长输油气管道并行敷设阴极保护防干扰分析.pdf
第 3 9卷 第 6期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 长输油气 管道 并行敷设 阴极保 护 防干扰分析 代 以斌 孙春 良 单 蕾 陈发敏 杜艳 霞。 1 .中 国石 油规 划 总院 2 .北京科技 大学 摘 要 为 了研 究 并行 管道 阴极保 护 防干扰 的最 小 间距 , 分 别开展 了现 场测 试 、 室 内模拟 试验 及数 值模 拟 , 最终得 出对 于 3 P E 涂层 的并行 敷设 管道 , 在 土壤 电 阻率为 1 0 0 Q m 以下 时 , 阴极保 护 系统 防干扰 的最 小间距 为 4 m 的 结论 。 关键词 现 场测 试 长输 管道 阴极 保护 室 内实验 数 值模 拟 DOI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 7 3 4 2 6 . 2 0 1 0 . 0 5 . 0 2 4 随着 中亚输 气 管道 、 西 气 东 输 二线 等 大 型 能 源 动脉工 程 的建 设 , 我 国天 然 气 长 输 管道 建 设 迎 来 了 一 个空 前 的高 峰期 , 管道 并 行 的 工程 实 例 也 逐 渐增 多 , 如西 气东输 一 线 、 西 气东 输 二 线 、 西 部 管 道均 在 河西走廊中并行敷设 。并行敷设油气管道阴极保护 干扰问题也 日渐突出, 在 钢质管道及储罐腐蚀控制 工程设 计规 范 S Y 0 0 0 7 中规 定 了对 于 非 联 合 保 护 的 平 行 管 道 间 的 距 离 不 宜 小 于 1 0 m, 由 于 S Y0 0 0 7的编 制 时 间 较 早 , 经 过 近 1 O年 的发 展 , 管 道外防护涂层的性能有了很大提高。涂层性能的提 高 、 阴极保 护 电流 密度 的减 小 是 否会 对 非 联 合保 护 并行 管道 合理 间距 的要 求 有 所 改 变 , 目前 尚无 相 关 的研 究结果 和监 测 数据 , 那 么并 行 敷 设 管 道 阴极 保 护 防干扰 的合理 距离应 该是 多少 呢笔者 拟结 合工 程实 际从并 行管 道现场 测试 、 室 内实验 、 数值 模拟 等 方面谈 一些粗 浅 的看法 。 1并行管道不同阴极保护系统相互干扰的现 场测试 1 . 1现场 测试 内容及 方法 国内外资料关于非联合保护并行管道相互干扰 的现场测试数据较少 , 因此 , 为取得现场的第一手详 实数据, 对甘肃省境 内西部原油成品油管道 和西气 东输并 行段 进行 了现 场测试 。测 试 的主要 内容包 括 记录恒 电位仪的运行参数、 测量土壤电阻率 、 管道 的 电位梯度分布、 管道沿线的通 、 断电电位分布。 按 照 埋 地 钢 质 管 道 阴 极 保 护 参 数 测 试 方 法 S Y/ T 0 0 2 3 1 9 9 7 , 采 用 对 称 四极 交 流 电法来 测 量土 壤 电阻率 。土壤 电阻率是 影 响地下金 属构 件腐 蚀的一个重要的综合性指标 , 是判断土壤腐蚀性的 最基 本参数 , 同时也 是 影 响 阴极 保 护 输 出 电流 及 保 护效果 的一个 重 要指标 。 电位梯 度测 量 , 在 垂直 管道 方 向上 , 分别 测量 管 道 两侧 地表 电位 梯度 的变化 。通 过测量 不 同间距 的 两个 参 比电极 之 间 电位 差 来 进行 , 在不 同 的地质 条 件下 要对 两支 参 比电极进 行校 正 。 管道 沿线 通 、 断 电 电位分 布测量 , 用便 携式参 比 电极 置于埋 地 管道 上 方 的地 表 面 上 , 通 过数 字 万 用 表 测量 被保 护构 件 与参 比 电极 之 间 的 电位 , 通 过 瞬 间断电法来消除 I R降。