已建油库埋地管道阴极保护

胡士信　陈向新　薛致远　张志远　李永亮　许卫新　谢永发

　　摘　要　对已建油库埋地管道进行阴极保护,解决了埋地30多年的老管道的腐蚀控制问题.
　　关键词　已建油库管道 阴极保护 柔性阳极
　　学科分类号　TG174.41

PRACTICE OF CATHODIC PROTECTION ON EXIST UNDER-GROUND PIPELINE FOR AN OIL STORE
HU Shixin, CHEN Xiangxin, XUE Zhiyuan, ZHANG Zhiyuan, LI Yongliang
(China Oil & Gas Pipeline Survey & Design Institute, Langfang 065000)
XU Weixin
(The State Bureau of Supplies Reserve Under Ministry of Materials and Equipment,Beijing 100834)
XIE Yongfa
(The Ministrate Bureau of Supplies Reserve Under Ministry of Material and Equipment of Hebei Province, Shijiazhuang 050021)

　　ABSTRACT The first practice about the cathodic protection on under-ground pipeline for an oil store in Hebei province has been described. In this project, We successfully used a new cathodic protection technique in cluding a flexible anode and monoblock insulating joint, to protect the pipeline system, which had been buried for more than 30 years, from external corrosion.
　　KEY WORDS under-ground pipelines, oil store, cathodic protection, flexible anode

　　国外对于已建的管道和储罐都有限期整改、补加阴极保护的法规,如美国国家运输部1970年颁发的《美国气体管道联邦最低安全标准》和1988年通过的有关防止油罐泄漏的环保法^［1］.我国对已建的管道和储罐尚未有关于阴极保护的明文规定,不过随着防腐意识的提高,有些部门已开始着手进行已建管道和储罐的阴极保护.本文阐述了国家储备油库已建库区埋地管道阴极保护的实践.国家储备局河北某库是1965年设计,1967～1968年施工,1969年投产超期服役的老库.该库由站桥作业区、输油干线管道、阀室、支线管道和库区油罐组成（图1）.干线管道为双管平行敷设,159×4（4.5）无缝钢管,长度2807.2m（双线长）；罐区分西、北、东三处,共29座,均在山洞里；干线上设有两座阀室分别控制各罐区的供油,两阀室间距494m（双线长）；到西、北、东三个罐区的支线长度分别为275 m、502 m、245 m（双线长）；除此之外,还有通往各罐的支线管道1300 m（单线长）.

Fig.1The distribution of under-ground storage tanks

　　原管道外覆盖层采用了沥青玻璃布结构,两端未设绝缘法兰,干线中间设有静电接地.罐基座落在岩石上,并有扁钢接地.
　　库区座落在太行山脉边缘,所经地段均为黄土高坡,土壤电阻率在47～80 Ω^.m之间,罐区支线电阻率较高,在200 Ω^.m以上,有的支线架设在管沟中（北罐区17^#罐往后、东罐区5^#罐往后）.
　　针对已运行30多年的埋地管道,施加阴极保护,在技术上实施起来困难较多,需作必要的技术改造.

