分享：某油田站场区域阴极保护现场试验与方案

迄今为止，国内很多油田站场埋地管道与储罐底板仅采用防腐蚀层进行外腐蚀防护。随着油田站场运行时间的增长，站内埋地管道及储罐底板腐蚀泄漏问题日益突出，这成为了站场运行的安全生产隐患[1-3]。区域阴极保护能够为油田站场埋地管道及储罐底板提供防护，降低生产中的安全隐患，近年来该技术在油气管道站场得到了广泛应用，并取得了良好的防护效果[4-5]。 

相比传统的阴极保护方法，区域阴极保护将范围内的所有预保护对象看做一个整体，依靠合理的阳极分布和阴极保护电流分配使得范围内的对象得到保护[6-7]。油田站场内的金属结构物众多且分布复杂，包括输油管道、消防管道、放空管道、储罐及其电连接的其他金属结构物[8]。同时，管道防腐蚀层类型、储罐底部防腐蚀层劣化程度等均存在不同，因此难以通过经验准确确定站场内金属结构物的阴极保护电流需求量，这给阴极保护的设计带来了困难[9-10]。此外，复杂的金属结构物会屏蔽阴极保护电流，导致阴极保护阳极地床设计难度增加[11-12]。因此，如何对已建油田站场补加区域阴极保护，准确确定保护电流需求[13]，合理设计阳极地床，避免管道和储罐底板发生腐蚀和泄漏[14]，成为油田站场腐蚀控制管理有待解决的技术难题。 

作者以某投入使用20 a的油田站场为研究对象，通过现场馈电试验和数值模拟[15-17]相结合的方法，确定了保护电流的需求量及阳极地床分布方案，该方案在示范应用中取得了良好的效果，为油田站场补加区域阴极保护工程提供参考。 

1.   现场馈电试验

某油田站场主要分为管道区和储罐区，站内的主要保护对象是储罐底板和埋地管道。2#、3#储罐为小型储罐，其底部直径为40 m，容积为20 000 m3；1#、4#、5#、6#和7#储罐为大型储罐，底部直径为60 m，容积为50 000 m3。管道总长为3.1 km。 

1.1   试验内容和方法

首先进行现场调查和测试，在此基础上进行馈电试验确定站场区域阴极保护电流的需求量。 

（1）现场调查 

通过现场调查掌握油田站场的基础情况，包括埋地管道和其他地下金属结构物的尺寸和空间分布，储罐底板及管道的防腐蚀层情况，可开挖并埋设临时阳极的位置。 

（2）现场测试 

现场测试内容包括自然腐蚀电位测量和土壤电阻率测试。使用地表参比电极测试电位；采用温纳四极法测试站场内不同区域和不同深度的土壤电阻率。 

（3）馈电试验 

现场馈电试验通过在站场建立临时阴保系统，分区对站内埋地管道和储罐底板进行临时保护，检测埋地管道和储罐底板的电位分布，分析确定相应的电流需求量、电流流失点、屏蔽区域和干扰等情况。利用馈电试验测得的通/断电电位分布数据可以评估临时阳极地床的保护范围以及电位衰减情况。试验中，阴极保护电流由直流电源提供，待极化电位相对稳定后，记录埋地管道的通/断电位，参比电极为铜/饱和硫酸铜电极（CSE）。通过对比不同区域保护电流需求量以及保护范围，可以获得整个区域内保护电流需求量以及不同区域保护的难易等重要信息。图1为某油田的平面布局、馈电试验测试点和临时阳极地床位置示意。 

图  1  某油田站场平面布局、馈电试验测试点和阳极地床位置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of layout, feeding test points and anode ground bed location in an oilfield station

1.2   现场馈电试验结果

现场测试结果表明，在油田站场地下2 m深度内，土壤平均电阻率为20.10 Ω·m。 

在不同馈电试验中，采用不同的阳极地床分区对站内埋地管道和储罐底板进行临时保护。表1为采用不同阳极地床馈电试验的电源输出电流、输出电压等参数。 

在第一次馈电试验中，1#阳极地床布置在2#储罐东南位置，输出电流为24.0 A，测试了距离阳极最近的2#储罐的断电电位，结果如表2所示。其中，16#测试点的断电电位（相对于CSE，下同）为-732 mV，极化电位偏移量达到-120 mV；17#测试点的断电电位为-640 mV，极化电位偏移量达到-50 mV；18#测试点的断电电位为-704 mV，极化电位偏移量达到-84 mV；19#测试点的断电电位为-839 mV，极化电位偏移量达到-229 mV。2#储罐外围只有16#和19#测试点的极化电位偏移超过100 mV。以上结果表明，当站场存在7个储罐和管道时，24 A的保护电流不足以使该油田中20 000 m3小型储罐外围电位达到保护要求。 