在阴极保护 间安装 断路器 来 实现 瞬 间断 电 , 并 采 用具 有 记 忆 功 能 的万 用 表来 测 量通 电保 护 电位 、 瞬 间断 电电位 。 1 . 2现 场测试 本次 现 场 测试 以阴保 间为基 点 , 对 沿 阳极 地 床 的不 同间距 、 不 同土壤 电阻率 、 不 同并 行 间距 进行 了 测 试 。主要 的测 试 基 点 包 括 西 部 管 道 甘 露 池 附 近 4 6号阀室阴保 间, 西气东输一线 山丹站, 西部原油 成 品油管道山丹站和西靖站和西部原油管道与西气 东 输管 道相 距较远 处 。下 面例举 两处 测量数 据 。 4 6号 阀室土 壤 电 阻率 测 量 电极 间 距 2 m, 倍 率 1 , 读数 2 , 测得 的土壤 电阻率为 2 5 . 1 2 Q m。 通 电点 通断 电 电位 测量 对 4 6号 阀室 阴保 间通 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 5 8 长输油气管道并行敷设阴极保护防干扰分析 断 电电位进行 了 9次 测 量 , 测 得 的通 电 电位 平 均 值 为 一1 . 2 0 3 0 V, 断 电 电位平 均 值 为 一1 . 1 0 9 0 V, I R 降平均值 为 9 4 mV。 4 6号 阀室 电位 梯 度测 量 间距 2 m 时 , 电位梯 度 为 一 1 7 . 1 8 mV/ 2 m, 电 位 梯 度 平 均 值 为 8 . 6 4 mV/ m。垂直管道方向随着距离的增大, 电位梯度 逐渐 减 小 , 在 距 管 道 7 m 以外 电 位 梯 度 小 于 2 . 5 r n V/ m。 西靖站 2 k m 处 西气 东 输 一 线 电位 梯 度 测 量 问距 2 m 时 , 北 侧 靠 近 并 行 段 , 电 位 梯 度 为 ~ 1 8 . 7 6 4 mV/ 2 m, 电位梯 度平 均值 为 9 . 3 8 2 mV/ m。南 侧远离并行段 , 电位梯度为 一2 7 . 1 1 mV/ 2 m, 电位 梯 度平均 值 为 1 3 . 6 5 5 mV / m。随 着 与管 道 间 距 的 增 大 , 电位梯 度呈减 小趋 势 。南 侧 在 6 m 外 电位 梯 度 开始小 于 2 . 5 mV / m; 北侧 在 1 3 r l l 外 电位 梯度 开 始 小于 2 . 5 mV/ m; 对 比南北 两 侧 的电位 梯 度 变 化 可知 , 南侧 6 m 外 的 电位 梯度 变化 幅度 明显 小 于北 侧 , 主要是 由于北侧 与西部原 油成 品油 管道并 行 , 南 侧为非并行侧 , 并行侧的存在对 电位梯度 的变化有 一 定 影响 的 。 1 . 3现场测试数据分析 根据对不同地段 的现场测量 , 当测试位置与阳 极地床的距离不同时 , 管道两侧电位梯度下降到2 . 5 mV/ m 的距 离也 有 所 不 同 。远 阳极 处 的 防 干扰 距 离要 小于近 阳极 处 的 防干 扰距 离 , 且 随着 测 试点 土 壤 电阻率 的不 同 , 防干扰 距离 也有一 定 的差异 , 随着 土壤电阻率 的增 大, 防干扰距 离基本呈增 大趋势。 、 对 现 场数据 分析可 知 , 在距 阳极地床 较远 的位置 , 当 土壤 电阻率 在 1 0 0 Q m 以下 时 , 并 行 管 道 阴极 保 护 防干扰 的合理距 离可 取 4 m~6 m; 当土壤 电阻率 大于 1 0 0 Q m 时 , 可适当加大距离。 2室内模拟实验 2 . 1室内模拟实验的目的 为 了进 一 步研 究 3 P E 涂 层 的阴极 保 护 电流 密 度 要求 , 以及带 3 P E涂层 及不 带涂 层 阴极 保 护系 统 之间的相互干扰问题 , 建立了室内模拟装置 , 制作了 3 P E涂层 和裸管试 样进 行 了对 比试 验 。 