区域阴极保护技术施工标准化思路和关键措施
2024-07-30 16:11:34
作者：延旭博 来源：腐蚀与防护
分享至：
区域阴极保护技术是站内埋地管道腐蚀防护的重要手段，近年来在大型输油气站场等场所得到了广泛的应用。
因站内埋地管道、接地等系统复杂，因此其与长输管道的阴极保护技术相比，设计难度更高，相关的研究主要集中在设计方面，特别是馈电试验和数值模拟仿真技术的应用，大大提高了其设计成功率，但对于其施工质量把控的关注较少。
在实际应用中发现，区域阴极保护基本属于隐蔽工程，完工后仅有恒电位仪安装在阴保间，其余的电缆、辅助阳极、深井阳极、通电点、均压线等均安装在地下，因此，其施工质量和工艺标准化对后期的运行维护尤为重要。
特别是一些输气站出现了因施工质量不达标导致的电缆断线、阳极损坏等问题，导致阴极保护效果不达标，且隐蔽工程维护和维修困难，给运行管理工作带来了一定的困难。
在石油天然气储运的各环节中，应用了大量的金属设施，如管道、处理设备、储罐等，很多都埋在地下，受土壤中的电偶腐蚀、微生物腐蚀、化学腐蚀等机理的作用，存在较高的腐蚀风险。阴极保护技术是根据原电池原理，采用外界电源对被保护体施加直流电流，使被保护的金属结构得到电子，从而控制电化学腐蚀的进展，抑制腐蚀发生。区域阴极保护即是将输油气站、化工厂等相对独立的区域的埋地金属管道作为被保护的整体施加阴极保护的技术，如图1所示。区域阴极保护技术在20世纪50年代应用以来，国内外在相关标准方面均相对滞后。国际上没有针对站场管道区域阴极保护的标准，与其相近的主要是密集结构物的阴极保护标准，如欧洲标准BSEN 14505:2005 Cathodic protection of complex structures和澳大利亚标准AS 2832.2—2003 Cathodic protection of metal Part 2: Compact buried structures。由于区域阴极保护的技术原理和实施方法与干线基本相同，一些干线阴极保护的标准也常作为参考，如ISO 15589—1:2015、NACE SP0169:2013。
国内站场区域阴极保护的标准也仅有国家标准GB/T 35508—2017《场站内区域性阴极保护》，以及行业标准SY/T 6964—2013《石油天然气站场阴极保护技术规范》。
SY/T 6964—2013仅在电源设备的安装、浅埋式分布阳极地床的施工、深井阳极地床的施工、接线箱的安装等方案有简单的要求，如必须按照设计图纸施工、所有焊接处应防腐等，GB/T 35508—2017中明确规定：为了避免直埋电缆在服役期间受到第三方破坏，应根据电缆敷设走向设置地面电缆标志桩。但是并未规定标志桩的间距、大小、文字内容等，这就需要在实施中根据现场条件和要求具体细化。
综合来看，国内外标准虽然基本都涵盖了区域阴极保护设计、安装、施工、调试、检测和运行维护方面的内容，但是在区域阴极保护施工方面，仅明确了区域阴极保护施工的一般性要求，对施工中的具体做法未做明确的规定，难以指导现场施工。
恒电位仪以220 V市电为输入，通过逆变、整流、滤波等过程，为管道提供稳定的直流电流，并通过参比电极持续测量被保护管道的电位参数进行反馈和调节，使得阴极保护系统工作在相对稳定的状态中。恒电位仪选型是区域阴极保护系统建设的重要工作，选型过大会造成投资和电能浪费，选型过小会造成输出不足，管道欠缺保护。常规的方法是通过埋地管道表面积，结合所需电流，并考虑一定的裕量系数，确定设备型号。由于输气站内埋地管道往往和庞大的接地系统连接，造成了大量的保护电流流失和浪费，而接地系统往往没有详细的图纸，其分布复杂，因此，根据埋地管道表面积和电流密度的计算方法误差较大。现场往往采取馈电试验的方法，即在现场设置临时阴保站，在工艺区安装钢钎等材料的临时阳极。对站内管道进行馈电，待管道极化后对其进行密间隔电位测试，调整馈电电流的大小和临时阳极位置，直到全部管道实现较为均衡的电流分布且都均在保护范围内，以此时的电流输出作为恒电位仪选型的参考。这种方法基于真实的试验，同时可以以理论计算为补充，可有效的提供恒电位仪选型成功率。深井阳极是以将阳极竖井方式安装，井深一般在15 m以上。已建成的输气站场进行区域阴极保护系统改造时，采用深井阳极可最大程度的远离工艺区施工，地下隐蔽工程破坏风险低。