在第二次馈电试验中，2#阳极地床布置在1#储罐的东北和西南方向，其01和02阳极地床输出电流分别为20.5 A和15.9 A，试验结果如表3所示。其中，1#储罐40#测试点的断电电位为-828 mV，极化电位偏移量达到-188 mV；41#测试点的断电电位为-743 mV，极化电位偏移量达到-100 mV；42#测试点的断电电位为-811 mV，极化电位偏移量达到-154 mV；43#测试点的断电电位为-838 mV，极化电位偏移量达到-183 mV。1#储罐外围各测试点的极化电位负向偏移量均达到或超过100 mV。试验结果表明，当站场存在7个储罐和管道时，36 A的保护电流只能使该油田中一个50 000 m3大型储罐的外围极化电位达到保护要求，而储罐中心的极化电位仍不能达到保护要求，因此若要完全保护该站场一个大型储罐，需要更大的电流量。 

在第三次馈电试验中，3#阳极地床放在管道区，输出电流为15 A，结果如表4所示。其中，最近的51#测试点的断电电位为-1 176 mV，稍远一些的46#和50#测试点的断电电位分别为-924、-896 mV，都达到了-850 mV的阴极保护准则；9#和44#测试点的断电电位分别为-710 mV和-737 mV，极化电位偏移量分别为-46 mV和-58 mV，极化电位偏移量低于100 mV。试验结果表明，浅埋阳极地床输出15 A的电流能使30 m范围内管道断电电位负移至-850 mV以下，使2 m内管道断电电位负移至-1 176 mV，达到-850 mV阴极保护准则。 

根据第一次馈电试验结果，只有最靠近阳极地床位置的储罐偏移量最大。当站场存在7个储罐和管道时，24 A的保护电流不能使该油田站场中一口20 000 m3小型储罐的外围极化电位达到保护要求。第二次馈电试验结果表明，当站场存在7个储罐和管道时，36.4 A的保护电流能使该油田站场中一口50 000 m3外浮顶储油罐极化电位负移100 mV。第三次馈电试验结果表明，浅埋阳极地床输出15 A能使30 m范围内管道极化电位负移至-850 mV以下，使2 m内管道电位极化至-1 176 mV，达到-850 mV阴极保护准则。图2为某油田站场馈电试验中阳极地床的保护范围。 

图  2  某油田站场馈电试验中阳极地床的保护范围

Figure  2.  Protection range of anode ground bed in the feeding test of an oilfield station

2.   数值模拟及阳极优化方案设计

2.1   区域阴极保护三维几何模型

根据站场实际埋地管道、储罐及其他埋地结构物的几何位置、埋深、管道长度等基础信息，建立站场三维管网和储罐1∶1几何模型，并对模型进行了网格化，如图3所示。 

图  3  某油田站场三维几何模型及网格化

Figure  3.  Three dimensional geometric model (a) and meshing (b) of an oilfield station

2.2   埋地管道和储罐边界条件的确定

为了获取管道和储罐的边界条件，使用Reference 3000型电化学工作站测试Q235钢在某油田站场土壤中的极化特性。测试过程使用三电极体系，工作电极为尺寸10 mm×10 mm×5 mm的Q235钢，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极是混合金属氧化物（MMO），介质为某油田站场现场带回的土壤。扫描速率为0.3 mV/s，扫描范围为-1 500~1 000 mV。根据Q235钢的极化曲线，调整管道和储罐面电阻率和涂层破损率，得到油田站场内埋地管道、储罐等其他埋地结构物的边界条件。 

图4为Q235钢在该油田站场土壤环境中的极化曲线。利用现场馈电试验数据反演计算埋地管道的极化边界条件，具体方法为：将不同区域内的埋地管道和储罐底板在该站土壤中的真实极化曲线作为该区域的阴极边界条件带入数学模型中求解。得到电位分布结果后，将管道和储罐电位和馈电试验测试电位进行比较。若数值模拟得到的电位与真实电位误差在10%以内，反演的边界条件接近于站场的实际情况。如误差超过10%，则反演结果不能真实反映油田站场的电位分布情况，需根据两者的差值进行修正，直到误差小于10%，最终反演得到油田站场埋地管道、储罐及接地等其他埋地结构物的边界条件。利用反演之后的极化边界条件计算得到断电电位，并将其与三次馈电试验中实地测试断电电位进行比较，如图5所示。结果表明，断电电位的模拟结果与测试结果的相对误差均在10%以内。图6为管道涂层极化特性反演的最终结果。该模型能够真实反映油田站场阴极保护效果。 

