冯雄辉 单劲智 张亚丹

中石油北京天然气管道有限公司北京输气管理处

摘 要： 天然气站场区域阴极保护技术是对集中在站场区域内的多个埋地金属结构进行统一的电化学保护，与保护对象单一的干线阴极保护系统相比，有其特点和难点。结合日常现场测试、调研和模拟计算分析陕京管道区域阴极保护效果和受干扰情况，针对存在的问题提出解决措施，消除安全隐患。

关键词： 钢制管道；区域阴保；保护效果；干扰

为控制站内埋地管道的腐蚀风险，陕京管道近年来对站场埋地管道实施了区域阴极保护改造，即将站场区域内的所有预保护对象作为一个整体进行阴极保护，依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的自由分配以及与相邻设备的电绝缘措施，使被保护对象处于有效的保护电位范围之内。

由于现有区域阴极保护效果评价依靠有限点的测量来进行，受到现场测试空间和测试条件的限制，无法得到站场内埋地管道各个位置处的保护电位，对于某些保护不足或过保护的部位不能及时发现并采取措施。国内外站场区域阴极保护相关案例表明，站内外管线一般通过绝缘接头进行电隔离，采用两套独立的阴极保护系统分别进行保护。两套阴极保护系统在保护对象数量、涂层状况、电流需求及安全要求方面均存在较大差异，二者电位控制点及阳极地床的位置又相距较近，易产生相互干扰，影响阴极保护的效果。根据对陕京管道实施区域阴极保护的站内外管线相互干扰情况开展的初步调研和测试情况看，这种相互干扰影响系统的正常运行，造成潜在的安全隐患。

1 站场区域阴极保护技术的特点

（1）保护对象繁多、保护回路复杂。输气站场在相对狭窄的区域内集中了众多的金属结构如工艺、消防、排污、给排水等各种管网、设备底座以及避雷防静电接地系统，构成了庞大的金属结构网，保护对象繁多，结构密集，保护回路复杂。

（2）保护电流消耗大。输气站场内接地系统庞大，除管道、混凝土基础外，还有各种设备和仪表的接地，构成了避雷防静电接地网，多为裸金属扁钢材料。此外，站场内各种管网的防腐层均为现场涂装，随着运行时间的增长，绝缘质量差异较大。在对油气站场进行阴极保护时，大部分阴极保护电流通过设备底座、接地系统漏失，小部分电流消耗在管网上，通常保护电流需求较大。

（3）对管道产生电流干扰。对输气站场实施阴极保护，是将整个站区内的所有地下金属结构全部纳入保护系统，因此一般不会产生内部干扰。但站场阴极保护电流通常远大于干线保护电流，故常常对管道干线等外部结构及其阴极保护系统造成干扰，一般系统电流输出越大，干扰也会越严重。

（4）屏蔽影响较为突出。输气站场区域内埋地构件众多，结构密集区的管道可能会与接地系统、钢筋混凝土基础、电力系统及水管等接触，流向该区域的总电流足以在土壤中产生电位梯度，导致屏蔽效应。在结构密集区的中央，屏蔽影响将达到最大。如果全部为裸管道，屏蔽作用将会非常严重。

（5）阳极地床设计困难。需要结合输气站场的具体特点，来准确的确定阴极保护参数，合理的设计阳极地床的位置、埋设方式和分布形式，以获得保护电流的均匀分布，同时避免或限制干扰和屏蔽的影响，使被保护对象处于规定的保护电位范围之内。

（6）后期调试整改量较大。由于传统的站场阴极保护设计参数选取多依靠经验，对干扰和屏蔽问题考虑不足，不能充分结合站场埋地构件的具体分布特点，导致后期消除屏蔽、控制干扰、抑制过保护、降低系统输出和能耗等工作量大。

2 技术难点分析及解决办法

2.1 阴极保护电流消耗过高的解决办法

运行中常因设计时对保护电流估计不足，所选的电源设备无法满足保护要求，可通过以下途径实现。

（1）提供足够的阴极保护电流。在站场阴极保护设计中，可采用两种方法来确定保护电流。一是根据设计参数预测，即根据设计经验综合考虑埋地构件涂层状况估计一个电流密度值，将该值乘以结构的总埋地面积得到近似的电流总需求量。二是根据现场馈电试验确定，即建立临时阳极地床，根据结构的电位变化和所施加的电流，计算结构对地电阻并确定施加电流沿结构的分布和永久阴极保护装置的电流需求。国内大多根据第一种方法进行设计，在长输管道干线阴极保护系统设计中由于埋地构件单一，表面状况差异不大，采用这种方法可行。但是对于输气站场，由于埋地金属构件多样性和分布复杂性，且埋地管网、接地结构网等表面状况差异较大，仅通过经验估计的方法很难准确的确定实际所需的电流量，还需进一步探讨。

