圖 1 某油田站場平面布局、饋電試驗測試點和陽極地床位置示意圖
Figure 1. Schematic diagram of layout, feeding test points and anode ground bed location in an oilfield station
分享：某油田站場區域陰極保護現場試驗與方案
迄今為止，國內很多油田站場埋地管道與儲罐底板僅采用防腐蝕層進行外腐蝕防護。隨著油田站場運行時間的增長，站內埋地管道及儲罐底板腐蝕泄漏問題日益突出，這成為了站場運行的安全生產隱患[1-3]。區域陰極保護能夠為油田站場埋地管道及儲罐底板提供防護，降低生產中的安全隱患，近年來該技術在油氣管道站場得到了廣泛應用，并取得了良好的防護效果[4-5]。
相比傳統的陰極保護方法，區域陰極保護將范圍內的所有預保護對象看做一個整體，依靠合理的陽極分布和陰極保護電流分配使得范圍內的對象得到保護[6-7]。油田站場內的金屬結構物眾多且分布復雜，包括輸油管道、消防管道、放空管道、儲罐及其電連接的其他金屬結構物[8]。同時，管道防腐蝕層類型、儲罐底部防腐蝕層劣化程度等均存在不同，因此難以通過經驗準確確定站場內金屬結構物的陰極保護電流需求量，這給陰極保護的設計帶來了困難[9-10]。此外，復雜的金屬結構物會屏蔽陰極保護電流，導致陰極保護陽極地床設計難度增加[11-12]。因此，如何對已建油田站場補加區域陰極保護，準確確定保護電流需求[13]，合理設計陽極地床，避免管道和儲罐底板發生腐蝕和泄漏[14]，成為油田站場腐蝕控制管理有待解決的技術難題。
作者以某投入使用20 a的油田站場為研究對象，通過現場饋電試驗和數值模擬[15-17]相結合的方法，確定了保護電流的需求量及陽極地床分布方案，該方案在示范應用中取得了良好的效果，為油田站場補加區域陰極保護工程提供參考。
1. 現場饋電試驗
某油田站場主要分為管道區和儲罐區，站內的主要保護對象是儲罐底板和埋地管道。2#、3#儲罐為小型儲罐，其底部直徑為40 m，容積為20 000 m3；1#、4#、5#、6#和7#儲罐為大型儲罐，底部直徑為60 m，容積為50 000 m3。管道總長為3.1 km。
1.1 試驗內容和方法
首先進行現場調查和測試，在此基礎上進行饋電試驗確定站場區域陰極保護電流的需求量。
（1）現場調查
通過現場調查掌握油田站場的基礎情況，包括埋地管道和其他地下金屬結構物的尺寸和空間分布，儲罐底板及管道的防腐蝕層情況，可開挖并埋設臨時陽極的位置。
（2）現場測試
現場測試內容包括自然腐蝕電位測量和土壤電阻率測試。使用地表參比電極測試電位；采用溫納四極法測試站場內不同區域和不同深度的土壤電阻率。
（3）饋電試驗
現場饋電試驗通過在站場建立臨時陰保系統，分區對站內埋地管道和儲罐底板進行臨時保護，檢測埋地管道和儲罐底板的電位分布，分析確定相應的電流需求量、電流流失點、屏蔽區域和干擾等情況。利用饋電試驗測得的通/斷電電位分布數據可以評估臨時陽極地床的保護范圍以及電位衰減情況。試驗中，陰極保護電流由直流電源提供，待極化電位相對穩定后，記錄埋地管道的通/斷電位，參比電極為銅/飽和硫酸銅電極（CSE）。通過對比不同區域保護電流需求量以及保護范圍，可以獲得整個區域內保護電流需求量以及不同區域保護的難易等重要信息。圖1為某油田的平面布局、饋電試驗測試點和臨時陽極地床位置示意。
1.2 現場饋電試驗結果
現場測試結果表明，在油田站場地下2 m深度內，土壤平均電阻率為20.10 Ω·m。
在不同饋電試驗中，采用不同的陽極地床分區對站內埋地管道和儲罐底板進行臨時保護。表1為采用不同陽極地床饋電試驗的電源輸出電流、輸出電壓等參數。
表 1 采用不同陽極地床饋電試驗的電源輸出電流、輸出電壓
Table 1. Output current and output voltage of power supply in feeding tests using different anode ground beds
| 饋電試驗 | 陽極地床 | 輸出電壓/V | 輸出電流/A |
|---|---|---|---|
| 第一次 | 1# | 72.4 | 24.0 |
| 第二次 | 2#-01 | 79.2 | 20.5 |
| 2#-02 | 59.0 | 15.9 | |
| 第三次 | 3# | 70.0 | 15.0 |
在第一次饋電試驗中，1#陽極地床布置在2#儲罐東南位置，輸出電流為24.0 A，測試了距離陽極最近的2#儲罐的斷電電位，結果如表2所示。其中，16#測試點的斷電電位（相對于CSE，下同）為-732 mV，極化電位偏移量達到-120 mV；17#測試點的斷電電位為-640 mV，極化電位偏移量達到-50 mV；18#測試點的斷電電位為-704 mV，極化電位偏移量達到-84 mV；19#測試點的斷電電位為-839 mV，極化電位偏移量達到-229 mV。2#儲罐外圍只有16#和19#測試點的極化電位偏移超過100 mV。以上結果表明，當站場存在7個儲罐和管道時，24 A的保護電流不足以使該油田中20 000 m3小型儲罐外圍電位達到保護要求。
表 2 第一次饋電試驗的通斷電電位測試結果