2 . 2 3 P E涂层试样及裸钢试样阴极保护干扰分析 分别 对 裸 管 和带 3 P E涂 层 钢 管 试样 在 不 同 阳 极地 床保 护下 , 采用 不 同并行 间距 时 对试 样 两 侧 电 位梯 度 的影响进 行 了测试 。 裸管 试样测 试 对 1号裸 管 、 地 床 通 电 测试 , 当 单根 裸管试 样处 于 阴极 保 护 下 时 , 随 着距 阳极 地床 距离 的增 大 , 电位 梯度 均为 正值 , 且 随着 距 阳极地床 距 离 的增大 , 电位 梯度下 降 , 在一定 位置 处 电位梯度 下降为 0 。在 被 保 护试 样 周 围 电位 梯 度 均 为 负 值 , 随着距被保护试样距离的增大, 电位梯度下降 , 直到 降为 0 。另 外对 1 、 2号 裸 管 、 地 床 同时通 电测 试 分 析 , 并对 不 同的间距 1 4 1 . 5 mm、 2 2 6 mm、 2 5 0 mm 进行了测试。结果表明 , 在非并行侧 , 随着距管道和 阳极距 离 的增 大 , 电 位梯 度 逐 渐 减小 。但 是 在 并 行 试样 之 间 , 电位 梯度 呈现很 大 的波动 , 说 明两个 阴极 保护 系统 之 间产 生 了较大 的干扰 。 带 3 P E涂 层试 样测试 带 3 P E 涂 层 1号 管 、 地 床通 电 , 单个 3 P E涂 层 试 件 周 围 的 电位 梯 度很 小 , 远小 于裸 管试样 的情 况 , 且 随着距 试件距 离 的增大 , 电位梯 度基 本保 持 变 。对 带 3 P E 涂 层 的 1 、 2号 管 同时通 电 , 结果 表 明 , 对 于 涂 层试 样 , 两 个 并 行试 样 之 间的 电 位梯 度 和 非 并行 侧 的 电位 梯 度 值 均 较 小 , 在 0上下波动 , 远小于并行裸管试样的情况 , 说 明并行 涂层试 样 之 间并 没有 产生相 互 的干扰 。 2 . 3测试结 论 通 过对 3 P E 涂层 试 样 和 裸 管试 样 的 模 拟实 验 可 知 , 裸 管试样 在 非并行 侧 , 随着距 管道 和 阳极 距离 的增大 , 电位梯 度逐 渐减 小 。但 在 并行试样 之 间 , 电 位梯度呈现很大的波动 , 说明两个阴极保护系统之 间产生 了较大 的干 扰 。而 对 于 3 P E 涂层 试 样 , 两个 并 行试样 之 问的 电位梯度 和非 并行 侧 的电位梯 度值 均 较小 , 远小 于并行 裸管 试样 的情 况 , 说 明并行 涂层 试样之间并没有产生相互 的干扰。 3并行管道不同阴极保护系统相互干扰的数 值模拟 3 . 1数值模 拟 目的 由于现场测量数据受到并行的高压线路、 土壤 电阻率分布的不均匀性以及阳极地床位置的不确定 性等多方面的影响, 根据现场测试数据很难单纯地 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 9卷 第 6期 石油与天然气化工 CHEMlCAL E NGI NEERl NG OF OI L GAS 来研 究并 行 管 道 不 同 阴极 保 护 系 统 之 问 的相 互 干 扰 。而数 值模 拟方 法能更 灵活 地对 研究 对象 和研究 条件 进行 设定 , 故采 用 了数 值模 拟 方 法 来 对 不 同 阴 极保 护 系统保 护下并 行管 道沿 线 的电场 分布进 行计 算 , 从而研 究不 同阴极 保 护系统 的相 互干 扰 。 3 . 2阴极保护电位分布数值模拟的理论基础 在 阴极 保护 工程 中掌握 阴极 表 面电位 分布规 律 是非 常重要 的 , 它 直 接关 系 到 阴极 保 护 的效 果 。建 立 阴极 保护 体系 的数 学 模 型 , 必 须 知 道这 个 体 系 的 所 有组 成部 分及反 映体 系特性 的各 种参 数 。