（2）减小电流需求量。输气站场阴极保护电流消耗大的主要原因是由于存在庞大的避雷防静电接地网，大部分阴极保护电流通过接地系统漏失，只有很少的电流消耗在埋地管网和储罐底板上。站场施加阴极保护的目的主要是为了保护埋地管网等防止其腐蚀泄漏，若保护电流只用于这些构件，所需的保护电流将大大减小，为此，可以考虑在保证设备、仪表的电气安全要求的前提下，采取将接地系统与站内阴极保护系统相隔离的措施。

2.2 对管道产生电流干扰的解决办法

站内区域阴极保护电流一般通过影响站外干线阴极保护系统控制点来对其造成干扰。由于国内大多数管道干线阴极保护系统采用恒电位控制方式，而控制点（通电点）通常设在绝缘接头或绝缘法兰外侧，当该处管道受到外来干扰时，由于附加极化或去极化而影响控制系统的信号反馈，使站外保护系统的输出降低或增加，干线保护相应受到影响。通常有两种类型：一是控制点处有干扰电流流入，导致极化增加，如图 1（a）所示，为维持设定的控制电位，干线阴极保护系统输出将自动下降，导致整个管道阴极极化降低，远端易保护不足。二是控制点处有干扰电流流出，导致极化减小，如图 1（b）所示，为维持设定的控制电位，干线阴极保护系统输出将自动提高，导致整个管道阴极极化加大，近端易产生过保护。

图 1  站场区域性保护的干扰影响

当检测到存在干扰后，降低或排除干扰的原则是，将站外阴极保护系统的输出电流恢复到站场阴极保护投运以前的水平，并对站外干线阴极保护系统所保护的管道进行保护电位测试，确认保护电位和保护距离不因站内系统的投运而受影响，可采取以下措施。

（1）尽可能使站场阴极保护系统的阳极影响区远离站外阴保系统控制点，并根据站场内阴极保护系统的调试情况，对部分阳极进行电流输出限制。

（2）对站外干线近端进行密间隔电位测试，将站外干线阴极保护系统的控制点转移至不受干扰的位置。

（3）对恒电位控制点进行处理，安装排流电极以降低或消除干扰电流引起的附加极化或去极化。

（4）站外干线阴极保护系统采用恒电流控制。

（5）对于小型站场，可考虑纳入干线保护系统中。

（6）由于区域阴极保护系统参数受外界因素影响较大，具有波动性，应设专人管理，勤于维护，根据保护电位测试情况及时调整运行参数。

2.3 屏蔽影响的解决办法

由于站场地下工艺管道与电力系统、钢筋混凝土、消防给排水管道以及接地系统等金属都会存在搭接，流向该区域的总电流会在土壤中产生电位梯度导致屏蔽效应。在结构密集区的中央，屏蔽影响将达到最大。

当出现密集区屏蔽时，可采用远阳极与近阳极相结合的方式，使阳极周围的影响区相互充分叠加，改善整个区域内结构的保护电位，对于接地系统庞大的站区，可采用负电性金属（例如镁阳极或锌阳极）作为接地材料以帮助消除屏蔽，促使保护电流均衡分布。

运行中常通过多组阳极分散布置、远/近阳极互为补充、牺牲阳极材料做接地等改进措施，来减缓站场阴极保护屏蔽问题。传统的设计方法无法充分预测屏蔽，随着施工、调试工作开展和设计方案的调整，通常要求站场阴极保护系统分步实施。为此可进行主保护回路（远阳极系统）施工及接地系统改造（如果需要），通电试运行并进行相应的测试，然后根据试运行测试的结果布置近阳极后进行系统调试，直到屏蔽减弱，保护电流均衡分布，获得满意的阴极保护效果为止。

作者：冯雄辉，中石油北京天然气管道有限公司北京输气管理处防腐工程师。