Table 2. The results of on/off potentials in the first feeding test
| 測試點序號 | Eon/mV | Eoff/mV | Ecorr/mV | 極化電位偏移量/mV |
|---|---|---|---|---|
| 1 | -773 | -690 | -645 | -45 |
| 2 | -797 | -717 | -660 | -57 |
| 3 | -772 | -708 | -675 | -33 |
| 4 | -777 | -725 | -675 | -50 |
| 5 | -818 | -745 | -635 | -110 |
| 6 | -744 | -691 | -644 | -47 |
| 7 | -771 | -717 | -621 | -96 |
| 8 | -787 | -728 | -630 | -98 |
| 9 | -771 | -712 | -624 | -88 |
| 10 | -771 | -708 | -630 | -78 |
| 11 | -717 | -652 | -627 | -25 |
| 12 | -755 | -721 | -640 | -81 |
| 13 | -760 | -696 | -635 | -61 |
| 14 | -749 | -698 | -623 | -75 |
| 15 | -807 | -705 | -634 | -71 |
| 16 | -863 | -732 | -612 | -120 |
| 17 | -712 | -640 | -590 | -50 |
| 18 | -910 | -704 | -620 | -84 |
| 19 | -1 006 | -839 | -610 | -229 |
| 20 | -683 | -640 | -612 | -28 |
| 21 | -732 | -686 | -614 | -72 |
| 22 | -735 | -681 | -613 | -68 |
| 23 | -735 | -682 | -613 | -69 |
| 24 | -709 | -682 | -623 | -59 |
| 25 | -738 | -692 | -618 | -74 |
| 26 | -723 | -696 | -630 | -66 |
| 27 | -710 | -673 | -610 | -63 |
| 28 | -775 | -729 | -643 | -86 |
| 29 | -789 | -744 | -638 | -106 |
| 30 | -753 | -721 | -655 | -66 |
| 31 | -798 | -731 | -657 | -74 |
| 32 | -678 | -650 | -599 | -51 |
| 33 | -690 | -659 | -559 | -100 |
| 34 | -699 | -660 | -596 | -64 |
| 35 | -657 | -639 | -582 | -57 |
| 36 | -674 | -655 | -626 | -29 |
| 37 | -742 | -699 | -618 | -81 |
| 38 | -708 | -671 | -625 | -46 |
| 39 | -735 | -689 | -615 | -74 |
| 40 | -748 | -702 | -640 | -62 |
| 41 | -765 | -707 | -643 | -64 |
| 42 | -781 | -725 | -657 | -68 |
| 43 | -788 | -725 | -655 | -70 |
| 44 | -683 | -660 | -644 | -16 |
在第二次饋電試驗中，2#陽極地床布置在1#儲罐的東北和西南方向，其01和02陽極地床輸出電流分別為20.5 A和15.9 A，試驗結果如表3所示。其中，1#儲罐40#測試點的斷電電位為-828 mV，極化電位偏移量達到-188 mV；41#測試點的斷電電位為-743 mV，極化電位偏移量達到-100 mV；42#測試點的斷電電位為-811 mV，極化電位偏移量達到-154 mV；43#測試點的斷電電位為-838 mV，極化電位偏移量達到-183 mV。1#儲罐外圍各測試點的極化電位負向偏移量均達到或超過100 mV。試驗結果表明，當站場存在7個儲罐和管道時，36 A的保護電流只能使該油田中一個50 000 m3大型儲罐的外圍極化電位達到保護要求，而儲罐中心的極化電位仍不能達到保護要求，因此若要完全保護該站場一個大型儲罐，需要更大的電流量。
表 3 第二次饋電試驗的通/斷電電位測試結果
Table 3. The results of on/off potentials in the second feeding test
| 測試點序號 | Eon/mV | Eoff/mV | Ecorr/mV | 極化電位偏移量/mV |
|---|---|---|---|---|
| 15 | -741 | -682 | -634 | -48 |
