1、专论石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY2023 年第 40 卷 第 2 期引用格式:孙佳妮 深井阳极地床位置对埋地管线的影响及解决措施J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):30-34，43SUN JianiInfluence of deep-well anode position on buried pipeline and corresponding solutionsJ Corrosion Protection in Petrochemical Industry，2023，40(2):30-34，43深井
2、阳极地床位置对埋地管线的影响及解决措施孙佳妮(中石化西北油田分公司油气运销部，新疆 轮台841600)摘要:随着国内油气田的不断开采，长输管线阳极地床的选址空间不断缩小，管线间直流干扰问题日益突出。为减少深井阳极地床对周围埋地管线的干扰影响，既要弄清楚深井阳极地床造成干扰的各项因素，又要考虑在均匀及非均匀土壤环境中的阴极保护电位的分布规律，因此采用数值模拟的方式预测深井阳极地床的合理位置。针对深井阳极地床对埋地管线的影响，通过采取排流、跨接等方式来缓解阳极极化带来的问题。关键词:阳极;阳极极化;埋地管线;干扰收稿日期:2022-10-10;修回日期:2023-02-05。作者简介:孙佳妮(19
3、88)，工程师，学士，2011 年毕业于辽宁石油化工大学应用化学专业，现在西北油田分公司从事工艺技术工作。E-mail:261172240 qq com1深井阳极地床目前，油气田生产建设过程中一般采用阴极保护系统对长输管线进行外防护，而阳极地床是阴极保护系统中的重要组成部分。深井阳极地床是由一支或多支辅助阳极组成的深井结构(见图 1)，目的是长期提供稳定的阴极保护电流。深井阳极地床具有接地电阻小、对周围地下金属构筑物的干扰较小、占地面积小和电流分布均匀等优点1。在阴极保护系统中深井阳极地床的位置选择十分重要，根据 SY/T 00962013强制电流深阳极地床技术规范 的要求，阳极井的直径为 1
4、5 40 cm，深度为 40 70 m。随着油气田的不断开发，管线的建设越来越多，阳极地床的干扰问题也日益明显2，一般来说阳极井越深，干扰越小，阳极地床离构筑物越远，干扰越小3。图 1深井阳极示意2深井阳极地床的干扰2 1阳极干扰理论外加电流式阴极保护系统中被保护管线与电源负极连接，深井阳极与电源正极连接，二者通过离子电路和电子电路连接，从而对管线进行保护4。当该系统正式投运之后，电流自深井阳极流出，不断流向被保护管线，从而在阳极地床处会形成电压锥，在大地中沿着电流流动的方向会形成一定的电位梯度，见图 2。图 2深井阳极地床电位梯度分布示意由于深井阳极地床会导致电压随着距离增大不断减少，阳极引
5、起的电压变化在远地端处甚至可以忽略。关于地电位的计算，采用 BS EN14505:2005 复杂构筑物的阴极保护 中计算公式:Ur=I2llnt+l+r2+(t+l)2t+r2+t()2式中:l 为阳极长度(含填料)，m;为阳极区土壤电阻率，m;t 为埋深，m;r 为到工艺装置区的距离，m;I 为阳极输出电流，A;Ur为地电场电压，V。阴极保护手册 指出，在 Ur 0 5 V 时，一般不会造成不可接受的干扰5。从上述公式可03第 2 期孙佳妮 深井阳极地床位置对埋地管线的影响及解决措施专论以看出土壤电阻率、地床深度、阳极长度及输出电流都会影响深井阳极地床的干扰范围。理想状态下，深井阳极对管线施
6、加保护后，管线上的保护电位分布见图 3。由图 3 可见，距离阳极井较近的管线电位偏负，随着管线走向的延长，管线上电位呈均匀分布。图 3深井阳极形式下阴极保护电位分布2 2深井阳极影响因素2 2 1水平距离影响随着深井阳极与管线的水平距离增加，阳极附近的管地电位升高较为明显，而管道远端的管地电位变化不明显，但是电位向负方向增加，阴极保护效果变好，见图 4。在阳极输出电流不变的情况下，随着深井阳极距管道水平距离的增加，整条管道的电位分布更加均匀6。图 4不同横向距离下沿线电位分布情况2 2 2深井深度影响随着阳极埋设深度的增加，阳极附近的阴极保护电位会产生上移，见图 5。随着保护距离和阳极埋设深度
