迄今為止，國(guó)內(nèi)很多油田站場(chǎng)埋地管道與儲(chǔ)罐底板僅采用防腐蝕層進(jìn)行外腐蝕防護(hù)。隨著油田站場(chǎng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，站內(nèi)埋地管道及儲(chǔ)罐底板腐蝕泄漏問(wèn)題日益突出，這成為了站場(chǎng)運(yùn)行的安全生產(chǎn)隱患[1-3]。區(qū)域陰極保護(hù)能夠?yàn)橛吞镎緢?chǎng)埋地管道及儲(chǔ)罐底板提供防護(hù)，降低生產(chǎn)中的安全隱患，近年來(lái)該技術(shù)在油氣管道站場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的防護(hù)效果[4-5]。

相比傳統(tǒng)的陰極保護(hù)方法，區(qū)域陰極保護(hù)將范圍內(nèi)的所有預(yù)保護(hù)對(duì)象看做一個(gè)整體，依靠合理的陽(yáng)極分布和陰極保護(hù)電流分配使得范圍內(nèi)的對(duì)象得到保護(hù)[6-7]。油田站場(chǎng)內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)物眾多且分布復(fù)雜，包括輸油管道、消防管道、放空管道、儲(chǔ)罐及其電連接的其他金屬結(jié)構(gòu)物[8]。同時(shí)，管道防腐蝕層類型、儲(chǔ)罐底部防腐蝕層劣化程度等均存在不同，因此難以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確確定站場(chǎng)內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)物的陰極保護(hù)電流需求量，這給陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難[9-10]。此外，復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)物會(huì)屏蔽陰極保護(hù)電流，導(dǎo)致陰極保護(hù)陽(yáng)極地床設(shè)計(jì)難度增加[11-12]。因此，如何對(duì)已建油田站場(chǎng)補(bǔ)加區(qū)域陰極保護(hù)，準(zhǔn)確確定保護(hù)電流需求[13]，合理設(shè)計(jì)陽(yáng)極地床，避免管道和儲(chǔ)罐底板發(fā)生腐蝕和泄漏[14]，成為油田站場(chǎng)腐蝕控制管理有待解決的技術(shù)難題。

作者以某投入使用20 a的油田站場(chǎng)為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)和數(shù)值模擬[15-17]相結(jié)合的方法，確定了保護(hù)電流的需求量及陽(yáng)極地床分布方案，該方案在示范應(yīng)用中取得了良好的效果，為油田站場(chǎng)補(bǔ)加區(qū)域陰極保護(hù)工程提供參考。

1. 現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)

某油田站場(chǎng)主要分為管道區(qū)和儲(chǔ)罐區(qū)，站內(nèi)的主要保護(hù)對(duì)象是儲(chǔ)罐底板和埋地管道。2#、3#儲(chǔ)罐為小型儲(chǔ)罐，其底部直徑為40 m，容積為20 000 m3；1#、4#、5#、6#和7#儲(chǔ)罐為大型儲(chǔ)罐，底部直徑為60 m，容積為50 000 m3。管道總長(zhǎng)為3.1 km。

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)試，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行饋電試驗(yàn)確定站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)電流的需求量。

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查掌握油田站場(chǎng)的基礎(chǔ)情況，包括埋地管道和其他地下金屬結(jié)構(gòu)物的尺寸和空間分布，儲(chǔ)罐底板及管道的防腐蝕層情況，可開(kāi)挖并埋設(shè)臨時(shí)陽(yáng)極的位置。

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容包括自然腐蝕電位測(cè)量和土壤電阻率測(cè)試。使用地表參比電極測(cè)試電位；采用溫納四極法測(cè)試站場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域和不同深度的土壤電阻率。

（3）饋電試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)通過(guò)在站場(chǎng)建立臨時(shí)陰保系統(tǒng)，分區(qū)對(duì)站內(nèi)埋地管道和儲(chǔ)罐底板進(jìn)行臨時(shí)保護(hù)，檢測(cè)埋地管道和儲(chǔ)罐底板的電位分布，分析確定相應(yīng)的電流需求量、電流流失點(diǎn)、屏蔽區(qū)域和干擾等情況。利用饋電試驗(yàn)測(cè)得的通/斷電電位分布數(shù)據(jù)可以評(píng)估臨時(shí)陽(yáng)極地床的保護(hù)范圍以及電位衰減情況。試驗(yàn)中，陰極保護(hù)電流由直流電源提供，待極化電位相對(duì)穩(wěn)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(guò)對(duì)比不同區(qū)域保護(hù)電流需求量以及保護(hù)范圍，可以獲得整個(gè)區(qū)域內(nèi)保護(hù)電流需求量以及不同區(qū)域保護(hù)的難易等重要信息。圖1為某油田的平面布局、饋電試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)和臨時(shí)陽(yáng)極地床位置示意。

