赵康

西部管道兰州输气分公司

 

摘要：采用BEASY软件，耦合有限元和边界元的计算方法，建立了站场区域阴极保护系统（区域阴保）和接地系统模型。完成了不同类型接地系统、不同接地系统材料对区域阴保效果影响的数值模拟计算，结合解析方法分析了各个因素对区域阴保系统的影响规律。结果表明电正性接地极材料会大大加速附近埋地管道的腐蚀速率，造成区域阴极保护无法达标，因此应避免采用；同时近地床的优化分布相对于远地床形式能更好地消除由接地系统造成的屏蔽区。

关键词：接地系统；数值模拟；区域阴保；站场

  

区域阴极保护技术作为防止站场内埋地金属设施腐蚀的一种有效措施，已被普遍使用，并取得了很好的保护效果[1]。相对于长输干线的阴保系统而言，区域阴保具有以下特点：保护对象繁多，阴保电流需求大；地下金属结构复杂，干扰和屏蔽问题突出；阳极地床设计难度大；安全要求高[2]；影响主要来自站场内联合接地和日益庞大的接地系统。

站场内接地网的存在，不仅加大了阴极保护电流需求量，还带来了严重的屏蔽与干扰问题，极大地影响了区域阴保效果和系统长期稳定运行。通过阴保电流分布方式的数值模拟计算，研究确定不同类型接地系统、不同接地系统材料对阴保效果的影响规律，对制定埋地管道与接地网设计布置优化方案具有重要意义。

1  数值模拟

1.1  几何模型建立

调研并收集西部地区某站场内所有埋地构件的几何尺寸、分布位置、表面状况，以及土壤电阻率分布等基本信息，根据现场勘测与图档资料对比，确定管网与接地网的位置和几何尺寸，建立区域阴保数值模拟计算几何模型。

1.2  边界条件

本数值模拟中涉及辅助阳极、接地系统和管网等结构的边界条件。其中，辅助阳极采用恒电流边界条件，即阳极输出电流/阳极表面积；接地系统和管网均采用极化边界条件。

（1）土壤电阻率。土壤电阻率是阴极保护建模中的重要参数，采用温纳四电极交流电法测量站场土壤电阻率为80 Ω·m。

（2）极化曲线。测试低碳钢（扁铁）、低电阻模块（碳）、锌接地（锌包钢）、铜接地在该站场土壤环境的极化曲线，获得管道和接地网边界条件，如图 1所示。

图 1 管道与不同接地材料在土壤中的极化曲线

2  计算结果与分析

2.1  无阴极保护时垂直接地极材料对管道电位和腐蚀速率的影响

由于垂直接地极全裸暴露于土壤中，与管道电连接，垂直接地极材料将影响管道的腐蚀行为。当垂直接地极材料的自然电位相对于管道自然电位正时，垂直接地极将作为阴极，管道成为阳极，管道面临很大风险腐蚀。

垂直接地极有26支，水平接地体采用低碳钢（扁铁）材料。不同材料的垂直接地极对埋地金属结构电位和腐蚀的影响如表 1所示。可以看出，垂直接地极选用低电阻模块和铜接地材料时，会对附近管道造成严重的腐蚀；垂直接地极和水平接地体均采用低碳钢（扁铁）材料时，电位未发生偏移，管道发生自腐蚀。

表 1 垂直接地极材料对管道电位和管道腐蚀的影响

2.2  有阴极保护时接地对阴极保护效果的影响规律

（1）低电阻模块垂直接地极对阴极保护效果的影响

阴极保护系统能够有效保护管网不受腐蚀。但当垂直接地极材料自然电位正于管道的自然电位时，接地系统将对阴极保护系统造成影响。

①远阳极地床。设置4组远阳极地床，每组1支，长1 m，埋深1 m，距离管道15 m，计算结果如图 2所示。地床总输出电流为20 A，附近没有接地网的管道处于过保护；由于一部分阴极保护电流流入接地系统，其他管道处于欠保护，说明存在低电阻模块接地极时，远阳极地床形式很难实现站场内埋地管网各处达到理想的保护效果。

图 2 远阳极地床管道电位分布云图

②近阳极地床。近阳极地床分为3组，每组2支，长1 m，埋深1 m，距离管道2 m时，总输出电流3 A，计算结果如图 3所示。可以发现，当阳极地床靠近管道时，管道的电位均匀性得到改善，但由于部分阳极地床接近接地网，导致阴保电流流入接地系统，管道出现欠保护和过保护。