1 阴极保护方案
　　确定阴极保护方案的主要因素是管道防腐层质量优劣、工程规模的大小、土壤环境条件、电源的可利用性及经济性等.
　　可供选择的阴极保护方案有牺牲阳极和强制电流两种方法.牺牲阳极由于输出电流较小,又受土壤电阻率限制,所以只有当覆盖层质量很好,土壤电阻率低的情况下才有应用价值.也就是^［2］
　　　　　　K_∑A=nK_A≤K_Fr(1)
又　　　　(2)
　　　　　　I_A=1.1/ρ　　(3)
把费用和方程（1）代入方程（2）
　　　　　　I_S=36/ρ　　　(4)
　　上述式中, K_∑A牺牲阳极总费用;n牺牲阳极支数,K_A牺牲阳极单支费量, K_Fr强制电流总费用, I_s所需保护电流,I_A单支阳极输出电流, ρ土壤电阻率.
　　依照分析,本项工程管道保护电流密度估计在1～3 mA/m²,再考虑到管道上有钢接地极,接地极的保护电流密度在20 mA/m²左右,以及土壤电阻率较高,采用强制电流阴极保护是经济合理的；且库区有可供利用的电源,故本项工程设计采用强制电流方案.
　　为了限制电流的流动,在施加阴极保护之前,要对管道进行电绝缘改造,即在作业区出口和35^#阀室入口端装设绝缘接头,将保护范围划分为两个区段,即干线和库区支线.与传统的绝缘法兰相比,绝缘接头为整体型、可埋地、安装简单、性能可靠、寿命长,是理想的绝缘装置.按《阴将保护管道的电绝缘标准》的要求,绝缘装置要设有防强电冲击保护^［3］,本项工程计采用了锌接地电池.
　　干线的保护采用PS-1型恒电位仪供电,高硅铸铁阳极接地；库区支线分布无规律,加上均在山沟里,管道敷设在岩石管沟中,常规的保护电流已很难分布均匀,故本项工程设计采用了国内最新技术柔性阳极,沿管道平行敷设,使保护电流均匀分布.柔性阳极是线形辅助阳极,通过PS-1型恒电位仪供电.
　　柔性阳极是一种导电聚合物包裹在铜芯上,外形和电缆一样,所以又叫缆形阳极,直径13 mm,铜芯截面16 mm²,它的特点是：(1) 长距离上电流分布均匀；(2) 在复杂管网区域内解决屏蔽和干扰问题；(3) 用户可根据现场需要截成任意长度；(4) 即使管道覆盖层破坏严重,也能确保保护电流均匀.所以柔性阳极是旧管道改造、罐底外壁保护及高电阻率环境中使用的理想辅助阳极材料.阳极使用时敷设在焦碳地床中.当电流密度小于52 mA/m时,阳极寿命可达40 a^［4］.
　　本项阴极保护工程的内容有：(1) 干线部分.恒电位仪1台, 高硅铸铁阳极40支, 测试桩3支（干线两端及中间）, 绝缘接头4付, 接地电池3付（两端绝缘接头处及高压铁塔处,按美国腐蚀工程师协会推荐标准NACE RP 0177-95的要求设置^［5］).
　　(2) 支线部分. 恒电位仪1台,柔性阳极1100 m, 两套阴极保护系统共用一台控制仪,备用一台恒电位仪,可根据需要随意切换备用机.

2 数据测试
　　本项工程于1997年9月底完工,按规范要求应完全极化后方可测试,故选在一个月后,于11月5日进行了保护参数的综合测试,所测数据列在下列表格里.
　　(1) 土壤电阻率

Table 1 Soil resistivity (Ω^.m)

　　(2) 接地电阻

Table 2 Groundbed-to-earth resistance （Ω）

(3) 自然电位

Table 3 Pipeline-to-soil natural potential（-V,CSE）

Note: all the test points were near the tank

Note: all the test points were at the test post

(4) 保护参数测试

Table 4 The reading of transformer/rectifier

Table 5 Protected potential on pipeline（-V,CSE）

Table 6 Protected potential on branch pipe near the tank（-V,CSE）

Table 7 Protected potential comparison between branch pipe near the tank and 5 m to the flexible anode（-V,CSE）

Table 8 Protected potential comparison between permanent reference electrode and earth surface reference electrode（-V,CSE）

Table 9 Distance between test point at tank point and
the flexible anode (m)

Table 10 Protected potential comparison between the input and output of insolation joint (-V, CSE)