一个 实 际的 阴极 保 护体 系大致 有被保 护构 件 的几何 尺寸 和 阳极 的位 置 、 形状 , 电流 流 经介 质 的 电性 能 , 阳极 的 电学行 为 , 尤其 是 电化学 如极 化 曲线 特 性 , 被 保 护 构 件 的电学行 为 , 主要 是 极 化行 为 和表 面 钙沉 积行 为 等参数 。 阴极 保护 体系数 学模 型包 括 问题 的描述 方程 和相应 的边 界条 件 。边 界条 件作 为 阴极保 护体 系 电位 分布 数学模 型 的一 个 重要 组成 部 分 , 对 数 值 计 算结 果 的准确性 有很 大 的影 响 , 能够 给 出适 当的 、 更 加符 合实 际情况 的边 界条 件是数 值计 算要解 决 的 一 个关键 问题 。 阴极 保 护 体 系 的 数 学 模 型 可 通 过 有 限 元 法 F E M 、 有 限 差 分 法 F D M 和 边 界 元 法 B E M 等 求得 数值 解 。 3 . 3并 行管道 阴极保 护 电位分 布的 数值模 拟 1 计 算模 型 的建 立及 计 算结 果 。非 联合 保 护 并行管道阴极保护体系几何模型的建立参考西部管 道 公 司和西气 东输 公 司提 供 的 现场 阳极 地 床 资料 , 取 阳极地 床 的总 长度 为 1 3 5 m , 阳极 与 管 道 的垂 直 距离 为 1 0 0 m, 管 径 为 1 0 1 6 mm, 管 道 涂 层 为 3 P E 涂层 , 建立 了不 同 间距 下并 行 管 道 阴极保 护 系统 的 几何模 型 。计算 得到 了并行 管道 阴极保 护 系统 土壤 体及管 道截 面上 的土壤 体平 面上 的 电场 电位 分布 。 由并行管道阴极保护体系土壤体及截面上的电 位分布结果可知, 在不同的并行间距下 , 土壤体 电场 电位 呈现 相似 的变 化 规律 , 即 阳极 地 床 附 近 的 土壤 电位较高, 随着与阳极地床距离的增大, 电位逐渐降 低 ; 当管 道位 于阳极地 床 附近 时 , 管 道附 近土壤 中的 电位受阳极地床 的影响较大 ; 当管道距 阳极地床较 远 时 , 管 道附近 的土 壤 电位较低 , 随 着与管 道 间距 的 增加 , 地场 电位逐渐升高 , 这种变化规律与现场测试 结果 相 吻合 。 2 不 同并行 间距下 两 管道 相互 干 扰分 析 。通 过对 不 同间距对 大地 电场 电位 分布 的影 响和管道 间 的相互 干扰 程度 分析 , 可 以得 出无 干扰 的最 小间距 。 以管道沿线的阴极保护电位分布和垂直于管道方向 上 土壤 中的 电位分 布 为研究 对象 。分别 计算 了并行 管 道 间距 为 2 m、 4 m 、 6 m 和 1 0 m 时管 道 沿 线 的 电位分 布 和垂 直 管道 方 向 上 土 壤 中 的 电位 梯 度 变 化 。 计算结果表明, 管道沿线的阴极保护 电位分布 与 管道距 阳极 的距 离 有 很 大 的关 系 , 管 道 与 阳极 距 离最 近处 阴极保 护 电位最 负 , 随着 与 阳极距 离 的增 大 , 管 道 的阴极 保 护 电位 逐 渐 变 正 。 当并 行 管 道 间 距 为 2 m 时 , 在 距 阳极 的不 同位 置 , 并 行 管 道 中间 均受 N--者 电场 的 影 响 , 两并 行 管 道 之 间相 互 干扰 较 大 。当并行 管道 间距 为 4 m 时 , 管 道 之 间 的电位 梯 度相对 于 2 m 的情 况均 有较 大 幅 度 的下 降 , 且 电 场影 响 随着距 阳极 距离 的增 大 而减 小 , 在 2 5 0 m 外 影 响 已经 很小 , 5 0 0 r n外 并 行 管 道之 间 已经 不受 彼 此 电场 的影 响 。当并 行管 道 间距 为 6 m 时 , 土壤 场 电位并 没有 发生 明 显 的变 化 , 说 明并 行 管 道之 间 电 场的影 响进 一步 减小 。 