图 3 近阳极地床管道电位分布云图

近阳极地床最终优化方案如图 4所示，需要阳极地床4组，每组3支，长1 m，埋深1 m，距离管道1 m，总输出电流2.4 A，所有管道都在阴极保护准则要求的范围内，达到良好的保护效果。说明通过近阳极地床的优化分布，可以实现站场埋地管网各处达到理想的保护效果。

图 4 近阳极地床优化后管道电位分布云图

综上所述，站场区域阴极保护中，由于受到接地网的影响，若使用远阳极地床形式，接地网会对阴极保护电流产生屏蔽效应，造成管道存在欠保护区域，仅通过远阳极形式难以消除；而近阳极的优化分布能够减少接地网对管道的干扰，通过优化设计能够实现埋地管道各处达到理想的保护效果。

（2）锌包钢接地极对阴极保护效果的影响

当垂直接地极采用自然电位较负的锌包钢材料时，即使没有阴极保护，接地本身就可以作为牺牲阳极为管道提供一定的保护，但保护范围和锌包钢使用的量有关系，且如果接地网全部换成锌材料还面临消耗及成本问题。

①阴极保护电位正于锌包钢自然电位。水平接地体为低碳钢时，只需阴极保护电流输出1.6 A，管道阴极保护电位处于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保护，如图 5所示。

图 5 保护电流输出1.6 A时低碳钢水平接地体管道电位分布云图

同样，当水平接地体也为锌包钢时，阴极保护系统不输出电流，管道阴极保护电位处于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE，管道受到保护。

②阴极保护电位负于锌包钢自然电位。当水平接地体为低碳钢时，控制阴极保护电位负于﹣1.15 VCSE，阴极保护系统需输出电流4.8 A达到原输出电流的3倍，锌包钢会吸收阴极保护系统电流，显著增加阴极保护系统的负担。管道电位分布云如图 6所示。

图 6 保护电流输出4.8 A时低碳钢水平接地体管道电位分布云图

当水平接地体为锌包钢时，控制阴极保护电位负于﹣1.15 VCSE时，此时阴极保护系统由不输出电流变为需输出电流2.75 A才能达到保护要求，锌包钢将对阴极保护电流造成影响，如图 7所示。

图 7 锌包钢垂直接地极、锌包钢水平接地体管道电位分布云图

当接地网采用锌包钢材料，控制阴极保护系统电位低于锌包钢自然电位时，只需少量阴极保护电流或者不施加电流，管道即可受到保护；但当阴极保护系统电位负于锌包钢电位后，锌包钢会吸收电流，造成阴保系统输出电流增加；通过调正控制电位和优化阳极地床位置可以减少锌包钢对阴极保护电流的影响。

3  结论

（1）垂直接地极材料对管道腐蚀速率有较大的影响，当其为低电阻模块（碳）或铜时，大大加速管道腐蚀，同时对附近管道无法达到理想的保护效果。当其为低碳钢（扁铁）时，管道电位未发生偏移，不会引起管道电偶腐蚀，管道为自腐蚀；而用锌包钢材料将会使管道电位负移，管道受到保护。

（2）站场区域阴极保护中，远阳极地床无法消除密集管网与接地影响造成的电流屏蔽，通过近阳极地床的优化分布可以消除电流屏蔽影响，使各个区域达到理想的保护效果。

（3）当接地网采用锌包钢材料时，其自然电位负于管道的自然电位。若控制阴极保护系统的电位低于锌包钢自然电位时，只需要少量阴极保护电流或者不施加电流，管道即可受到保护；但当阴极保护系统的控制电位负于锌包钢自然电位后，锌包钢会吸收电流，造成阴保系统输出电流增加；通过调正控制电位和优化阳极地床位置可以减少锌包钢对阴极保护电流的影响。

 

参考文献：

[1]赵常英.输油站场区域阴极保护[J].石油工程建设，2010，36(5)：48-50.

[2]吴广春，杜艳霞，路民旭，姜子涛，唐德志.接地系统对区域阴极保护影响规律及解决措施研究现状[J].腐蚀与防护，2014，35(11)：1065-1068+1097.

作者简介：赵康，1987年生，高级工程师，兰州输气分公司常务副经理，主要从事管道完整性管理工作。联系方式：0931-4529219，zhaokang@pipechina.com.cn。