7、的增加，阴极保护电位又呈现负移，同时保护电位变得更加均匀。2 2 3土壤电阻率影响当管线穿越不同电阻率的土壤时，轴向土壤电阻率的改变会影响阴极保护电位的分布，分别对均匀土壤中阴极保护电位的分布情况和非均匀土壤中电位分布情况进行分析，结果见图 6。图 5阴极保护电位分布数值模拟结果图 6深井阳极电位分布从图 6 可以看出，在非均匀土壤的分界面处有明显的电位转折情况。深井阳极地床处于非均匀土壤的高电阻区域时，电位负向偏移量急剧增加。在非均匀土壤的低电阻率土壤中，阳极电流更容易到达管线，使管线极化程度增加。复杂环境或地表土壤电阻率较高的情况下一般采用深井阳极7，见图 7。图 7 中土壤分为三层，阴影
8、部分代表高电阻区域，空白区域代表低土壤电阻率。随着高土壤电阻率区域的下移，管线沿线的电位分布均正向偏移，极化程度减小，保护水平下降(见图 8)8。图 7深井阳极形式下土壤电阻率情况3西北地区阳极地床的选择深井阳极广泛应用于长输油气管线。西北地区多风沙、土壤干燥，深井阳极地床的选址显得尤为重要。阳极地床的接地电阻是位置选择时的一个重要因素。根据现场勘察和土壤电阻率的测试结果可知，6 m 以上土层的电阻率较高且变化范13专论石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷围较大，6 m 以下土层电阻率较低且整体数值保持稳定9，见表 1。甚至个别地区随着深度的不断增加会出现地下水。阳极地床的接地电阻值随着
9、阳极埋深的变化而变化，见图 9。深井阳极应埋设在稳定电阻率区域，埋深不小于 18 m，同时根据 GB/T 214482017埋地钢质管道阴极保护技术规范 的相关规定，地床的远地电阻值应与所选择设备的输出功率相匹配。图 8土壤电阻率变化时的阴极保护电位表 1土壤电阻率测试结果测试点编号岩层厚度/m岩层深度/m 岩层电阻率/(m)1150 1577191 5 3 443714 134 17 53117 5 以下382240 24141352 4 5 91105 9 以下233410 417128 341 32 42032 4 以下284260 26128382 6 6 44215 364 21 7
10、182521 7 4672546 7 以下27图 9阳极接地电阻随阳极埋深的变化分别将阳极埋设于距离地面的第二层、第三层和第四层，阴极保护电位分布的数值模拟结果见图 10。阳极埋设在第二层时阴极保护电位最负，这是由于阳极埋设深度浅，土壤电阻率也较小，因而阴极保护效果最好。图 10阴极保护电位分布数值模拟结果在只考虑电阻率的情况下，阳极应该尽量埋设于土壤电阻率低的土层中，第四层的土壤电阻率比第三层低，所以阳极埋设在第四层时，其阴极保护效果应该比第三层好。但是由图 4 可见，当深井阳极埋设于第三层时，管线全线的阴极保护电位低于 0 85 V，满足阴极保护准则的要求，达到阴极保护效果。这是由于第三层
11、和第四层的土壤电阻率相差不大，虽然第四层的土壤电阻率略低于第三层，但是其埋深的增加不但使打井的经济成本增加，而且使阳极与管道的间距增大，经过土壤的电流的消耗也增大，使管道的极化程度降低，因而其阴极保护效果反倒没有第三层好。对于阳极埋设于第二层的情况，由于其土壤电阻率过大，未能使管道得到完全保护。4案例分析4 1腐蚀基本情况2020 年 5 月，某油田 A 输油主管线在距 C 阀室 3 m 处的绝缘法兰附近发生腐蚀穿孔。B 分支管线插入 C 阀室处安装了绝缘法兰，B 分支管线长度为 3 475 km，外防腐层为 3PE。A 主管线采用强制电流阴极保护的方式，辅助阳极为深井阳极;B 分支管线采用牺