3 数据分析
　　为了更加准确的分析,这里先对阴极保护准则进行回顾,阴极保护的判据通常以保护电位为准则,可供储备库的钢质管道和储罐应用的保护准则有^［6,7,8］:(1) 施加阴极保护电流时,测得的构筑物对地电位为-850 mV（CSE）或更负,测量中应排除土壤中IR降的影响；（2）构筑物土壤界面阴极极化电位差至少100 mV,这个准则可以用于极化的建立过程或衰减过程中；（3） 特殊考虑. 对于透气性差的粘土中,保护电位应为-950 mV或更负；对于温度在60℃以上的钢构筑物的保护电位应为-950 mV或更负；对于高电阻率（>500 Ω^.m）的沙质环境中的钢构筑物的保护电位应为-750 mV；对于裸露或涂敷不良的管道所有测试点,均为净阴极电流流向的管道（比自然电位稍负便可）.
　　上述准则的应用,在实际中较为灵活,当然对于新建工程应执行（1）和（2）的准则,对于旧罐或旧管道的改造,防腐层已很破旧,接近裸管的时候,要实现（1）的标准,在技术上可行,而在经济上不合理,采用（3）中最后一项准则已属十分理想的,因为这一准则已经完全排除了金属表面上氧化过程的存在.
　　在阴极保护准则的应用中,有一个敏感而又复杂的技术问题,就是测量中的IR降影响,由于较为复杂,本文只提醒注意而不再作讨论了.
　　通过表5、表6的保护电位和表3的自然电位比较,施加阴极保护后,各点的电位均有负移,而且在保护的范围内,除干线管道的1^#桩未达到-850 mV准则外,其余均已达到该项准则要求.1^＃桩的保护电位-0.777 V与-0.500 V自然电位相比电位负移了-277 mV,满足了准则2规定的-100 mV的技术要求,若按准则3来判断就更加满足.可以说在没有实行电绝缘的情况下能达到这一结果已实属不易.在表6中有些罐的电位负的不够,均是在架空管沟中,柔性阳极未敷设的地点.有些点,为了比较电位的可靠性,我们采用了闭路电位法进行了柔性阳极5米向的电位测量（表7）,数据的规律是靠近阳极时电位负值增加,这证明了罐区各点的电位是过于保守的数据,靠近柔性阳极的支线管道均应在-1.0 ～-1.3 V之间.在17^＃罐,我们测了3处电位,测点为-1.436 V；5 m处为-1.476 V；柔性阳极顶部为-1.553 V.对于有些罐,在保护范围内而保护电位偏低,如19^＃罐,-0.799 V, 5 m处-0.815 V,这里还有一个原因是测点离柔性阳极太远,距离105 m（表9）,同时,该段105m管道均为架空形式,所以埋地支线管道应完全可达保护的.
　　对于非保护范围的罐体,自然电位-0.5 V左右,通电后为-0.6～0.8 V,其电位也都向负向偏移了.这一问题的解释是,当柔性阳极与支线形成电场时,由于罐底接地,有部分电流通过架空的管道（只起导线作用）流向罐底,使罐底得到一定程度的阴极保护.表10的数据表明,1^＃桩处绝缘接头两侧电位差只有1 mV,没有起到绝缘作用,查其原因是,在绝缘接头的外侧二条管道与二条去加油库的管道平行,在四条管道中间用扁钢横向连接,所以不起绝缘作用.3^＃桩处的绝缘接头两侧各自的电位相差100 mV,属正常值,绝缘性能合格,起到了绝缘作用.
　　表8的数据表明,长效参比电极的数据与便携式参比电极数据相差很大,可能是电极浸泡不全或填料包裹不紧造成的,还应进行长期考查,一般要经过一个雨季之后再作校验.目前应使用便携式参比电极进行管理测试.

4 结束语
　　对于已建的油库施加阴极保护是十分必要的而且是可行的.测试数据表明,干线管道和库区的支线埋地管道,保护电位基本上满足-0.85 V（CSE）准则,作业区的管道由于绝缘失败造成保护电位不够理想,不过按国内外标准衡量,也达到了阴极保护的目的.对于非保护范围的罐底和管道,电位均有负移,消除了氧化反应的可能性,避免了腐蚀的发生,起到了一定程度的阴极保护.在旧管道上采用柔性阳极作为阴极保护的辅助阳极,在国内尚属首次,从阳极接地电阻和保护参数看,柔性阳极性能优良可靠,设计合理,是已建旧管道阴极保护的理想方案之一.作业区绝缘接头失败表明,对于旧管网的电绝缘应放在站区外侧,以免站区内管网均压线的接地影响绝缘性能.

作者单位：胡士信　陈向新　薛致远　张志远　李永亮（中国石油天然气管道勘察设计院 河北廊坊 065000）
　　　　　许卫新（国家物资储备局 北京 100834）
　　　　　谢永发（河北储备物资管理局 石家庄 050021）

参考文献
　1 Joseph A^.Lehman著. 胡 莹译. 油气储运, 1996,6,58
　2 W^.V贝克曼著. 胡士信译. 阴极保护手册. 北京:人民邮电出版社, 1990, 386
　3 SY/T 0086-95, 阴极保护管道的电绝缘标准
　4 米琪译. 国外油气储运. 1993,4:48
　5 NACE RP0177-95 减轻交变电流和雷电对金属构筑物和腐蚀控制系统影响的措施
　6 NACE RP0169-96 Control of External Corrosion on Underground orSubmerged Metallic Piping System
　7 SYJ36-89, 埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范
　8 Q/GD 0199-1996 站内区域性阴极保护设计规范

收到初稿: 1998-04-09, 收到修改稿:1998-06-04