但深井阳极是将站内埋地金属作为整体进行保护，由于站内管道分布不均匀、土壤电阻率差异、接地系统的屏蔽作用等，很容易出现金属密集区域电位偏正，保护电流分布差异大的现象，需要结合分布式浅埋阳极对电场进行改善。深井阳极的安装需要结合工程场地的地质情况，选取合适的钻机，在打井成井后安装阳极、回填填料、连接电缆，并设置排气口。（1）地质条件良好，设计井深范围内无大厚度的岩石层、砂石层。（2）土壤含水率适中，电阻率较低，方便电流的传导流动和分配。（3）站场周边无其他工厂或金属构建，避免电流向厂区外流失。（4）阳极井与站内管道之间不应有站外长输管道经过，以免站内外阴保系统互相干扰。分布阳极多用于地表空间较大，且土壤电阻率不高的情况下。分布式浅埋阳极地床在合理布置的前提下，自身干扰较小，可以使被保护体拥有更为均匀的电位分布。分布式浅埋阳极对站内空间的要求较高，站内开挖工程量大，特别是补加区域阴保的站场，在开挖中难免与已有的接地系统、各类动力、通讯的强弱电的电缆交叉，增加施工风险。此外，在间距较近的情况下，分布式浅埋阳极会产生比较大的干扰问题，屏蔽现象也很突出，远离阳极的被保护体不能被保护。分布式阳极因安装在工艺区内，必须采用人工开挖，且应分层开挖作业带，避免对原有的电缆造成破坏。电缆是阴极保护系统的重要组成，如果施工质量不佳，造成电缆断开，往往导致系统无法正常运行。其安装的基本要求如下：（1）尽量减少电缆的接头，如必须接头，不能简单的拧在一起，需要采用铜管压接或专用接头装置，并采用注胶密封、粘弹体+防护带或热缩套等进行绝缘和防腐。（2）电缆的布局、走线应美观、清晰，横平竖直，标记明显；埋地线缆要安装在冻土层以下，遵循全国通用电气装置标准图集《35 kV及以下电缆敷设》的要求。（3）电缆与其他电缆、公路、管道、沟渠、墙体等穿越交叉时，不能直接通过，必须采取保护措施，如加金属保护套管等。电缆与被保护管道需要通过焊接连接导通，焊接后还要进行防腐。这样不仅能保证电路的通畅，还可以保护焊接点，防止焊接点因腐蚀脱落。① 恒电位仪与阳极电缆、阴极电缆、零位接阴电缆、参比电缆的连接；② 设备机壳接地。设备机壳接地采用VV-1 kV/1×25 mm2电缆将恒电位仪机壳接地端子与站场共用接地装置连接，并保证完全电气连通。安装时应当严格按照其产品说明书进行，必要时应当邀请生产厂商的技术人员到现场指导或调试。电缆连接时应确保极性正确，并且确保电气接触导通良好。安装完成后，首先开机进行设备自检，自检完成无误后进行相关参数调试，保证恒电位仪稳定有效运行。深井阳极完全布置在地下，安装完成后只有井口在地面上，其施工流程如下：（1）准备工作。准确定位拟钻井位置，清理地上附着物如绿化、路面和周边影响施工的树木等，接入临时水、电，开挖废水坑。（2）地下结构探测。使用雷迪或PCM等设备，确定地下无燃气管道，采用人工开挖探坑，确认下方无管道、动力电缆、信号线及其他管道。（3）钻井。钻机安装前，应以井口纵向、横向中心为基准，根据钻机型号，在基墩上画出底座安装边线，有配重水柜的钻机还应画出水柜中心线和边线，用水平仪找正，找平。钻机设备的安装应达到“平、稳、正、全、牢、灵、通”的要求。固定螺栓孔的直径应为固定螺栓直径的110%。所有因找平而加的垫铁，其间都应用电焊点牢，防止松动脱落。各运转机件上的护罩和保护装置必须配齐装牢。钻井的工程中井径必须一致，井必须和地面保持垂直，严禁出现喇叭口或缩井现象。钻机必须与地面保持垂直，不得倾斜，井座一定要牢固，吊装阳极体井架升起的高度不得小于8 m并与地面垂直。同时，载重量不得小于2 t。先用450 mm的钻杆钻深5 m，取出钻杆后加装护井钢套管（450 mm×4 mm×5000 mm）后，再换用350 mm的钻杆钻至图纸所要求的深度，并且在钻井的过程中要不断加膨润土和用黄泥固井，防止井塌，同时调整机架挺杆，对好桩位（用对位圈）开动机器钻进、出土，测试土壤电阻率，达到控制深度后停钻，提钻，检查成孔质量。井钻好后，井内必须充满水，以保养井，原则上，不得超过1 h；并检测井是否达到设计的规定要求。钻井结束后，需要对阳极井清洗，以利于焦炭沉降，以洗出水不含泥浆为标准。（4）深井阳极安装。深井阳极安装时，对阳极引线做明确标识，标识为“1号阳极”和“2号阳极”。最下面的阳极组为“1号阳极”，然后依次排序标识。排气管的延长方式采用PVC管专用接头连接。