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油气管道阴极保护技术现状与展望_薛致远毕武喜陈振华陈

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油气 管道 阴极保护 技术 现状 展望 薛致远毕武喜陈振华陈
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 文章编号:1000014)×××油气管道阴极保护技术现状与展望 薛致远 毕武喜 陈振华 陈洪源 中国石油管道科技研究中心中国石油天然气集团公司油气储运重点实验室,河北廊坊065000 摘要:介绍了我国广泛使用的阴极保护准则及其不足,当前使用的阴极保护计算方法及阴极保护数值模拟技术及数值模拟技术的发展方向,以及目前阴极保护装备情况极其不足。针对阴极保护技术发展提出如下建议:在阴极保护准则方面,应开展电化学基础理论研究以建立完善的阴极保护准则,包括高温运行管道及杂散电流干扰情况下的准则;在阴极保护计算方面,应在区域阴极保护设计、大型管网阴极保护理论析分析、线路管道阴极保护及防腐涂层分析方面积极推广阴极保护数值模拟技术;在试片法阴极保护电位测量技术方面,其可以用于阴极保护能力及阴极保护电流密度评估;在阴极保护和防腐层兼容性方面,应在整体上优化管道腐蚀控制系统;在阴极保护装备方面,应根据油气管道生产需求,研发数字化阴极保护系统,从根本上提高阴极保护技术及管理水平。 关键词:油气管道;阴极保护;准则;数值模拟;数字化 中图分类号: 文献标识码:A 网络出版时间: 网络出版地址: 油气管道外腐蚀控制系统由防腐层和阴极保护系统组成。防腐层是控制管道腐蚀的第一道防线,然而管道在建设施工及运行过程中,防腐层不可避免地会因机械碰撞或土壤应力出现一些漏点,导致管体与腐蚀性环境接触而受到腐蚀威胁。阴极保护系统则为这些漏点处管体提供附加保护,防止管道发生腐蚀,是管道腐蚀控制的第二道防线[1]。阴极保护技术通过向管道表面提供阴极电流,使管/地电位发生负向极化,从而控制管道表面腐蚀。阴极保护方法包括强制电流法和牺牲阳极法,两种方法原理相同,只是阴极保护电流来源不同:牺牲阳极法阴极保护电流来源于锌、镁、铝等牺牲阳极;强制电流法阴极保护电流来源于直流电源。油气管道通常采取以强制电流为主、牺牲阳极为辅的保护方式[2]。 1 阴极保护现状 技术现状 阴极保护准则 阴极保护准则是阴极保护的核心技术指标,是管道阴极保护状态的评判标准,指导阴极保护设计和运行。21448― 2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》明确阴极保护电位指管/地界面极化电位(管/地断电电位)是阴极保护准则的评判指标,并规定一般情况下使用的两个主要判据[3]:①管道阴极保护电位应负于但应正于00 ②当上述准则难以达到时,可采用管道阴极极化电位差或去极化电位差大于100 虽然上述准则已经广泛应用于油气管道阴极保护的建设与运行,但尚存以下不足: 20149:03  (1)阴极保护准则适用温度。21448― 2008非等效采用了油天然气工业 管道输送系统阴极保护 第1部分:陆上管道》。述准则不能为管道提供充分保护[4]。2008也指出在高温等特殊条件下,阴极保护可能无效或部分无效。我国原油管道加热站及输气管道压缩机站出站段管道运行温度常常高于40 C,故现有准则不满足高温段油气管道生产运行要求,应开展高运行温度管道阴极保护准则研究。 (2)存在动态直流干扰时阴极保护准则。随着我国经济的发展,油气管道受到的直流干扰越来越严重,多数直流干扰都会造成管道电位波动,而这种电位波动会造成在部分时间内管道电位偏离准则。