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行外腐蝕防護。隨著油田站場運行時間的增長，站內(nèi)埋地管道及儲罐底板腐蝕泄漏問題日益突出，這成為了站場運行的安全生產(chǎn)隱患[1-3]。區(qū)域陰極保護能夠為油田站場埋地管道及儲罐底板提供防護，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效果[4-5]。 

相比傳統(tǒng)的陰極保護方法，區(qū)域陰極保護將范圍內(nèi)的所有預(yù)保護對象看做一個整體，依靠合理的陽極分布和陰極保護電流分配使得范圍內(nèi)的對象得到保護[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，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)驗準(zhǔn)確確定站場內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護電流需求量，這給陰極保護的設(shè)計帶來了困難[9-10]。此外，復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)物會屏蔽陰極保護電流，導(dǎo)致陰極保護陽極地床設(shè)計難度增加[11-12]。因此，如何對已建油田站場補加區(qū)域陰極保護，準(zhǔn)確確定保護電流需求[13]，合理設(shè)計陽極地床，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)場饋電試驗和數(shù)值模擬[15-17]相結(jié)合的方法，確定了保護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，為油田站場補加區(qū)域陰極保護工程提供參考。 

1.   現(xiàn)場饋電試驗

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   試驗內(nèi)容和方法

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

（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 

現(xiàn)場饋電試驗通過在站場建立臨時陰保系統(tǒng)，分區(qū)對站內(nèi)埋地管道和儲罐底板進行臨時保護，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、屏蔽區(qū)域和干擾等情況。利用饋電試驗測得的通/斷電電位分布數(shù)據(jù)可以評估臨時陽極地床的保護范圍以及電位衰減情況。試驗中，陰極保護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)域保護電流需求量以及保護范圍，可以獲得整個區(qū)域內(nèi)保護電流需求量以及不同區(qū)域保護的難易等重要信息。圖1為某油田的平面布局、饋電試驗測試點和臨時陽極地床位置示意。 

圖  1  某油田站場平面布局、饋電試驗測試點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行臨時保護。表1為采用不同陽極地床饋電試驗的電源輸出電流、輸出電壓等參數(shù)。 

在第一次饋電試驗中，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#測試點的斷電電位（相對于CSE，下同）為-732 mV，極化電位偏移量達到-120 mV；17#測試點的斷電電位為-640 mV，極化電位偏移量達到-50 mV；18#測試點的斷電電位為-704 mV，極化電位偏移量達到-84 mV；19#測試點的斷電電位為-839 mV，極化電位偏移量達到-229 mV。2#儲罐外圍只有16#和19#測試點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個儲罐和管道時，24 A的保護電流不足以使該油田中20 000 m3小型儲罐外圍電位達到保護要求。 

在第二次饋電試驗中，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，試驗結(jié)果如表3所示。其中，1#儲罐40#測試點的斷電電位為-828 mV，極化電位偏移量達到-188 mV；41#測試點的斷電電位為-743 mV，極化電位偏移量達到-100 mV；42#測試點的斷電電位為-811 mV，極化電位偏移量達到-154 mV；43#測試點的斷電電位為-838 mV，極化電位偏移量達到-183 mV。1#儲罐外圍各測試點的極化電位負(fù)向偏移量均達到或超過100 mV。試驗結(jié)果表明，當(dāng)站場存在7個儲罐和管道時，36 A的保護電流只能使該油田中一個50 000 m3大型儲罐的外圍極化電位達到保護要求，而儲罐中心的極化電位仍不能達到保護要求，因此若要完全保護該站場一個大型儲罐，需要更大的電流量。 

在第三次饋電試驗中，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#測試點的斷電電位為-1 176 mV，稍遠一些的46#和50#測試點的斷電電位分別為-924、-896 mV，都達到了-850 mV的陰極保護準(zhǔn)則；9#和44#測試點的斷電電位分別為-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，達到-850 mV陰極保護準(zhǔn)則。 

根據(jù)第一次饋電試驗結(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個儲罐和管道時，24 A的保護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到保護要求。第二次饋電試驗結(jié)果表明，當(dāng)站場存在7個儲罐和管道時，36.4 A的保護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，達到-850 mV陰極保護準(zhǔn)則。圖2為某油田站場饋電試驗中陽極地床的保護范圍。 

圖  2  某油田站場饋電試驗中陽極地床的保護范圍

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

2.1   區(qū)域陰極保護三維幾何模型

根據(jù)站場實際埋地管道、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)場饋電試驗數(shù)據(jù)反演計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測試電位進行比較。若數(shù)值模擬得到的電位與真實電位誤差在10%以內(nèi)，反演的邊界條件接近于站場的實際情況。如誤差超過10%，則反演結(jié)果不能真實反映油田站場的電位分布情況，需根據(jù)兩者的差值進行修正，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算得到斷電電位，并將其與三次饋電試驗中實地測試斷電電位進行比較，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。該模型能夠真實反映油田站場陰極保護效果。 

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

根據(jù)建立的油田站場區(qū)域陰極保護模型，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效果進行計算。通過調(diào)整陽極分布位置、數(shù)量和陽極地床形式，進行陽極地床分布優(yōu)化設(shè)計，得到油田站場中單個儲罐和部分管道受到保護、整體管道和儲罐受到保護情況下陽極地床的位置和管道斷電電位的分布。 

2.3.1   單個儲罐和部分管道受到保護

選擇離管道最近的4#儲罐和部分管道作為保護對象。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電位分布云圖如圖7所示。圖中黑色虛框為受保護的管道和儲罐區(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對象得到有效保護，2#儲罐和7#儲罐雖然與陽極地床距離較遠，但儲罐之間電連接，它們可以從其他儲罐吸收保護電流，因此也得到有效保護。當(dāng)模型中只有單個儲罐時，只需13 A電流就可以使儲罐得到有效保護，如圖8所示。 

圖  7  在單個儲罐和部分管道受到保護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  單個儲罐達到保護時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

將站內(nèi)整體管道和儲罐作為保護對象，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電位分布云圖如圖9所示?？梢钥吹剑娢环植挤秶鸀?1.20~-0.85 V，站內(nèi)埋地管道和儲罐均得到有效保護。 

圖  9  在整體管道和儲罐受到保護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。 

在4#罐東北與西南方向80 m處各設(shè)置了一個深井陽極，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。按照該方案進行了現(xiàn)場實施。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)管道的保護效果。陽極地床位置和測試點位置如圖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，進行通/斷電電位測試，記錄測試點處對應(yīng)的通/斷電電位Eon和Eoff，如表6所示。管道上1#~8#測試點的斷電電位和4#罐上9#~16#測試點的斷電電位均滿足-850 mV陰極保護準(zhǔn)則，站場示范區(qū)內(nèi)的管道均得到有效保護。 

4.   結(jié)論

（1）通過在某油田站場開展分區(qū)域饋電試驗，在存在7個儲罐的罐區(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)域保護電流為15 A，保護范圍約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)域陰極保護三維數(shù)學(xué)模型，通過饋電試驗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)化計算確定了整個油田站場的陽極優(yōu)化分布方案。 

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

文章來源——材料與測試網(wǎng)