某种特殊环境下的管道阴极保护技术
 

　　文/符中欣,张昆·大庆油田工程有限公司
 

　　季节性冻土对阴极保护系统运行和保护效果有很大影响。本文通过室内数值模拟和现场实测,对季节性冻土环境下管道阴极保护工程的设计、施工及维护提出了相关建议。
 

　　在实施埋地管道阴极保护防腐技术措施过程中，电流的均匀分布是保证阴保系统有效运行的必要条件。在冻土环境下,由于土壤自身的非均质特性以及冻结过程中土壤电阻率的变化会直接影响保护电流的传递及分布,特别是季节性冻土条件下的阴极保护系统运行工况和保护效果同融土条件下存在着明显的差别。
 

　　目前,石油行业采用的两个设计规范并未考虑如何消除冻土,特别是季节性冻土环境对管道阴极保护的影响。
 

　　本文针对大庆油田的实际生产条件,通过室内数值模拟和现场实测,开展季节性冻土环境下管道阴极保护电位分布规律的研究,提出季节性冻土环境下管道阴极保护工程的设计、施工及维护建议。
 

分布规律数值模拟
 

　　本文以深井阳极阴极保护为研究对象,采用边界元法来数值模拟研究季节性冻土的界面变化、冻融变化、阳极的深度变化对阴极保护效果和控制参数的影响。
 

　　对分布规律的影响
 

　　冻土区的冻融循环过程会导致土壤电阻率的变化以及冻土区界面的变化,由于受到不同地区冻土层深度及冻土区界面变化的影响,阳极所处的位置也不同,可以分为无冻土层存在、冻土界面位于阳极以上、冻土界面位于阳极以下三种情况。
 

　　三种冻土界面与阳极相对位置,随着冻土界面的下移,管道沿线的电位分布均向正方向偏移,极化程度减小,保护水平下降。比较不同情况下电位分布的不均匀程度可见,当冻土层界面位于阳极以上时,电位分布不均匀程度最小,而当冻土层界面位于阳极以下时,电位分布的不均匀程度最大,说明阳极远离冻土层界面放置有利于阴极保护电流的均匀分布。
 

　　冻融循环变化的影响
 

　　取深井阳极地床深度为50m,阳极体的总长度为20m,阳极体顶部距地面的距离为30m ,阳极井直径为400mm ,管道直径为Ø813mm,埋深为1.2m,季节性冻土层的深度为2.2m。非冻结土壤电阻率取20Ω·m，冻结土壤电阻率取500Ω·m。
 

　　在相同的系统输出情况下,计算得到季节性冻土呈现冻结和融化情况下管道沿线的阴极保护电位分布如图1所示。
　　

图1 冰融循环变化对阴极保护效果的影响

　　当保持系统输出不变时,随着季节性冻土层由融化变为冻结状态,管道沿线的电位向正方向偏移了1%～2%,管道电位分布的不均匀程度略有减小,但由于本算例中季节性冻土层的深度仅为深井阳极深度的1/23,因此对管道阴极保护电位分布的影响并不显著。当将深井阳极系统的输出提高原来的2.4%后,所得季节性冻土层冻结状态下管道的电位基本和融化状态重合。
 

　　阳极埋设位置优化研究
 

　　改变深井阳极的埋深,来考察不同深度下管道保护效果受土壤冻融的影响程度。
 

　　阳极井的深度分别取30m、40m、50m,阳极体的总体长度取20m,即阳极活性段距地面的深度分别为10m、20m、30m,管道直径Ø813mm,埋深1.2m,季节性冻土层的深度为2.2m。非冻结土壤电阻率取20Ω·m, 冻结土壤电阻率取500Ω·m。计算得到不同深井阳极深度下,对应于季节性冻土的融化和冻结两种状态管道沿线的电位分布如图2所示。

　　图2 不同深度下冻融循环变化对阴极保护效果的影响

　　在不同的阳极井深度情况下,当季节性冻土层由融化转为冻结状态时,管道沿线的电位均向正方向偏移,管道的阴极保护程度有所下降,不同阳极井深度下电位正向偏移的程度如表1所示.

　　随着阳极井深度的增加,季节性冻土层冻融状态对管道阴极保护电位的影响逐渐减小。无论季节性冻土层冻结还是融化,随着深井阳极埋深的减小,管道沿线电位分布的不均匀程度增大,保护距离减小。
 

现场实验验证
 

　　以大庆油田敖一联至1#加热站输油管线(Ø159×6，16.58km)和输气管线(Ø114×4，,16. 58km)的强制电流深井阳极保护系统为试验管线,进行现场验证。深井阳极位于1^#加热站院墙东北角外10m处,井深为60m,阳极井直径为400mm。
 

　　保护电位分布数值计算
 

　　根据以上试验管线信息,假定沿线土壤电阻率为30Ω·m,季节性冻土层厚度为2.2m,季节性冻土层冻结后土壤电阻率为500Ω·m,建立了阴极保护电位分布数学模型。数值计算得到输油管线和输气管线上电位分布分别如图3a、b所示。

　　图3敖一联至1#加热站管线沿线数值计算电位分布图

　　按照敖一联至1^#加热站管线阴极保护系统目前的设计方案,敖一联至1加热站输油、输气管线在靠近敖一联附近会出现保护不足,需要补充保护,随着季节性冻土层由融化变为冻结状态,保护电位向正方向偏移2%左右,保护距离减小了约2km左右,即原来保护距离的12%。
 

　　地层温度测试
 

　　在2008年1～12月,对试验管道周围不同深度的土壤温度进行了测试。结果显示:
 

　　随着季节变化,地层土壤温度发生很大变化。其中,7～10月为全年高温时段,在9月份达到最高值;温度逐渐开始下降,2～5月份为低温时段,随土壤深度不同,达到最低值的时间略有不同。在1.95m深处,地温全年始终保持在0℃ 以上。
 

　　土壤电阻率测试
 

　　土壤电阻率是阴极保护设计中的一个重要参数,决定了辅助阳极的接地电阻的大小,影响设备的输出和管道的保护电位大小。试验采用SGT-10C型接地电阻在线测试仪,每个月对试验管道周围土壤电阻率进行测试,结果如图4所示。

　　图4 全年土壤电阻率随时间变化图

 1/2  1 2 下一页 尾页