朱加祥,賈光猛,尚增輝,杜明俊,李 曄,趙常英

(中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司，任丘 062552)

陰極保護(hù)利用通電技術(shù)使金屬表面陰極電位降低到陽極電位，各點(diǎn)電位達(dá)到一致，消除陽極區(qū),從而減緩腐蝕[1]。通常對(duì)埋地管道采用外涂層和陰極保護(hù)來防止管道的外部腐蝕，外涂層提供第一道防護(hù)屏障，陰極保護(hù)作為腐蝕防護(hù)的第二道屏障，能有效防止涂層存在缺陷(如針孔和漏點(diǎn))或涂層脫落時(shí)管道發(fā)生腐蝕[2]。國內(nèi)外工程實(shí)踐證明，對(duì)輸油站場(chǎng)/庫區(qū)實(shí)施強(qiáng)制電流的區(qū)域性陰極保護(hù)比單獨(dú)采用涂層防腐蝕技術(shù)或犧牲陽極保護(hù)技術(shù)更加有效，可有效避免由腐蝕失效造成的危險(xiǎn)事故[3-4]。國內(nèi)越來越多的新建站場(chǎng)和已建站場(chǎng)，已經(jīng)實(shí)施或正在逐步實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)。然而，陽極埋設(shè)處土壤電阻率變大[5]，焦碳降阻材料性能下降、失效[6]，陽極地床發(fā)生氣阻現(xiàn)象[7]等眾多因素都能影響陰極保護(hù)的效果,因此陰極保護(hù)失效也時(shí)有發(fā)生。

某大型站場(chǎng)分為三個(gè)庫區(qū)(成品油庫區(qū)、原油庫區(qū)和首站)，為了防止110 km埋地管道和設(shè)備底座發(fā)生腐蝕，整個(gè)站場(chǎng)采用強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)埋地管道、設(shè)備底座采用1 642支淺埋分布式高硅鑄鐵陽極進(jìn)行陰極保護(hù)。陽極規(guī)格為φ159 mm×2 000 mm，陽極埋深1.8 m，陽極間距2.5～60 m，采用接線箱對(duì)陰極保護(hù)電流進(jìn)行分配，整個(gè)站場(chǎng)共有35套系統(tǒng)，其中恒電位儀規(guī)格為75 V/50 A。該陰極保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行半年后，測(cè)試樁保護(hù)電位的合格率從最初的97%逐漸降低至80%左右，影響了陰極保護(hù)的效果。本工作針對(duì)該站場(chǎng)部分陰極保護(hù)失效問題，分析了陰極保護(hù)電位降低以及恒電位儀輸出電壓偏高的原因，以期為同類型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和改造提供借鑒。

1 陰極保護(hù)的輸出參數(shù)

整個(gè)庫區(qū)陰極保護(hù)系統(tǒng)于2016年投產(chǎn)運(yùn)行，半年之后，陰極保護(hù)的合格率出現(xiàn)了降低，所有的恒電位儀輸出電壓都出現(xiàn)了偏高。表1為成品油庫區(qū)5套陰極保護(hù)系統(tǒng)目前的運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)采用恒電流運(yùn)行模式。

表1 成品油庫區(qū)5套陰保系統(tǒng)恒電位儀運(yùn)行參數(shù)Tab. 1 Operating parameters of 5 sets of potentiostats for cathodic protection system in refined oil depot

CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀的輸出參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示，陰極保護(hù)電位如圖3所示。恒電位儀的輸出參數(shù)在建成投產(chǎn)的4個(gè)月之內(nèi)運(yùn)行良好，通電點(diǎn)的陰極保護(hù)電位(相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極)也能滿足GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》負(fù)于-850 mV的要求， 投產(chǎn)4個(gè)月之后，恒電位儀的輸出參數(shù)開始升高，一些系統(tǒng)恒電位儀的輸出電壓甚至達(dá)到了額定輸出電壓。對(duì)于改造的油氣站場(chǎng)，部分管道的防腐蝕層已經(jīng)劣化，在陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，應(yīng)適當(dāng)提高保護(hù)電位或通過測(cè)量斷電電位調(diào)整陰極保護(hù)狀態(tài)，避免管線由于絕緣防腐蝕層劣化導(dǎo)致腐蝕穿孔[8]。由于陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻升高，為了保證恒電位儀在額定電壓下運(yùn)行，如果提高保護(hù)電壓,就得調(diào)低恒電位儀的輸出電流。因此陰極保護(hù)范圍和效果都會(huì)受到影響。

(a) 輸出電壓

(b) 輸出電流圖2 CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓、電流 與時(shí)間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between output voltage (a), current (b) and time for potentiostat of cathodic protection system CP-02

圖3 CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)通電點(diǎn)處的陰極保護(hù)電位Fig. 3 Cathodic protection potentials at switch-on points of cathodic protection system CP-02

根據(jù)歐姆定律，恒電位儀輸出電壓可以用式(1)表示。

V恒=I(Ra+RL+RC)+VR

(1)