12、牲阳极的保护方式。腐蚀位置位于法兰附近。现场主管线及分支管线相对关系见图 11，内腐蚀形貌见图 12。4 2原因分析腐蚀穿孔处有阴极保护系统保护，但腐蚀速率高达 58 4 mm/a，如此高的腐蚀速率显然不是CO2和 H2S 等引起的自然腐蚀所能达到的10。对腐蚀原因进行分析，对 A 主管线施加阴极保护23第 2 期孙佳妮 深井阳极地床位置对埋地管线的影响及解决措施专论时，保护电流由恒电位仪的正极经阳极电缆流向深井阳极，后由深井阳极经大地流向被保护管道(阴极极化电流)，再沿金属管壁流向汇流点，最后经阴极电缆返回恒电位仪的负极，形成完整的回路。而 B 分支管线采用的是牺牲阳极对短距离管线进行保护。
13、图 11主管线及分支管线相对关系图 12现场腐蚀穿孔情况4 2 1阳极与管线距离的影响根据现场条件，对 B 分支管线进行模拟计算，首先只改变阳极与管道之间的距离，分别设置为 10，30 和 50 m，管线周围的电位分布等值线见图 13。选择 1 2 0 45 V 的等值线，随着阳极与管线之间距离增大，阳极对管线的横截面影响越来越小，保护电流衰减越来越慢。图 13不同距离下管道周围电位分布4 2 2阳极输出保护电流大小的影响为了分析阳极的输出电流大小对近距离管线的影响，分别设置阳极输出电流为 0 5，1 5，2 5和 4 A，模拟不同阳极输出电流下阴极保护电位的分布情况，见图 14。从图 14
14、可以看出，随着阳极输出电流的增大，管道阴极保护电位分布越不均匀，电位的变化范围越大11，越有可能使管道“过保护”。图 14电流大小对阴极保护电位的影响4 2 3现场数据分析两种阴极保护形式使得金属管线的外壁发生阴极极化，将被保护对象电位控制在 1 2 0 85 V。调节恒电位仪的通断，测得两管线的保护电位数据见表 2。从表 2 可以看出，对 A 主管线施加的阴极保护电流对 B 分支管线有影响，使 B 分支管线的电位整体正向偏移。表 2管线上保护电位情况管线名称恒电位仪(开启)恒电位仪(关闭)A 主管线1015 Vcse0596 VcseB 分支管线0 446 Vcse0845 VcseB 分支
15、管线的绝缘法兰处于低洼位置，管线内部积聚了一定量的高矿化度水分，为电子或电流的流通提供了导体。由图 11 可知，深井阳极距离 B 分支管线较近，B 分支管线整体处于阳极极化区。经现场测试，极化电流约为 62 8 mA。由此推断，腐蚀穿孔是由阳极极化干扰造成的:B 分支管线处于阳极干扰区，本应保护 A 主管线的深井阳极，其大量电流通过捷径流向了 B 分支管线，再由 B 分支管线流到大地。电流流入端电位偏负，流出端电位偏正，流出处易发生腐蚀，此穿孔处应为电流流出处。这是典型的阳极极化干扰造成的腐蚀穿孔案例。5缓解措施为保证深井阳极的干扰电压小于 0 5 V，阳极地床与被保护管线需满足安全距离。在阳
16、极极化区与被保护管线之间采取连接二极管和可调节33专论石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷电阻等措施，消除其他管线受阳极干扰出现的阳极极化现象，并让阴极保护电流返回被保护管线，改善管线的保护效果12。(1)提高阳极区附近其他管线的防腐层质量。(2)在恒电位仪允许条件下，提高给定保护电位，确保断电电位不超过 1 2 V，减少防腐层的阴极剥离。(3)在被保护管线和阳极极化区之间，或绝缘法兰之间，采用二极管或可变电阻连接，通过调节电阻，消除阳极极化区偏移电位。(4)对被保护的管线实施通电、断电电位测试，验证是否存在干扰;如存在，需采取一定的排流措施以消除阳极干扰带来的负面影响。6结论(1)深井阳极安装在低电阻率的深地层中可以使电流沿管线均匀分布。深井阳极距离管线较近时，阳极地床的电位梯度分布可能会对周围的金属管线造成干扰。如造成干扰，则必须采取相应的保护措施。(2)为了保证深井阳极的经济性与合理性，建议西北地区的深井阳极埋设深度为 18 46 m。(3)对于新建的深井阳极，应充分考虑埋设深度、水平距离、土壤电阻等影响因素，以达到管线阴极保护电位分布更均匀的目的。参考文献 1李循迹，赵密