| 16 | -695 | -653 | -612 | -41 |
| 17 | -703 | -642 | -590 | -52 |
| 18 | -734 | -662 | -620 | -42 |
| 19 | -739 | -683 | -610 | -73 |
| 20 | -719 | -649 | -612 | -37 |
| 21 | -787 | -702 | -614 | -88 |
| 22 | -784 | -686 | -613 | -73 |
| 23 | -723 | -658 | -613 | -45 |
| 24 | -761 | -704 | -623 | -81 |
| 25 | -825 | -720 | -618 | -102 |
| 26 | -792 | -730 | -630 | -100 |
| 27 | -794 | -713 | -610 | -103 |
| 28 | -870 | -785 | -643 | -142 |
| 29 | -871 | -811 | -638 | -173 |
| 30 | -833 | -742 | -655 | -87 |
| 31 | -926 | -743 | -657 | -86 |
| 32 | -717 | -658 | -599 | -59 |
| 33 | -731 | -667 | -559 | -108 |
| 34 | -737 | -661 | -596 | -65 |
| 35 | -687 | -650 | -582 | -68 |
| 36 | -688 | -654 | -626 | -28 |
| 37 | -727 | -662 | -618 | -44 |
| 38 | -727 | -657 | -625 | -32 |
| 39 | -770 | -687 | -615 | -72 |
| 40 | -899 | -828 | -640 | -188 |
| 41 | -924 | -743 | -643 | -100 |
| 42 | -922 | -811 | -657 | -154 |
| 43 | -949 | -838 | -655 | -183 |
| 48 | -794 | -764 | -610 | 154 |
在第三次饋電試驗中，3#陽極地床放在管道區，輸出電流為15 A，結果如表4所示。其中，最近的51#測試點的斷電電位為-1 176 mV，稍遠一些的46#和50#測試點的斷電電位分別為-924、-896 mV，都達到了-850 mV的陰極保護準則；9#和44#測試點的斷電電位分別為-710 mV和-737 mV，極化電位偏移量分別為-46 mV和-58 mV，極化電位偏移量低于100 mV。試驗結果表明，淺埋陽極地床輸出15 A的電流能使30 m范圍內管道斷電電位負移至-850 mV以下，使2 m內管道斷電電位負移至-1 176 mV，達到-850 mV陰極保護準則。
表 4 第三次饋電試驗的通斷電電位測試結果
Table 4. The results of on/off potentials in the third feeding test
| 測試點序號 | Eon/mV | Eoff/mV | Ecorr/mV | 極化電位偏移量/mV |
|---|---|---|---|---|
| 2 | -1 021 | -712 | -675 | -37 |
| 3 | -997 | -703 | -675 | -28 |
| 4 | -1 017 | -730 | -663 | -67 |
| 5 | -1 062 | -780 | -727 | -53 |
| 6 | -770 | -724 | -673 | -51 |
| 7 | -734 | -714 | -674 | -40 |
| 8 | -770 | -737 | -680 | -57 |
| 9 | -810 | -710 | -664 | -46 |
| 12 | -773 | -730 | -644 | -86 |
| 44 | -770 | -737 | -679 | -58 |
| 45 | -1 066 | -793 | -668 | -125 |
| 46 | -1 803 | -924 | -663 | -261 |
| 47 | -914 | -737 | -660 | -77 |
| 50 | -2 523 | -896 | -669 | -227 |
| 51 | -3 820 | -1 176 | -670 | -506 |
根據第一次饋電試驗結果，只有最靠近陽極地床位置的儲罐偏移量最大。當站場存在7個儲罐和管道時，24 A的保護電流不能使該油田站場中一口20 000 m3小型儲罐的外圍極化電位達到保護要求。第二次饋電試驗結果表明，當站場存在7個儲罐和管道時，36.4 A的保護電流能使該油田站場中一口50 000 m3外浮頂儲油罐極化電位負移100 mV。第三次饋電試驗結果表明，淺埋陽極地床輸出15 A能使30 m范圍內管道極化電位負移至-850 mV以下，使2 m內管道電位極化至-1 176 mV，達到-850 mV陰極保護準則。圖2為某油田站場饋電試驗中陽極地床的保護范圍。