问距 6 r n时 , 在 距 离 阳极地 床 2 5 0 m 外 , 可认为 两条 管道 之 间 已无 影 响 。当并 行 管道 间距 为 1 0 m 时 , 所 考 察 的 三条 并 行 管道 垂 直线 上 的土壤 场 电位 、 电位梯 度 与 6 m 间距 相 比数 值基 本上 没有 明显 的变化 , 随着 与 阳极距 离 的增 加 , 管道之间的电位梯度数值有所减小 , 但数值均较小, 说 明两管道 之 间的相互 影 响 已很 小 。 3 不 同土壤 电阻 率条 件 下 两 管道 相互 干 扰分 析 。分 别取 土壤 电阻率 为 2 0 Q m、 5 0 Q m、 1 0 0 Q m 来 研究 土壤 电阻率 对大 地 电场 电位分 布 的影 响 , 以并行 管道 问距 为 4 m 和 6 m 两种 情况 下垂 直 线上电位梯度变化为研究对象。 随着 土 壤 电 阻率 的增 大 , 垂 直 管道 土 壤 中 的电 位逐 渐减小 , 而 管道之 间 、 管道两 侧 土壤 中的 电位 梯 度逐 渐增 大 。在 并行 管道 间距 为 4 m 、 土 壤 电阻 率 为 2 0 Q m 和 5 O Q m 情 况 下 , 管 道 之 间与 管 道 两侧 的 电位 梯度 相 当 , 说 明管道 之 间无 相互 影响 , 当 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 长输油气管道并行敷设阴极保护防干扰分析 土壤 电阻率为 t o o n m 时 , 管道 之 问 的 电位 梯 度 开始大 于两侧 土壤 中的 电位 梯度 , 说 明 两侧 电场 的 影响随着土壤电阻率的增大而有所增加 , 但 由于电 位梯度 数值很 小 , 说 明彼 此 的影 响仍很 小 。当管 道 间距为 6 m 时 , 对 于所 考 察 的 三 种 电阻 率 , 均 呈 现 管道之 间 的 电位 梯 度 明显 小 于管 道 两 侧 的 电位 梯 度 , 说 明两管道 之 间无相 互干扰 。 3 . 4并行管道不同阴极保护系统相互干扰情况小结 通过对并行管道在 2 m、 4 m 、 6 m 和 1 0 m 间 距下电位分布和电位梯度变化计算 , 可以得出 1 不 同并 行 间距 下 , 管道 沿 线 阴极 保 护 电 位 分布均与管道阳极问的距离有很大关 系, 在与阳极 距离 最近 的位 置阴极 保 护 电位最 负 , 随着 与 阳极 距 离 的增大 , 管道 的 阴极 保护 电位逐 渐 向正方 向偏移 。 2 不 同并行 管 道 间距 情 况 下 , 垂 直 于管 道 方 向的电位梯度 受 阳极 距 离 影 响较 大 , 在 与 阳极 较 近 的位 置 , 并行 管道 之间 及两侧 的 电位 梯度 均较大 , 说 明此 时受 阳极 地 电场 的 影 响较 大 , 随 着 与 阳极 距 离 的增大 , 管道 之间及 两侧 的 电位 梯度减 小 , 阳极地 场 的影 响减弱 , 管道之 间 的影响开 始显 现 , 在 与 阳极 相 距 较远 的位置 , 管道 两侧 的 电位 梯度 基本相 当 , 此 时 管道之 间主要 受到两 并行 管道 电场 的影 响。 3 当并 行管 道 间距 为 2 m 时 , 与 阳极 地 床 距 离 不 同的位置 均 出现 管道 之间 电位梯 度 明显 大于 两 侧 的 电位 梯度 , 说 明此 间 距 下两 个 阴极保 护 系 统 的 电场相 互影 响 严 重 ; 当并行 间距 增 大 到 4 m 后 , 管 道 之 间及 两侧 的 电位梯 度 明显 减小 , 且管 道 之 间 的 电位梯度 开始 小于 两侧 土壤 中的 电位 梯 度 , 说 明 管 道 之 间电场 的影响 明显 减 小 , 可 认 为 在距 阳极 地 床 2 5 0 m 外并 行管 道之 间 的影 响 已经 可 以忽 略 , 随着 并行 间距继 续增 大到 6 m 和 i 0 m, 电位 分布及 电位 梯度 已变化 很小 。