式中：V恒為直流電源輸出電壓，V；Ra為陽極接地電阻，Ω；RL為線電阻(可取0.3～1 Ω)，Ω；RC為陰極過渡電阻，Ω；VR為反電動(dòng)勢(shì)，V。

回路電阻主要包括三部分:陽極接地電阻、導(dǎo)線電阻和陰極過渡電阻[9]。陰極保護(hù)回路可以等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的直流串聯(lián)回路[10]，其負(fù)荷即為全回路中的總電阻。在恒電位儀輸出電壓的幾個(gè)影響因素中，導(dǎo)線電阻和反電動(dòng)勢(shì)一般較小，可以視為定值，它們對(duì)恒電位儀輸出電壓的影響有限；而陽極接地電阻和管道陰極過渡電阻對(duì)恒電位儀輸出電壓的影響較大，在整個(gè)系統(tǒng)回路中，陽極地床的接地電阻占回路電阻的70%～80%[11]。受干燥土壤介質(zhì)的影響，陽極與土壤之間的接觸電阻增加比較明顯，導(dǎo)致陽極接地電阻和陰極過渡電阻增加，從而使恒電位儀的輸出電壓升高。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 土壤電阻率

土壤電阻率測(cè)量參照了GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》中土壤電阻率(等距法)，采用標(biāo)準(zhǔn)四級(jí)法對(duì)地表、地表下1 m和1.5 m深度的土壤電阻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：地表土壤電阻率在150 Ω·m左右；地表下1 m、電極間距1 m處土壤電阻率為207～244 Ω·m；地表下1.5 m、電極間距0.5 m處土壤電阻率大于279 Ω·m，有些測(cè)量值還超出了儀器的量程。隨著土壤深度的增加，土壤電阻率也隨之增大，庫區(qū)內(nèi)深層土壤含水量少，較為干燥，土壤電阻率大。地表土壤電阻率為地表所測(cè)范圍內(nèi)的平均值，如站場(chǎng)位于干旱的戈壁灘,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮土壤電阻率的不均勻性，尤其是在深層土壤電阻率較大的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮因土壤電阻率升高導(dǎo)致系統(tǒng)回路電阻升高的情況。

表2 不同深度土壤的電阻率Tab. 2 Resistivity of soil at different depths

2.2 陽極所處環(huán)境及其表面形貌

高硅鑄鐵陽極采用水平方式安裝，陽極周圍的土壤含有較多尺寸為1～5 cm的碎石，有的石塊尺寸甚至超過20 cm，碎石增大了陽極與土壤之間的空隙，縮小了陽極與土壤之間的接觸面積，導(dǎo)致陽極與土壤的接觸電阻增大。

該陰極保護(hù)系統(tǒng)采用φ159 mm×2 000 mm的預(yù)包裝的高硅鑄鐵陽極。開挖出的鋼套管表面已經(jīng)發(fā)生腐蝕，在表層可見厚度為1～2 mm的鐵銹層，如圖4所示。一般情況下，陽極的氧化反應(yīng)首先發(fā)生在鋼套管處，即鋼套管首先被腐蝕消耗，形成鐵銹層，在偏堿性土壤環(huán)境中陽極鋼套管處發(fā)生的反應(yīng)如式(2)所示。

圖4 高硅鑄鐵陽極表面腐蝕形貌Fig. 4 Corrosion morphology of surface of high silicon cast iron anode

(2)

2Fe(OH)2繼續(xù)氧化轉(zhuǎn)變成Fe(OH)3，最終脫水轉(zhuǎn)變成鐵銹Fe2O3·xH2O。鋼套管上的最終產(chǎn)物Fe2O3·xH2O是一種疏松多孔的物質(zhì)[13]，在干燥和含有較高硫酸鹽的環(huán)境中，高硅鑄鐵陽極表面的保護(hù)膜不易形成或易受到損壞，因此其保護(hù)性能不佳[14]。在干燥環(huán)境中，鐵銹增大了鋼套管與土壤的接觸間隙，導(dǎo)致陽極與土壤的接觸電阻增大，尤其當(dāng)陽極和焦炭層被鍍鋅鐵皮包覆后，水很難進(jìn)入焦炭層，大大影響焦炭層的導(dǎo)電性能，使陽極接地電阻居高不下，對(duì)陰極保護(hù)不利[14]。

同時(shí)在偏堿性的土壤環(huán)境中，陽極發(fā)生的反應(yīng)大多需要氧參與，該反應(yīng)不產(chǎn)生氣體，但土壤中的氯離子得到電子會(huì)產(chǎn)生氯氣，土壤中產(chǎn)生的氯氣與陽極的孔洞并無關(guān)系，不存在氯氣無法排除的氣阻現(xiàn)象。陽極鋼套管首先腐蝕消耗，說明陽極內(nèi)焦炭導(dǎo)電性能良好。