圖 2 某油田站場饋電試驗中陽極地床的保護范圍
Figure 2. Protection range of anode ground bed in the feeding test of an oilfield station
2. 數值模擬及陽極優化方案設計
2.1 區域陰極保護三維幾何模型
根據站場實際埋地管道、儲罐及其他埋地結構物的幾何位置、埋深、管道長度等基礎信息，建立站場三維管網和儲罐1∶1幾何模型，并對模型進行了網格化，如圖3所示。
圖 3 某油田站場三維幾何模型及網格化
Figure 3. Three dimensional geometric model (a) and meshing (b) of an oilfield station
2.2 埋地管道和儲罐邊界條件的確定
為了獲取管道和儲罐的邊界條件，使用Reference 3000型電化學工作站測試Q235鋼在某油田站場土壤中的極化特性。測試過程使用三電極體系，工作電極為尺寸10 mm×10 mm×5 mm的Q235鋼，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極是混合金屬氧化物（MMO），介質為某油田站場現場帶回的土壤。掃描速率為0.3 mV/s，掃描范圍為-1 500~1 000 mV。根據Q235鋼的極化曲線，調整管道和儲罐面電阻率和涂層破損率，得到油田站場內埋地管道、儲罐等其他埋地結構物的邊界條件。
圖4為Q235鋼在該油田站場土壤環境中的極化曲線。利用現場饋電試驗數據反演計算埋地管道的極化邊界條件，具體方法為：將不同區域內的埋地管道和儲罐底板在該站土壤中的真實極化曲線作為該區域的陰極邊界條件帶入數學模型中求解。得到電位分布結果后，將管道和儲罐電位和饋電試驗測試電位進行比較。若數值模擬得到的電位與真實電位誤差在10%以內，反演的邊界條件接近于站場的實際情況。如誤差超過10%，則反演結果不能真實反映油田站場的電位分布情況，需根據兩者的差值進行修正，直到誤差小于10%，最終反演得到油田站場埋地管道、儲罐及接地等其他埋地結構物的邊界條件。利用反演之后的極化邊界條件計算得到斷電電位，并將其與三次饋電試驗中實地測試斷電電位進行比較，如圖5所示。結果表明，斷電電位的模擬結果與測試結果的相對誤差均在10%以內。圖6為管道涂層極化特性反演的最終結果。該模型能夠真實反映油田站場陰極保護效果。
圖 4 現場土壤環境中Q235鋼的極化曲線
Figure 4. Polarization curve of Q235 steel in on-site soil environment
圖 5 三次饋電試驗斷電電位的模擬結果及其與測試結果的誤差
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
圖 6 埋地管道與儲罐極化邊界條件反演計算結果
Figure 6. Inversion calculation results of polarization boundary conditions of buried pipelines and storage tanks
2.3 陽極地床優化分布設計
根據建立的油田站場區域陰極保護模型，利用上述管道和儲罐極化邊界條件對不同陽極地床分布方案的保護效果進行計算。通過調整陽極分布位置、數量和陽極地床形式，進行陽極地床分布優化設計，得到油田站場中單個儲罐和部分管道受到保護、整體管道和儲罐受到保護情況下陽極地床的位置和管道斷電電位的分布。
2.3.1 單個儲罐和部分管道受到保護
選擇離管道最近的4#儲罐和部分管道作為保護對象。在儲罐兩側分別設置2處深井陽極地床，埋深為80 m，活性段長度為44 m，活性段頂端距離地表深度為36 m。在部分管段周圍或附近設置淺埋陽極地床，陽極埋深2 m。儲罐區的兩口深井陽極總輸出電流為72 A，管道區域的陽極地床總輸出電流為15 A，陽極地床位置和管道保護電位分布云圖如圖7所示。圖中黑色虛框為受保護的管道和儲罐區域。可以發現，離陽極地床較近的4#儲罐和部分管道作為保護對象得到有效保護，2#儲罐和7#儲罐雖然與陽極地床距離較遠，但儲罐之間電連接，它們可以從其他儲罐吸收保護電流，因此也得到有效保護。當模型中只有單個儲罐時，只需13 A電流就可以使儲罐得到有效保護，如圖8所示。
圖 7 在單個儲罐和部分管道受到保護的條件下斷電電位分布云圖和陽極地床位置
Figure 7. Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with single storage tank and partial pipeline under protection
圖 8 單個儲罐達到保護時斷電電位電位分布云圖和陽極地床位置（其余模型處于缺省狀態）
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 整體管道和儲罐受到保護