现行 0017-2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》未明确规定允许管道电位偏离准则的程度与时长[5],造成现有准则无法有效指导动态直流干扰下阴极保护系统的运行管理。而在这方面,澳大利亚标准属的阴极保护 第2部分:密集埋地结构》给出了明确规定[6]。因此,可通过引进国外先进准则完善我国现有阴极保护准则。 (3)交流干扰下的阴极保护准则。交流干扰下,经典的阴极保护则不再适用。此时,被保护金属处于加速腐蚀-自然腐蚀-阻碍腐蚀的周期性状态,因而降低了阴极保护水平,使被保护金属发生明显腐蚀[7]。但至今国内外都未能提出交流干扰下有效的阴极保护准则。因此,有必要通过交流干扰腐蚀机理研究,建立交流干扰下的管道阴极保护准则。 综上所述,我国现有阴极保护准则并不能完全满足油气管道生产需求,建立完善的阴极保护准则是油气管道阴极保护技术发展的必然要求。 阴极保护计算 阴极保护计算是阴极保护的核心技术,用于构建阴极保护系统的理论模型,指导阴极保护设计和运行;其核心在于计算阴极保护电流、电位在管道表面及周围电解质中的分布。我国目前广泛应用的阴极保护计算方法来源于21448― 2008,通过如下方程可以计算管道通电电位沿管道表面的分布情况: (1) 式中:m;Δ;m;;。 北美比较流行的一种管道阴极保护计算方法可以计算有限长管道在阴极保护站保护下沿线管道表面通电电位衰减及管中电流分布情况[8]:  (sh)((2)  式中:;;;;m;;m;为管道衰减系数,,上述两种方法都是基于阴极保护电流均匀分布于管道表面的假设,单根管道沿线通电电位分布的计算方法,不能进行管道极化电位(断电电位)计算,亦无法进行复杂金属结构及管网阴极保护系统电位及电流分布计算。 近几年逐渐兴起的数值模拟技术为阴极保护计算提供了新的途径[9其通过建立管道、阴极保护系统及周围土壤的数值模型,结合管/地极化曲线,利用有限元或边界元方法求解电场方程,计算管道表面极化电位及管道周围电场分布。理论上讲,利用数值模拟技术可以进行任意复杂金属结构阴极保护的计算,而且可以计算出金属结构的极化电位(断电电位)及周围电场分布,即金属结构的通电及断电电位。虽然目前因缺乏可靠的管/地极化曲线,尚不能准确计算管道极化电位(断电电位)和通电电位,但完全可以实现定性或半定量分析。目前,国外已利用此技术进行潜水艇及海洋平台等复杂结构阴极保护(图1)的辅助设计[11 图1 海洋平台阴极保护效果数值模拟图[13]阴极保护装备 阴极保护装备组成阴极保护系统,主要包括阴极保护电源系统和测量系统,前者由电源和阳极地床组成,其中电源是核心装备;后者由沿线测试桩、测量仪表及参比电极组成。 国内阴极保护电源采用恒电位仪,国外阴极保护电源大多采用整流器。虽然两者在功能上有所差别,但技术水平大体相当。阴极保护测量系统主要由电位测试桩、万用表及参比电极组成[14]。现有装备只能实现阴极保护通电电位的测量,而不能进行阴极保护断电电位测量。由于阴极保护准则中的评判指标是管道 断电电位,而日常管理中测量和控制的是管道通电电位,因此,目前阴极保护装备不能满足阴极保护准则对管道运行管理的要求。 当前,阴极保护参数自动测量技术已经实现管道电位及交流电压的测量和传输[15]。该技术降低了一线员工劳动强度,提高了电位数据可靠性,增加了数据量,实现了阴极保护系统的定时监测。通过测量和记录管道沿线电位,不仅可以实现对管道交直流干扰的监测,而且基于管道沿线电位分布及变化的分析还可以了解沿线干扰源分布及管道防腐层状况。虽然目前只能进行通电电位测量,但推广自动测量技术是阴极保护及交直流干扰控制的必然要求。 