圖 1某油田站場(chǎng)平面布局、饋電試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)和陽(yáng)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

1.2 現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，在油田站場(chǎng)地下2 m深度內(nèi)，土壤平均電阻率為20.10 Ω·m。

在不同饋電試驗(yàn)中，采用不同的陽(yáng)極地床分區(qū)對(duì)站內(nèi)埋地管道和儲(chǔ)罐底板進(jìn)行臨時(shí)保護(hù)。表1為采用不同陽(yáng)極地床饋電試驗(yàn)的電源輸出電流、輸出電壓等參數(shù)。

在第一次饋電試驗(yàn)中，1#陽(yáng)極地床布置在2#儲(chǔ)罐東南位置，輸出電流為24.0 A，測(cè)試了距離陽(yáng)極最近的2#儲(chǔ)罐的斷電電位，結(jié)果如表2所示。其中，16#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位（相對(duì)于CSE，下同）為-732 mV，極化電位偏移量達(dá)到-120 mV；17#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-640 mV，極化電位偏移量達(dá)到-50 mV；18#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-704 mV，極化電位偏移量達(dá)到-84 mV；19#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-839 mV，極化電位偏移量達(dá)到-229 mV。2#儲(chǔ)罐外圍只有16#和19#測(cè)試點(diǎn)的極化電位偏移超過(guò)100 mV。以上結(jié)果表明，當(dāng)站場(chǎng)存在7個(gè)儲(chǔ)罐和管道時(shí)，24 A的保護(hù)電流不足以使該油田中20 000 m3小型儲(chǔ)罐外圍電位達(dá)到保護(hù)要求。

在第二次饋電試驗(yàn)中，2#陽(yáng)極地床布置在1#儲(chǔ)罐的東北和西南方向，其01和02陽(yáng)極地床輸出電流分別為20.5 A和15.9 A，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，1#儲(chǔ)罐40#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-828 mV，極化電位偏移量達(dá)到-188 mV；41#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-743 mV，極化電位偏移量達(dá)到-100 mV；42#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-811 mV，極化電位偏移量達(dá)到-154 mV；43#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-838 mV，極化電位偏移量達(dá)到-183 mV。1#儲(chǔ)罐外圍各測(cè)試點(diǎn)的極化電位負(fù)向偏移量均達(dá)到或超過(guò)100 mV。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)站場(chǎng)存在7個(gè)儲(chǔ)罐和管道時(shí)，36 A的保護(hù)電流只能使該油田中一個(gè)50 000 m3大型儲(chǔ)罐的外圍極化電位達(dá)到保護(hù)要求，而儲(chǔ)罐中心的極化電位仍不能達(dá)到保護(hù)要求，因此若要完全保護(hù)該站場(chǎng)一個(gè)大型儲(chǔ)罐，需要更大的電流量。

在第三次饋電試驗(yàn)中，3#陽(yáng)極地床放在管道區(qū)，輸出電流為15 A，結(jié)果如表4所示。其中，最近的51#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位為-1 176 mV，稍遠(yuǎn)一些的46#和50#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位分別為-924、-896 mV，都達(dá)到了-850 mV的陰極保護(hù)準(zhǔn)則；9#和44#測(cè)試點(diǎn)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(yàn)結(jié)果表明，淺埋陽(yáng)極地床輸出15 A的電流能使30 m范圍內(nèi)管道斷電電位負(fù)移至-850 mV以下，使2 m內(nèi)管道斷電電位負(fù)移至-1 176 mV，達(dá)到-850 mV陰極保護(hù)準(zhǔn)則。

根據(jù)第一次饋電試驗(yàn)結(jié)果，只有最靠近陽(yáng)極地床位置的儲(chǔ)罐偏移量最大。當(dāng)站場(chǎng)存在7個(gè)儲(chǔ)罐和管道時(shí)，24 A的保護(hù)電流不能使該油田站場(chǎng)中一口20 000 m3小型儲(chǔ)罐的外圍極化電位達(dá)到保護(hù)要求。第二次饋電試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)站場(chǎng)存在7個(gè)儲(chǔ)罐和管道時(shí)，36.4 A的保護(hù)電流能使該油田站場(chǎng)中一口50 000 m3外浮頂儲(chǔ)油罐極化電位負(fù)移100 mV。第三次饋電試驗(yàn)結(jié)果表明，淺埋陽(yáng)極地床輸出15 A能使30 m范圍內(nèi)管道極化電位負(fù)移至-850 mV以下，使2 m內(nèi)管道電位極化至-1 176 mV，達(dá)到-850 mV陰極保護(hù)準(zhǔn)則。圖2為某油田站場(chǎng)饋電試驗(yàn)中陽(yáng)極地床的保護(hù)范圍。