將站內整體管道和儲罐作為保護對象，在儲罐區設置7處深井陽極地床，埋深為80 m，活性段長度為44 m，活性段頂端距離地表深度為36 m；在管道區設置5組淺埋分布式陽極地床，儲罐區的深井陽極輸出電流為130 A，管道區域的陽極輸出電流為75 A，陽極輸出總電流為205 A，陽極地床位置和管道保護電位分布云圖如圖9所示。可以看到，電位分布范圍為-1.20~-0.85 V，站內埋地管道和儲罐均得到有效保護。
圖 9 在整體管道和儲罐受到保護的條件下斷電電位分布云圖和陽極地床位置
Figure 9. Cloud map of off potential distribution and anode ground bed position with overall pipeline and storage tank under protection
3. 示范應用效果
根據現場饋電試驗與數值模擬結果，以4#儲罐和部分管道作為示范區域，采用兩組淺埋陽極地床和兩組深井陽極地床對部分區域施加陰極保護。
在4#罐東北與西南方向80 m處各設置了一個深井陽極，有效段深度為30~60 m；淺埋臥式陽極地床距管道距離為3 m，埋深為2 m。按照該方案進行了現場實施。淺埋1#陽極地床與淺埋2#陽極地床采用同一臺80 V/40 A直流穩壓電源供電，深井1#陽極地床和深井2#陽極地床分別采用一臺80 V/50 A直流穩壓電源供電，三臺設備同時饋電。電源輸出參數如表5所示。待極化1 h后，測試站內管道的保護效果。陽極地床位置和測試點位置如圖10所示。
表 5 示范應用中直流電源初始輸出參數
Table 5. Initial output parameters of DC power supply in demonstration application
| 地床編號 | 極化時間/h | 輸出電壓/V | 輸出電流/A |
|---|---|---|---|
| 淺埋陽極地床 | 1 | 37.8 | 34.8 |
| 深井1#陽極地床 | 1 | 22.4 | 40.2 |
| 深井2#陽極地床 | 1 | 19.3 | 40.4 |
圖 10 示范應用中陽極地床及管道測試點位置
Figure 10. Locations of anode ground bed and pipeline test point in demonstration application
油田站場管道極化穩定后，進行通/斷電電位測試，記錄測試點處對應的通/斷電電位Eon和Eoff，如表6所示。管道上1#~8#測試點的斷電電位和4#罐上9#~16#測試點的斷電電位均滿足-850 mV陰極保護準則，站場示范區內的管道均得到有效保護。
表 6 示范應用中通斷電電位測試結果
Table 6. Test results of on/off potentials in demonstration application
| 測試點序號 | Eon/mV | Eoff/mV | Ecorr/mV | 極化電位偏移量/mV |
|---|---|---|---|---|
| 1 | -1 032 | -865 | -649 | -216 |
| 2 | -1 665 | -1 195 | -703 | -492 |
| 3 | -1 314 | -1 051 | -687 | -364 |
| 4 | -1 418 | -906 | -661 | -245 |
| 5 | -1 580 | -935 | -667 | -268 |
| 6 | -1 199 | -861 | -649 | -212 |
| 7 | -1 229 | -873 | -643 | -230 |
| 8 | -1 168 | -879 | -623 | -256 |
| 9 | -1 143 | -883 | -700 | -113 |
| 10 | -1 196 | -922 | -742 | -180 |
| 11 | -1 215 | -864 | -614 | -250 |
| 12 | -1 346 | -853 | -661 | -192 |
| 13 | -1 318 | -888 | -692 | -196 |
| 14 | -1 199 | -890 | -678 | -212 |
| 15 | -1 143 | -870 | -651 | -219 |
| 16 | -1 328 | -870 | -656 | -214 |
4. 結論
（1）通過在某油田站場開展分區域饋電試驗，在存在7個儲罐的罐區，要使50 000 m3外浮頂儲油罐的極化電位負向偏移100 mV，電流需求量約為36.4 A；密集管網區域保護電流為15 A，保護范圍約30 m。
（2）根據考察某油田站場內埋地管道及儲罐的基礎信息及分布位置構建了區域陰極保護三維數學模型，通過饋電試驗反演獲得了該油田站場內管道及儲罐的邊界條件；利用模型優化計算確定了整個油田站場的陽極優化分布方案。
（3）示范應用表明，利用現場饋電試驗及數模計算確定的方案能夠獲得預期的保護效果，在存在7個儲罐的罐區，要使得單個儲罐電位達到-850 mV，需要設置兩口深井陽極，總輸出電流需達到80 A。
文章來源——材料與測試網
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