近些年,从国外引进的电流同步中断电位测量技术实现了阴极保护通电及断电电位测量,其由时钟同步电流中断器和时钟同步电位采集器组成。测量时,电流中断器安装于恒电位仪阳极输出端;测量人员携带电位采集器在管道沿线进行电位测量。电流中断器与电位采集器内置接收过设置通断参数可以实现两种设备周期性同步通断,从而测量出管道通电/断电电位[16]。但是,由于国内阴极保护电源采用恒电位仪,电流中断器又周期性外部中断恒电位仪输出,因此,测量过程会造成恒电位仪周期性输出电压、电流冲击。这种冲击不仅可能造成恒电位仪损坏,还会造成测量误差[17]。可见,借鉴国外先进技术结合我国国情研发具备通电/断电电位测量功能的阴极保护装备是必然发展方向。 图2 电流同步中断电位测量原理图 管理现状 油气管道阴极保护系统根据保护目标不同可分为线路阴极保护系统和站场区域阴极保护系统。目前,线路管道均安装有阴极保护系统。近些年,开始为油气管道站场安装区域阴极保护系统,以保护工艺管道及储罐[18],但还有一些在役站场尚未安装区域阴极保护系统。 油气管道阴极保护断电电位分布情况直接反映了阴极保护系统运行情况[19]。为此,对逾6 000 1,其中20]。  表1 油气管道阴极保护系统断电电位统计表 统计对象 不同情况所占比例% 欠保护 P>(00 足100 <(00 足850 1 200 <―850 保护 P<―1 200 5 区域阴极保护站场管道 石油沥青防腐层管道 焦油瓷漆防腐层管道 调查范围内,各系统均存在部分阴极保护断电电位不满足阴极保护准则的情况,即系统没有受到全面保护,部分管道和储罐处于欠保护或过保护状态。对于石油沥青及煤焦油瓷漆防腐层管道,主要风险是欠保护;对于3要风险是过保护;对于区域阴极保护,主要风险是欠保护[21]。测试中发现大多数过保护是由直流干扰引起的。 造成上述情况的原因:①阴极保护装备。当前阴极保护装备主要由恒电位仪、沿线测试桩、万用表组成,其只能测量管道通电电位,不能测量管道断电电位,由此造成管理上的误差。虽然一些管道公司根据管道外检测计划每隔几年利用从保护效果上看并未完全达到阴极保护准则要求。②管理。目前采用的每月人工测量电位方式不仅劳动强度大、数据量小,而且会造成日常管理中电位数据不可靠,从而无法准确了解阴极保护系统真实运行情况。 在交直流干扰方面,调查发现石油沥青防腐层管道受直流干扰的管段约为3%;而3分析认为,随着管道周边电磁环境日益复杂及3道面临的交直流干扰将越来越严重。在受到较强交直流干扰的情况下,使用常规阴极保护准则指导设计和运行均会增加管道的腐蚀风险。 2 阴极保护技术展望 阴极保护准则研究 阴极保护准则是阴极保护技术的基础,对于阴极保护设计及运行起着指导性作用。由于现有准则不能完全满足油气管道生产运行需要,应开展相关基础研究,建立完善的阴极保护准则。①根据我国油气管道特点,通过理论计算及实验研究,建立高温运行管道油气管道阴极保护准则,指导高温段管道阴极保护设计与运行。②随着管道所受直流干扰越来越严重,可以通过实验研究或引进国外先进标准的方法,建立动态直流干扰下管道的阴极保护准则,指导直流干扰情况下管道的运行。③随着管道所受交流干扰越来越普遍,对管道交流干扰腐蚀机理开展基础科学研究,建立交流干扰下管道的阴极保护准则,以保障油气管道在长期交流干扰下安全有效运行。通过上述研究不仅能够提高我国阴极保护技术水平,也有助于推动我国腐蚀电化学理论研究水平的提高。  阴极保护数值模拟技术 阴极保护数值模拟技术是阴极保护理论计算的发展方向。一方面,为了提高阴极保护数值模拟精度,应开展真实管道管/地极化曲线测量技术研究,建立不同环境下真实管道管/地极化曲线数据库,提高阴极保护理论计算水平;另一方面利用其在计算分析方面的优势,在以下3方面推动其在工程实践中的应用。 在油气站场区域阴极保护方面。