圖 2某油田站場(chǎng)饋電試驗(yàn)中陽(yáng)極地床的保護(hù)范圍

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

2. 數(shù)值模擬及陽(yáng)極優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 區(qū)域陰極保護(hù)三維幾何模型

根據(jù)站場(chǎng)實(shí)際埋地管道、儲(chǔ)罐及其他埋地結(jié)構(gòu)物的幾何位置、埋深、管道長(zhǎng)度等基礎(chǔ)信息，建立站場(chǎng)三維管網(wǎng)和儲(chǔ)罐1∶1幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格化，如圖3所示。

圖 3某油田站場(chǎng)三維幾何模型及網(wǎng)格化

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

2.2 埋地管道和儲(chǔ)罐邊界條件的確定

為了獲取管道和儲(chǔ)罐的邊界條件，使用Reference 3000型電化學(xué)工作站測(cè)試Q235鋼在某油田站場(chǎng)土壤中的極化特性。測(cè)試過(guò)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(zhì)為某油田站場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)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(jù)Q235鋼的極化曲線，調(diào)整管道和儲(chǔ)罐面電阻率和涂層破損率，得到油田站場(chǎng)內(nèi)埋地管道、儲(chǔ)罐等其他埋地結(jié)構(gòu)物的邊界條件。

圖4為Q235鋼在該油田站場(chǎng)土壤環(huán)境中的極化曲線。利用現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演計(jì)算埋地管道的極化邊界條件，具體方法為：將不同區(qū)域內(nèi)的埋地管道和儲(chǔ)罐底板在該站土壤中的真實(shí)極化曲線作為該區(qū)域的陰極邊界條件帶入數(shù)學(xué)模型中求解。得到電位分布結(jié)果后，將管道和儲(chǔ)罐電位和饋電試驗(yàn)測(cè)試電位進(jìn)行比較。若數(shù)值模擬得到的電位與真實(shí)電位誤差在10%以內(nèi)，反演的邊界條件接近于站場(chǎng)的實(shí)際情況。如誤差超過(guò)10%，則反演結(jié)果不能真實(shí)反映油田站場(chǎng)的電位分布情況，需根據(jù)兩者的差值進(jìn)行修正，直到誤差小于10%，最終反演得到油田站場(chǎng)埋地管道、儲(chǔ)罐及接地等其他埋地結(jié)構(gòu)物的邊界條件。利用反演之后的極化邊界條件計(jì)算得到斷電電位，并將其與三次饋電試驗(yàn)中實(shí)地測(cè)試斷電電位進(jìn)行比較，如圖5所示。結(jié)果表明，斷電電位的模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。圖6為管道涂層極化特性反演的最終結(jié)果。該模型能夠真實(shí)反映油田站場(chǎng)陰極保護(hù)效果。

圖 4現(xiàn)場(chǎng)土壤環(huán)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(yàn)斷電電位的模擬結(jié)果及其與測(cè)試結(jié)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(chǔ)罐極化邊界條件反演計(jì)算結(jié)果

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

2.3 陽(yáng)極地床優(yōu)化分布設(shè)計(jì)

根據(jù)建立的油田站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)模型，利用上述管道和儲(chǔ)罐極化邊界條件對(duì)不同陽(yáng)極地床分布方案的保護(hù)效果進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)調(diào)整陽(yáng)極分布位置、數(shù)量和陽(yáng)極地床形式，進(jìn)行陽(yáng)極地床分布優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到油田站場(chǎng)中單個(gè)儲(chǔ)罐和部分管道受到保護(hù)、整體管道和儲(chǔ)罐受到保護(hù)情況下陽(yáng)極地床的位置和管道斷電電位的分布。

2.3.1 單個(gè)儲(chǔ)罐和部分管道受到保護(hù)

選擇離管道最近的4#儲(chǔ)罐和部分管道作為保護(hù)對(duì)象。在儲(chǔ)罐兩側(cè)分別設(shè)置2處深井陽(yáng)極地床，埋深為80 m，活性段長(zhǎng)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(shè)置淺埋陽(yáng)極地床，陽(yáng)極埋深2 m。儲(chǔ)罐區(qū)的兩口深井陽(yáng)極總輸出電流為72 A，管道區(qū)域的陽(yáng)極地床總輸出電流為15 A，陽(yáng)極地床位置和管道保護(hù)電位分布云圖如圖7所示。圖中黑色虛框?yàn)槭鼙Ｗo(hù)的管道和儲(chǔ)罐區(qū)域。可以發(fā)現(xiàn)，離陽(yáng)極地床較近的4#儲(chǔ)罐和部分管道作為保護(hù)對(duì)象得到有效保護(hù)，2#儲(chǔ)罐和7#儲(chǔ)罐雖然與陽(yáng)極地床距離較遠(yuǎn)，但儲(chǔ)罐之間電連接，它們可以從其他儲(chǔ)罐吸收保護(hù)電流，因此也得到有效保護(hù)。當(dāng)模型中只有單個(gè)儲(chǔ)罐時(shí)，只需13 A電流就可以使儲(chǔ)罐得到有效保護(hù)，如圖8所示。