图  4  现场土壤环境中Q235钢的极化曲线

Figure  4.  Polarization curve of Q235 steel in on-site soil environment

图  5  三次馈电试验断电电位的模拟结果及其与测试结果的误差

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

图  6  埋地管道与储罐极化边界条件反演计算结果

Figure  6.  Inversion calculation results of polarization boundary conditions of buried pipelines and storage tanks

2.3   阳极地床优化分布设计

根据建立的油田站场区域阴极保护模型，利用上述管道和储罐极化边界条件对不同阳极地床分布方案的保护效果进行计算。通过调整阳极分布位置、数量和阳极地床形式，进行阳极地床分布优化设计，得到油田站场中单个储罐和部分管道受到保护、整体管道和储罐受到保护情况下阳极地床的位置和管道断电电位的分布。 

2.3.1   单个储罐和部分管道受到保护

选择离管道最近的4#储罐和部分管道作为保护对象。在储罐两侧分别设置2处深井阳极地床，埋深为80 m，活性段长度为44 m，活性段顶端距离地表深度为36 m。在部分管段周围或附近设置浅埋阳极地床，阳极埋深2 m。储罐区的两口深井阳极总输出电流为72 A，管道区域的阳极地床总输出电流为15 A，阳极地床位置和管道保护电位分布云图如图7所示。图中黑色虚框为受保护的管道和储罐区域。可以发现，离阳极地床较近的4#储罐和部分管道作为保护对象得到有效保护，2#储罐和7#储罐虽然与阳极地床距离较远，但储罐之间电连接，它们可以从其他储罐吸收保护电流，因此也得到有效保护。当模型中只有单个储罐时，只需13 A电流就可以使储罐得到有效保护，如图8所示。 

图  7  在单个储罐和部分管道受到保护的条件下断电电位分布云图和阳极地床位置

Figure  7.  Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with single storage tank and partial pipeline under protection

图  8  单个储罐达到保护时断电电位电位分布云图和阳极地床位置（其余模型处于缺省状态）

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   整体管道和储罐受到保护

将站内整体管道和储罐作为保护对象，在储罐区设置7处深井阳极地床，埋深为80 m，活性段长度为44 m，活性段顶端距离地表深度为36 m；在管道区设置5组浅埋分布式阳极地床，储罐区的深井阳极输出电流为130 A，管道区域的阳极输出电流为75 A，阳极输出总电流为205 A，阳极地床位置和管道保护电位分布云图如图9所示。可以看到，电位分布范围为-1.20~-0.85 V，站内埋地管道和储罐均得到有效保护。 

图  9  在整体管道和储罐受到保护的条件下断电电位分布云图和阳极地床位置

Figure  9.  Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with overall pipeline and storage tank under protection

3.   示范应用效果

根据现场馈电试验与数值模拟结果，以4#储罐和部分管道作为示范区域，采用两组浅埋阳极地床和两组深井阳极地床对部分区域施加阴极保护。 

在4#罐东北与西南方向80 m处各设置了一个深井阳极，有效段深度为30~60 m；浅埋卧式阳极地床距管道距离为3 m，埋深为2 m。按照该方案进行了现场实施。浅埋1#阳极地床与浅埋2#阳极地床采用同一台80 V/40 A直流稳压电源供电，深井1#阳极地床和深井2#阳极地床分别采用一台80 V/50 A直流稳压电源供电，三台设备同时馈电。电源输出参数如表5所示。待极化1 h后，测试站内管道的保护效果。阳极地床位置和测试点位置如图10所示。 

图  10  示范应用中阳极地床及管道测试点位置

Figure  10.  Locations of anode ground bed and pipeline test point in demonstration application

油田站场管道极化稳定后，进行通/断电电位测试，记录测试点处对应的通/断电电位Eon和Eoff，如表6所示。管道上1#~8#测试点的断电电位和4#罐上9#~16#测试点的断电电位均满足-850 mV阴极保护准则，站场示范区内的管道均得到有效保护。 

4.   结论

（1）通过在某油田站场开展分区域馈电试验，在存在7个储罐的罐区，要使50 000 m3外浮顶储油罐的极化电位负向偏移100 mV，电流需求量约为36.4 A；密集管网区域保护电流为15 A，保护范围约30 m。 

（2）根据考察某油田站场内埋地管道及储罐的基础信息及分布位置构建了区域阴极保护三维数学模型，通过馈电试验反演获得了该油田站场内管道及储罐的边界条件；利用模型优化计算确定了整个油田站场的阳极优化分布方案。 

（3）示范应用表明，利用现场馈电试验及数模计算确定的方案能够获得预期的保护效果，在存在7个储罐的罐区，要使得单个储罐电位达到-850 mV，需要设置两口深井阳极，总输出电流需达到80 A。

文章来源——材料与测试网