油气管道站场中工艺管道、管件、金属设施及接地体空间分布密集,表面涂敷状态差别大,因此,阴极保护电流空间分布复杂,金属结构表面极化状态差别大,利用传统的阴极保护计算方法根本无法进行准确的设计计算。阴极保护数值模拟技术通过建立准确的站场、土壤及阴极保护系统数值模型,结合各种金属筑构物合理的极化曲线,可以比较准确地计算出阴极保护电流及电位的分布(图3),有效指导和优化阴极保护的设计与运行。 图3 网状阳极储罐外底板阴极保护效果数值模拟图[22]在线路阴极保护理论计算方面。传统阴极保护计算仅能进行管道沿线通电电位及电流分布的计算,而利用阴极保护数值模拟技术不仅可以进行管道沿线通电电位及极化电位(断电电位)的计算,还可以对管道防腐层不同面积漏点处的管道阴极保护效果进行分析(图4)。通过此类分析,可以评估阴极保护系统对不同面积防腐层漏点的保护能力,进一步指导管道施工及运行过程中对防腐层损伤的修复。因此,利用阴极保护数值模拟技术不仅可以进行管道阴极保护计算,还可以对包括防腐层在内的整个管道腐蚀控制系统进行计算、分析及优化。  图4 牺牲阳极保护管道阴极保护电位分布图[23]在复杂管网阴极保护系统分析方面。传统阴极保护计算仅能实现单条管道电位分布的计算,而利用阴极保护数值模拟技术不仅可以实现单条管道极化电位及地电场分布的计算,而且能实现对复杂管网阴极保护系统电位及电流分布的计算,并实现对公共走廊内不同管道联合保护及跨接点设置的理论分析,从而有效指导工程设计和运行。 试片法阴极保护电位测量技术 电流同步中断电位测量技术通过同步周期性中断所有阴极保护电源输出电流实现了管道阴极保护通电/断电电位测量。当存在直流干扰时,因测量时不能同时切断外部干扰电流,故时,可以使用试片法进行电位测量。其基本原理:试片通过测试桩与管道相连,在断开试片与管道连接的瞬间,测得试片断电电位(图5)。片阴极保护行为与管道上同等面积防腐层漏点阴极保护行为相同,即某特定面积试片阴极保护效果代表着管道上同等面积漏点阴极保护效果[23]。因此,利用试片法也可以评价管道阴极保护效果。 图5 试片法阴极保护电位测量技术原理图 基于上述,做如下假设:在管道阴极保护电流密度恒定的情况下,试片或管道防腐层漏点面积越大,极化程度越低,断电电位越正。因此,通过测量管道某处一组不同面积标准试片的断电电位,可以大致估算此处管道阴极保护的电流密度。从本质上讲,利用该方法可以评价阴极保护系统在不同位置的保护能力,即可以有效保护的管道防腐层漏点面积。在无法准确测量管/地电位的情况下,上述作法也可能成为另一种 管道阴极保护效果评价方法。比如,在油气站场区域阴极保护系统中,由于管道与周围金属构筑物距离太近,测得电位是参比电极处管道与周围金属构筑物的混合电位,并不能代表管道的真实保护水平。此时,可以利用测得的一系列标准试片断电电位,从阴极保护电流密度方面评价此处管道的阴极保护效果。另外,试片法也可能用于评估线路管道电流密度,比如,通过在管道沿线测量一组不同面积标准试片的断电电位,估算管道沿线各处阴极保护电流密度,从电流分布了解阴极保护系统的运行情况,其功能类似于阴极保护电流测试桩。 阴极保护与防腐层兼容性评价技术 防腐层与阴极保护系统共同组成管道腐蚀控制系统,两者势必相互影响。阴极保护系统为防腐层漏点处管道提供保护。宏观上,防腐层电阻率会影响阴极保护电流密度;微观上,阴极保护电流密度决定了阴极保护系统的保护能力,即能够有效保护漏点的面积。防腐层电阻率与阴极保护电流密度成反比,阴极保护电流密度与其保护能力成正比。因此,防腐层电阻率会影响到阴极保护系统的保护能力。防腐层漏点是在管道施工及运行过程中造成的,其面积与施工、运行情况及防腐层抗机械损伤能力有关。