供電，深井1#陽極地床和深井2#陽極地床分別采用一臺80 V/50 A直流穩(wěn)壓電源供電，三臺設(shè)備同時(shí)饋電。電源輸出參數(shù)如表5所示。待極化1 h后，測試站內(nèi)管道的保護(hù)效果。陽極地床位置和測試點(diǎn)位置如圖10所示。 

圖  10  示范應(yīng)用中陽極地床及管道測試點(diǎn)位置

Figure  10.  Locations of anode ground bed and pipeline test point in demonstration application

油田站場管道極化穩(wěn)定后，進(jìn)行通/斷電電位測試，記錄測試點(diǎn)處對應(yīng)的通/斷電電位Eon和Eoff，如表6所示。管道上1#~8#測試點(diǎn)的斷電電位和4#罐上9#~16#測試點(diǎn)的斷電電位均滿足-850 mV陰極保護(hù)準(zhǔn)則，站場示范區(qū)內(nèi)的管道均得到有效保護(hù)。 

4.   結(jié)論

（1）通過在某油田站場開展分區(qū)域饋電試驗(yàn)，在存在7個(gè)儲罐的罐區(qū)，要使50 000 m3外浮頂儲油罐的極化電位負(fù)向偏移100 mV，電流需求量約為36.4 A；密集管網(wǎng)區(qū)域保護(hù)電流為15 A，保護(hù)范圍約30 m。 

（2）根據(jù)考察某油田站場內(nèi)埋地管道及儲罐的基礎(chǔ)信息及分布位置構(gòu)建了區(qū)域陰極保護(hù)三維數(shù)學(xué)模型，通過饋電試驗(yàn)反演獲得了該油田站場內(nèi)管道及儲罐的邊界條件；利用模型優(yōu)化計(jì)算確定了整個(gè)油田站場的陽極優(yōu)化分布方案。 

（3）示范應(yīng)用表明，利用現(xiàn)場饋電試驗(yàn)及數(shù)模計(jì)算確定的方案能夠獲得預(yù)期的保護(hù)效果，在存在7個(gè)儲罐的罐區(qū)，要使得單個(gè)儲罐電位達(dá)到-850 mV，需要設(shè)置兩口深井陽極，總輸出電流需達(dá)到80 A。

文章來源——材料與測試網(wǎng)