2.3 陽極澆水降阻

引起陽極接地電阻升高最可能的原因是干燥的地質(zhì)條件和封閉的預(yù)包裝鑄鐵陽極。為了改變土壤的干燥程度，控制陽極地床的接地電阻，從8月份開始對(duì)陽極進(jìn)行澆水降阻，處理后恒電位儀輸出電壓隨時(shí)間關(guān)系如圖5所示。水分與多孔的土壤結(jié)構(gòu)相結(jié)合，多余的水分可以填補(bǔ)土壤孔隙，增強(qiáng)了土壤的導(dǎo)電性，使陰極保護(hù)系統(tǒng)能更好地保護(hù)埋地管道裸露的表面[15]。結(jié)果表明：剛澆水時(shí)，接地電阻明顯降低，這是因?yàn)榻o陽極床澆水時(shí)，土壤中的水分得以增加，水分與套管接觸的同時(shí)也降低了陽極接觸電阻，保證陽極的電流流通；但陽極接觸電阻的降低只能保持較短時(shí)間，隨著水分的蒸發(fā)擴(kuò)散，陽極與土壤介質(zhì)之間變得干燥，陽極接地電阻又會(huì)迅速升高，因此對(duì)淺層地表澆水達(dá)不到持續(xù)降低接地電阻的效果。

圖5 澆水處理后CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀 輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between output voltage and time for potentiostat after watering of cathodic protection system CP-02

在不同的庫區(qū)，恒電位儀輸出電壓超載的現(xiàn)象并不一樣。當(dāng)陽極間隔較小(5～10 m)時(shí)，恒電位儀輸出電壓一般不超限，陰極保護(hù)電流輸出較小，單支陽極的保護(hù)范圍也較小，陽極消耗反應(yīng)對(duì)土壤中水分的需要量較少。當(dāng)陽極間隔較大(10～20 m)時(shí)，單支陽極的保護(hù)范圍較大，恒電位儀的輸出電流也相對(duì)較高，這增加了恒電位儀輸出電壓超限的可能性。

陽極和管道的埋設(shè)位置一般位于凍土層以下[16]，庫區(qū)內(nèi)深層土壤非常干燥，自然降雨僅能濕潤(rùn)淺層地表，表層土壤電阻率變小，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，使部分回路的接地電阻降低，但大多數(shù)回路的接地電阻仍然較高，這也說明淺層土壤含水率增加對(duì)凍土線以下陽極的接地電阻影響有限。

對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)而言，涂層質(zhì)量的劣化、土壤參數(shù)的改變和輔助陽極的埋深和數(shù)量都是影響接地電阻變化的重要因素。土壤參數(shù)隨季節(jié)性降雨而改變，直接影響陽極接地電阻。按現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448-2017 中“在最大的預(yù)期保護(hù)電流需要量時(shí)，地床的接地電阻上的電壓降應(yīng)小于額定輸出電壓的70%”的要求，及該油庫所選恒電位儀(50 A/75 V)運(yùn)行參數(shù)不能超過52 V的限制，降低陽極接地電阻時(shí)應(yīng)考慮恒電位儀電壓輸出隨季節(jié)性變化和地質(zhì)環(huán)境變化對(duì)陽極接地電阻帶來的影響。

每套陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝了4個(gè)陽極接線箱，每個(gè)陽極箱輸出4路，每路包括3個(gè)高硅鑄鐵陽極。表3為CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極接地電阻。表中澆水情況下陽極接地電阻是指澆水后3 d內(nèi)測(cè)得的陽極接地電阻平均值。從表3中可以看出，澆水之后回路的陽極接地電阻明顯低于未澆水回路的陽極接地電阻；未澆水情況下，單支陽極的接地電阻最大為882 Ω，根據(jù)單支水平陽極接地電阻公式反推，埋深2 m處土壤電阻率已經(jīng)接近2 800 Ω·m。

表3 CP-02陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極接地電阻Tab. 3 Grounding resistance of anode in cathodic protection system CP-02 Ω

3 結(jié)論

(1) 庫區(qū)深層土壤較為干燥，土壤電阻率隨土壤深度的變化較為明顯，而庫區(qū)多碎石的土壤環(huán)境加大了陽極與土壤接觸的空隙，減小了陽極與土壤的接觸面積，導(dǎo)致陽極與土壤介質(zhì)接觸電阻升高。

(2) 在設(shè)計(jì)輸油站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，選擇合適的陽極類型是陰極保護(hù)成功與否的關(guān)鍵因素，對(duì)于土壤電阻率較高的環(huán)境，可以選用受條件影響較小的輔助陽極，在采用高硅鑄鐵陽極時(shí)，最好選用非預(yù)包裝陽極。

(3) 在地表淺層對(duì)陽極進(jìn)行澆水，陽極接地電阻降低,但降阻僅持續(xù)較短時(shí)間。

(4) 由于現(xiàn)場(chǎng)年降雨量低，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，設(shè)計(jì)陽極地床時(shí)應(yīng)該考慮深層土壤電阻率過高導(dǎo)致接地電阻過大的問題，可以采用澆水保濕和非預(yù)包裝陽極的方式進(jìn)行降阻處理。