若使所有防腐层漏点都能得到有效保护,则需使管道受到适当密度阴极保护电流的保护,因此需要考虑防腐层物理性能对阴极保护系统输出电流的影响,即防腐层与阴极保护的兼容性。 目前,大量采用的3成阴极保护电流密度较低。这种情况下,阴极保护系统的小量电流输出能否对防腐层漏点提供有效保护是3时,若3括环焊缝采用的热收缩带补口)与管道之间粘结失效产生剥离,一旦水进入剥离涂层下,阴极保护电流将被防腐层屏蔽,而难以对管道提供充分保护。因此,通过统计调查防腐层失效情况,了解防腐层失效类型及漏点面积分布,研究阴极保护与防腐层兼容性评价技术,对现有防腐层与阴极保护兼容性进行评价,并期望找到提高两者兼容性的因素,就可能从整体上优化管道腐蚀控制系统。 数字化阴极保护系统 目前,油气管道阴极保护技术及管理主要存在两方面问题:①现有阴极保护装备只能进行通电电位测量,不能进行断电电位测量,不能满足阴极保护准则要求;②阴极保护电位测量依靠每月一次人工测量,数据可靠性低,数据量小,不能满足技术管理要求。为此,结合管道交直流干扰监测需求,实现阴极保护断电电位日常测量与管理,可综合利用卫星时钟同步技术、电子技术、计算机及阴极保护技术研发数字化阴极系统(图6),从根本上提高阴极保护装备技术及管理水平。  图6 数字化阴极保护系统拓扑图 数字化阴极保护系统主要由4部分组成:数据管理系统、控制系统和阴极保护装备。数据管理系统通过与控制系统数据交换存储阴极保护系统全部数据,进行数据分析和管理。控制系统通过通讯系统与管道沿线阴极保护装备进行数据交换,发送控制指令,接收现场数据。控制系统与管道沿线装备之间的数据传输可以根据现场条件及管理需求选择专用通讯系统、公共通讯系统或人工数据传输方式。阴极保护装备包括阴极保护电源、牺牲阳极控制器及参数测量系统。它们通过接收卫星信号保持系统时钟同步,接受控制系统指令进行相应操作,并存储所有现场测量及装备数据,然后通过通讯系统传输给控制系统。 数字化阴极保护系统功能与特点:①可以实现阴极保护通电/断电电位及管道交流干扰电压定时测量,满足阴极保护及杂散电流干扰监测要求;②可以实现数据测量及存储自动化,消除人为因素,数据客观可靠;③可以实现所有数据存储计算机化,便于分析与管理;④可以实现数据远程传输,降低一线工人劳动强度;⑤可以根据生产需要扩充现场装备功能,如增加温度、应力及其他传感器进行相应监测;⑥除满足阴极保护日常技术管理需求外,也可以根据防腐检测数据管理需求开发相应的数据处理系统,实现防腐系统数据整合。 数字化阴极保护系统研发可以分为4个阶段进行:①根据生产需求及发展目标确定系统功能;②根据系统功能确定数据结构、通讯协议及指令集,并形成数据标准;③根据生产需求、系统功能、数据标准及相关技术标准,开发阴极保护装备、控制系统及数据管理系统;④系统试运行,形成油气管道阴极保护技术及管理标准。根据生产需求研发数字化阴极保护系统是一个挑战,解决数字化阴极保护系统运行过程中发现的问题将是一个更大的挑战。 3 结束语 随着油气管道事业飞速发展,管道面临的腐蚀风险不断增加,阴极保护技术在管道腐蚀控制方面发挥越来越重要的作用,同时在多方面受到更为严峻的挑战。为了应对在油气管道阴极保护建设和运行中遇到的各种困难,需要在现有阴极保护技术基础上,广泛动员各方面力量,综合应用电化学、数值模拟、卫星、电子、计算机等技术,不断提高油气管道阴极保护技术水平,满足技术及管理需求,保障油气管道安全、高效运行。  致谢:文中部分调查数据及资料来源于中国石油管道科技中心和沈阳龙昌技术公司;阴极保护数值模拟技术参考文献及图片来自于)。一并致以衷心的感谢。 参考文献: [1]贝克曼 W ]学工业出版社,2005. 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