崔進(jìn)杰，劉高生，宋章喜

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 鄭州

1. 引言

沙特拉斯坦努拉管道工程項目是沙特阿美為了最大限度地維持產(chǎn)能、增強管線運行靈活性、降低對沿線城鎮(zhèn)環(huán)境破壞的風(fēng)險，而實施地在役管道改造項目。項目新建φ30 英寸、φ40 英寸、φ42 英寸、φ46英寸到φ48 英寸陸上管道10 條，管線位于4 個正在運行的管廊帶內(nèi)。陰極保護設(shè)計需統(tǒng)一考慮新建管線和已有管線，對已有的陰極保護系統(tǒng)的容量、狀態(tài)進(jìn)行評估和升級。陰極保護站采用整流器，將利用阿美的供電系統(tǒng)，在閥室附近設(shè)置。陰極保護設(shè)計比往常更為復(fù)雜，保護范圍有效覆蓋全部管線尤為重要。

外加電流法陰極保護是埋地鋼制管道防止腐蝕的主要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于長輸管道[1]。按照國內(nèi)外通常的設(shè)計思路，管線的保護范圍在選擇橫電位儀或整流器時已經(jīng)考慮進(jìn)去，即：根據(jù)管線規(guī)格、長度和保護電流密度等進(jìn)行工藝計算，結(jié)合效率等因素，選擇橫電位儀或整流器。具體公式為：

其中：

Ir——陰極保護電流需求；

D——管道直徑；

L——管道保護長度；

i——設(shè)計規(guī)范要求的電流保護密度。

本文所論述的方法，是根據(jù)管線外加電流，隨著管線長度的增加，由于保護損耗和電流衰減，而達(dá)到最低規(guī)范保護電位時的管線長度。

2. 電位衰減計算

衰減計算是對埋地鋼制管道施加外加電流陰極保護后，在滿足規(guī)范要求的保護參數(shù)下，根據(jù)衰減公式計算出最長保護距離，將其與整流器或恒電位儀的保護距離進(jìn)行對比，從而判斷保護長度是否滿足要求。

2.1. 電位變化計算

電流流出點的最大電位改變公式如下：

其中：

C1——電流流出點的最大電位改變；

C2——點X 處的電位改變；

α——為衰減常數(shù)；

Lmax——從陰極保護電流流出點到滿足規(guī)范保護電位下管道的最長距離。

2.2. 最大保護長度

在滿足設(shè)計規(guī)范情況下，管道最大保護長度計算公式如下：

2.2.1. 最大電位改變C1 的計算

其中：

P1——電流流出點最大電位；

P2——管道對土壤的自然電位。

2.2.2. 管線任一點X 的電位改變C2 的計算

其中：

P3——管道對土壤的最小電位；

P2——管道對土壤的自然電位。

2.3. 衰減常數(shù)

其中：

Rs——鋼管線性電阻率(Ω/km)；

RL——防腐層泄露電阻率(Ω/km)。

2.3.1. 鋼管線性電阻率RS的計算

其中：

ρs——鋼的電阻率(Ω/m)；

L——鋼管長度(m)；

A——鋼管的橫截面積。

鋼管橫截面積按照下式計算

其中：

D——管道直徑；

t——鋼管壁厚。

2.3.2. 防腐層泄露電阻RL的計算

其中：

f——防腐層電導(dǎo)率(S/m2)；

D——鋼管直徑；

L——鋼管長度(m)。

3. 應(yīng)用實例

3.1. QA 管廊陰極保護

QA 管廊跨度為61 km，包括QA-4 和QA-10，其中QA-4 新建2 條42 寸管線共計35.2 km，已存在42 寸管線12 km，已存在40 寸管線21 km；QA-10 新建2 條30 寸管線共計11.7 km，已存在30 寸管線53.7 km，已存在24 寸管線1.3 km。管線位于靠近海邊的沙漠地區(qū)(Subkha 地區(qū))，水位較淺，土壤電阻率小。