在阳极安装时，应仔细检查阳极电缆及电缆与阳极连接处是否有破损；如有破损应立即密封破损处。阳极套管要垂直井孔中央安装，下井时要避免阳极电缆及排气管道承重或受损。（5）焦炭填充及阳极井回填。阳极套管下井就位后，用焦炭填充至设计标高，填料填装采用人工装填。少量、缓慢、匀速装填，确保焦炭完全沉降，并采用注水的方式确保焦炭回填密实，以减小接地电阻。将PVC导气管在井口上0.8 m处截断，将一个U型弯头倒装于排气管口以利于排气和避免堵塞。砌筑井口，砖壁面用水泥找平，并加设阳极井盖。（1）准备工作。确定阳极地床安装准确位置，然后清理地面障碍物，如绿化、碎石、路面等。（2）开挖阳极坑。按照现场测量准确位置进行人工开挖阳极坑。安全员现场看护，现场工人人工开挖阳极坑，开挖时需注意地下管线，注意避开，挖出的泥土放置到一边，以备回填。开挖过程中，应随时检查坑槽挖方边坡的状态。作业坑必须留有逃生通道口，逃生通道采用宽1 m、踏步式布局。此外，为了安全，必须放置逃生梯在作业坑内。作业坑边缘1 m内不得堆放开挖出的土石方。作业坑周围拉警戒带，防止无关人员进入。（3）浅埋阳极地床安装。阳极坑开挖完成后，倒入适量焦炭，达到降阻目的。将预包装阳极放在焦炭上方，再次倒入适量焦炭，使焦炭充分包裹阳极。焦炭回填完毕后进行注水，使阳极坑的内焦炭完全浸湿。电缆在整个区域阴极保护施工中，涉及区域多、连接设备多，其标准化重点关注以下三点：（1）防范第三方破坏。因站内升级改造工程很多，往往要对站内进行开挖，存在破坏已敷设的电缆的风险。对策为在已硬化的工艺区内，采用不锈钢标识牌，每隔10 m设置1处，并在转角处设置。牌上标明电缆的走向和埋深，并注明“阴保”字样。在未硬化的绿化带、便道下面的电缆，采用电缆标志桩，每隔20 m设置1处，同样注明电缆的走向和埋深，并写明“下有电缆、严禁开挖”。（2）方便后期检修和维护，在电缆敷设中，要设置明确的标识，即每隔1 m采用标签纸标明电缆的作用，如通电点1电缆、辅助阳极1回路阳极等，将电缆擦拭干净、表面无污物后，将标签纸粘贴牢固，多条电缆线采用捆扎固定好后放入电缆沟，电缆留有10%左右的富余量，以防热胀冷缩造成接头断线。电缆上盖砖保护，在上面进行施工时，挖到砖头即可判断下方存在电缆，降低施工造成的电缆破坏风险。（3）通电点区域的可视化。采用4个不锈钢电缆标识，对通电点位置以1.5 m×1.5 m的区域，进行正方形围起来，标识牌注明“通电点区域”字样及埋深。电缆与管道采用铝热焊进行连接，焊点至少离焊缝200 mm远，且不应在管道弯头处。电缆焊接处环氧树脂+粘弹体+冷缠带进行防腐及防水处理，粘弹体和冷缠带周向搭接长度不得小于200 mm，确保其电连续性。接线箱用于汇合各组阳极电缆，要求安装稳固、竖直。接线箱安装于钢质支架上，固定设施包括镀锌钢管、钢板、U型卡箍、混凝土固定墩等；阳极分流箱用镀锌U型卡固定在钢管柱上，固定应牢固。镀锌钢管（1.5 m）与底板可采用角焊，钢管埋设应竖直。分流接线箱底部距离地面的高度为650 mm，底板埋设深度为地下750 mm。在每根阳极电缆的端部安装一个铜鼻子，采用液压钳固定铜鼻子，并做好密封防腐。在铜鼻子上打上与电缆编号一致的阳极编号。然后按顺序安装在阳极分流箱内的接线柱上，用铜质螺母固定。镀锌钢管埋地部分和底板与站内埋地管道采用一样的防腐处理，露空部分采用与站内露空设备相同的涂料防腐。阴极保护电缆通过铜鼻子用螺栓与分流箱的接线柱相连，与公共接线端子排串联相连。接线柱规格为适合截面为16 mm2以下的单芯电缆的连接。连接电缆引入箱体，将汇合阳极电缆连接到恒电位仪的阳极，然后调试每组阳极的输出，调试完成后，将防阳极分流箱的密封圈、垫及密封胶按要求安装好，上好封盖，并拧紧螺栓。
(1) 区域阴极保护系统复杂，施工难度高，施工质量是保障区域阴极保护系统一次投产成功的重要因素，因此必须注重施工质量和标准化研究，并在应用中落实。
(2) 区域阴极保护施工工艺标准化有助于投产后长期稳定运行，方便后期维护和检修。
(3) 阴极保护技术在长期的应用中被证明是有效的，能有效控制埋地管道的腐蚀风险，提供管道运行的安全可靠性，随着站内管道完整性管理理念的深入，其将会越来越多地得到应用。
免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。