综 上所述 , 可得 到对 于 3 P E 涂层 的并行敷设管道 , 土壤 电阻率为 5 0 Qm 时 , 在不 受阳极地床影响的位置 , 阴极保护系统防干扰 的最 小间距 为 4 m。 4 通 过模拟 土壤 电阻 率变 化对 不 同 间距 并 行 管道间相互干扰的影响 , 随着土壤电阻率的增大 , 管 道之间的相互干扰有所增大 , 但增大程度远小于管 道问距变化的影响, 数值计算结果表 明在 1 0 0 Q m 以下 时 , 仍 可采 用 4 m 的间距 。 4研究结论 1 通过 对现场 测量 数据 的分析 表 明 , 沿垂 直于 管 道方 向 , 随着与管 道距 离 的增加 , 土壤 中 的电位梯 度 呈下 降趋势 。当测 试位 置与 阳极地 床 的距离 不 同 时 , 管道 两侧 电位梯 度下 降到 2 . 5 mV/ m 的距 离 有 所 不 同。远 阳极 位置 处 的防干 扰距离 要小 于近 阳极 位置 处 的防干扰 距 离 , 且 随着 测 试 位 置处 土 壤 电阻 率 的不 同 , 防干 扰距 离也有 一定 的差异 , 随着 土壤 电 阻率 的增大 , 防干 扰距 离 基 本 呈增 大 的趋 势 。对 现 场测试数据进行总结可得在距 阳极地床较远 的位 置 , 当土壤 电阻率 在 1 0 0 Q m 以下时 , 并行管 道 阴 极保护防干扰的合理距离可取 4 m~6 m; 当土壤电 阻率大 于 1 0 0 Q m 时 , 可适 当加 大距 离 。 2 通 过 对 3 P E 涂 层 试 样 和裸 管 试 样 的 阴极 保 护 电流 密度 对 比实验 和并行 试样非 联合 保护 相互 干 扰研究 , 结果 表 明 , 带 3 P E 涂 层 的 阴极 保 护 电流 密 度远小 于裸 管试 样 的 阴极 保 护 电流 密 度 , 3 P E 涂 层试 样之 间无 干扰 存 在 , 试样 两 侧 的 电位 梯 度 变 化 非 常小 , 接 近 于 0 , 而并 行裸 管试 样 之 间土 壤 电位 梯 度呈 现较 大 的波动 , 存 在相 互干 扰 。 3 采用阴极保护电位分布数值模拟方法研究 了 2 I T I 、 4 m、 6 m 和 1 0 m 不 同问距下 管道 电场之 间 的相 互 干 扰 情 况 , 结 果 表 明 并 行 管 道 间 距 为 2 m 时 , 两个阴极保护系统的电场相互影响严重 ; 当并行 间距 增大 到 4 m 后 , 管 道之 间及 两侧 的 电位 梯 度 明 显减小, 且管道之 间的电位梯度开始小于两侧土壤 中的电位 梯度 , 说 明管道之 问 电场 的影 响 明显减小 , 可 以认 为 在距 阳极 地 床 2 5 0 m 外 并行 管 道 之 间 的 影 响 已经可 以忽 略 , 随着 并行 间距 继 续增 大 到 6 m 和 1 0 m, 电位分 布及 电位梯 度 已无 明显变 化 。 由此 可得到对于 3 P E涂层的并行管道 , 土壤电阻率为 5 O Q m 情况下 , 在不 受 阳极地床 影 响 的位置 , 阴极 保 护系统防干扰的最小间距为 4 m。数值模拟计算结 果 表 明 , 随着 土 壤 电阻 率 的增 大 , 管道 之 间 的相 互 干扰有所增大 , 但增大程度远 小于管道间距变化的 影响, 在 1 0 0 Q I T I . 以下时, 仍可采用 4 m 的间距 。 收稿 日 期 2 0 1 0 - - o 4 2 2 ; 收修改稿 2 o 1 o o 7 一o 2 ; 编辑 冯学军 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m