管道陰極保護采用外加電流法，設(shè)計壽命20 年，陰極保護設(shè)計要求對管廊內(nèi)的平行管線同時施加。按照沙特阿美企業(yè)規(guī)范(SAES-X-40)，陰極保護設(shè)計及運行標(biāo)準(zhǔn)如表1：

Table 1. Cathodic protection criteria for berried pipeline 表1. 埋地管道陰極保護標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)陰極保護工藝計算及材料選擇，最終確定采用50 V/300 A 的整流器和混和金屬氧化物陽極地床，采用深井陽極，對管廊內(nèi)的并行管道同時進(jìn)行保護，每20 km 設(shè)置一處陰保站(安裝整流器)。

按照上述設(shè)計，如何從不同的角度，判定陰極保護能否覆蓋全部管道，采用電位衰減計算，是較為有效的方法。

3.2. 保護范圍計算

3.2.1. 電位的計算

按照沙特阿美公司陰極保護規(guī)范，運行的最大電位不能高于?1.15 V，通過測量管道對土壤的自然電位為0.6 V。

電流流出點的最大電位改變C1為：

通過測量，管道對土壤的最小電位P3為0.85 V，則管線任一點X 的電位改變C2為：

3.2.2. 衰減常數(shù)的計算

管道規(guī)格為42 英寸，壁厚為11.1125 mm 管道橫截面積計算

鋼的電阻率為0.18 × 10?6Ω/m，鋼管長度取1 km，則鋼管線性電阻率RS為

鋼管直徑1.016 m，長度取1 km，防腐層電導(dǎo)率30 S/m，防腐層泄露電阻RL為

由已求得的RS和RL，計算衰減常數(shù)為：

3.2.3. 最長保護距離

根據(jù)已求得的C1、C2和α，最長保護距離(衰減長度) Lmax為

直徑為42 英寸的鋼管長度為47.2 km，陰保站設(shè)計的跨度為20 km，而計算的保護范圍64.49 km 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 km，按照陰保設(shè)計，陰極保護的范圍完全滿足要求。

按照同樣的方法，計算其它幾種并行管道，結(jié)果均能滿足保護要求。所以，陰極保護設(shè)計選定的保護方案、整流器、陽極地床等滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對全部管道的有效保護。

3.3. 影響應(yīng)用效果的因素

影響計算效果的因素為管線路由內(nèi)的土壤環(huán)境、規(guī)范要求的保護電位、土壤自然電位和土壤最小電位、防腐層電導(dǎo)率、鋼管規(guī)格等，其中規(guī)范保護電位在設(shè)計選定規(guī)范時，就已經(jīng)確定；鋼管規(guī)格在管線水力計算確定后，即可確定；防腐層電導(dǎo)率根據(jù)選擇的防腐材料類型，能夠確定。因此，影響的主要因素是土壤環(huán)境、土壤電位測量方式、土壤自然電位和土壤最小電位。

該算法主要適用于土壤電阻率相對較小的環(huán)境，案例所在的沙特沿海Subkha 和沙漠地區(qū)，地下1.5 m的電阻率最小處為0.01 Ω，最大處為1.23 Ω。土壤自然電位和最小電位是計算使用的重要數(shù)據(jù)，其測定采用4 支CU/CuSO4參比電極溫納測量方法，測量多組數(shù)據(jù)，求平均值，以獲得高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到好的計算效果。

4. 結(jié)束語

在埋地鋼制管道外加電流陰極保護設(shè)計中，通過電位衰減計算，對判斷能否全部覆蓋整條管線具有較多優(yōu)點。一是，采用與陰極保護工藝計算不同的角度，驗證保護范圍，增加了設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)性；二是，計算步驟清晰、簡單快速，使用方便；三是，計算所需的數(shù)據(jù)容易獲得。