圖 7在單個(gè)儲(chǔ)罐和部分管道受到保護(hù)的條件下斷電電位分布云圖和陽(yáng)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(gè)儲(chǔ)罐達(dá)到保護(hù)時(shí)斷電電位電位分布云圖和陽(yáng)極地床位置（其余模型處于缺省狀態(tài)）

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(chǔ)罐受到保護(hù)

將站內(nèi)整體管道和儲(chǔ)罐作為保護(hù)對(duì)象，在儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置7處深井陽(yáng)極地床，埋深為80 m，活性段長(zhǎng)度為44 m，活性段頂端距離地表深度為36 m；在管道區(qū)設(shè)置5組淺埋分布式陽(yáng)極地床，儲(chǔ)罐區(qū)的深井陽(yáng)極輸出電流為130 A，管道區(qū)域的陽(yáng)極輸出電流為75 A，陽(yáng)極輸出總電流為205 A，陽(yáng)極地床位置和管道保護(hù)電位分布云圖如圖9所示?？梢钥吹剑娢环植挤秶鸀?1.20~-0.85 V，站內(nèi)埋地管道和儲(chǔ)罐均得到有效保護(hù)。

圖 9在整體管道和儲(chǔ)罐受到保護(hù)的條件下斷電電位分布云圖和陽(yáng)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(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，以4#儲(chǔ)罐和部分管道作為示范區(qū)域，采用兩組淺埋陽(yáng)極地床和兩組深井陽(yáng)極地床對(duì)部分區(qū)域施加陰極保護(hù)。

在4#罐東北與西南方向80 m處各設(shè)置了一個(gè)深井陽(yáng)極，有效段深度為30~60 m；淺埋臥式陽(yáng)極地床距管道距離為3 m，埋深為2 m。按照該方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。淺埋1#陽(yáng)極地床與淺埋2#陽(yáng)極地床采用同一臺(tái)80 V/40 A直流穩(wěn)壓電源供電，深井1#陽(yáng)極地床和深井2#陽(yáng)極地床分別采用一臺(tái)80 V/50 A直流穩(wěn)壓電源供電，三臺(tái)設(shè)備同時(shí)饋電。電源輸出參數(shù)如表5所示。待極化1 h后，測(cè)試站內(nèi)管道的保護(hù)效果。陽(yáng)極地床位置和測(cè)試點(diǎn)位置如圖10所示。

圖 10示范應(yīng)用中陽(yáng)極地床及管道測(cè)試點(diǎn)位置

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

油田站場(chǎng)管道極化穩(wěn)定后，進(jìn)行通/斷電電位測(cè)試，記錄測(cè)試點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的通/斷電電位Eon和Eoff，如表6所示。管道上1#~8#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位和4#罐上9#~16#測(cè)試點(diǎn)的斷電電位均滿足-850 mV陰極保護(hù)準(zhǔn)則，站場(chǎng)示范區(qū)內(nèi)的管道均得到有效保護(hù)。

4. 結(jié)論

（1）通過(guò)在某油田站場(chǎng)開(kāi)展分區(qū)域饋電試驗(yàn)，在存在7個(gè)儲(chǔ)罐的罐區(qū)，要使50 000 m3外浮頂儲(chǔ)油罐的極化電位負(fù)向偏移100 mV，電流需求量約為36.4 A；密集管網(wǎng)區(qū)域保護(hù)電流為15 A，保護(hù)范圍約30 m。

（2）根據(jù)考察某油田站場(chǎng)內(nèi)埋地管道及儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)信息及分布位置構(gòu)建了區(qū)域陰極保護(hù)三維數(shù)學(xué)模型，通過(guò)饋電試驗(yàn)反演獲得了該油田站場(chǎng)內(nèi)管道及儲(chǔ)罐的邊界條件；利用模型優(yōu)化計(jì)算確定了整個(gè)油田站場(chǎng)的陽(yáng)極優(yōu)化分布方案。

（3）示范應(yīng)用表明，利用現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)及數(shù)模計(jì)算確定的方案能夠獲得預(yù)期的保護(hù)效果，在存在7個(gè)儲(chǔ)罐的罐區(qū)，要使得單個(gè)儲(chǔ)罐電位達(dá)到-850 mV，需要設(shè)置兩口深井陽(yáng)極，總輸出電流需達(dá)到80 A。

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