LNG接收站及外输金属管道阴极保护方案比选及工程量计算研究
时间：2023-02-28 16:25:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李龙焕，刘桂云，李贤才，劳锦洪
（1.广州城建职业学院，广东 广州 510627；
2.广州燃气集团有限公司，广东 广州 510625）
近年来，伴随我国天然气进口需求量的持续上升，LNG接收站的建设总量在不断攀升[1]。根据相关技术规范的要求，LNG接收站及外输金属管道的防腐是重要的建设工作之一，其中阴极保护技术是金属管道防腐工作的重要技术手段[2-6]。本文结合广州LNG接收站建设情况，分析站场及外输金属管道阴极保护的技术方案，通过相关计算，得出站场及外输金属管道所需要的工程量，并对LNG接收站工程建设及后续防腐工作，具有实际的工作意义。
1.1 依托项目介绍
广州LNG接收站位于广州小虎岛，建设一座可靠泊14.7万立方米LNG船舶的高桩码头及LNG全包容储罐，其中首期建设两座16万立方米LNG储罐，高压金属管道管径为DN700，线路总长度约7.5km，输送至天然气门站。该项目为高桩码头及全包容罐，相关设备受外部腐蚀小，本文主要对站场内的埋地工艺管道及站场外的输配金属管道的阴极保护进行研究。
1.2 阴极保护方式
为了抑制管道外壁金属腐蚀，延长管道的使用寿命，阴极保护是行之有效的防腐蚀方法，阴极保护主要包括强制电流法和牺牲阳极法两种[7，8]。
（1）强制电流阴极保护，又称外加电流阴极保护。通过直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤等介质流向被保护金属，使金属表面阴极电位降低到阳极电位，此时，被保护金属结构电位低于周围环境，整个金属结构成为新的电路中的阴极，该阴极保护系统由整流电源（恒电位仪）、阳极地床、参比电极、连接电缆组成。
图1 输配工艺系统流程图
（2）牺牲阳极阴极保护法，牺牲阳极法是将被保护金属（阴极）与比之具有更负电位的合金（阳极）相连接，利用两者间的电位差，通过消耗此阳极合金，达到对被保护金属的保护。
1.3 阴极保护准则
当下述的任意一条要求被满足，即可认为管道达到完全保护[9-11]：消除土壤IR降的前提下，测得的管道/电解质电位达到-0.85V或更负（相对于饱和Cu/CuSO4参比电极）；
在阴极保护极化形成或衰减时，测取被保护管道表面与土壤接触、稳定的饱和铜/硫酸铜参比电极之间的阴极极化电位差值最小为100mV；
另外阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1200mV（相对于饱和Cu/CuSO4参比电极）更负。
2.1 线路段金属管道的阴极保护方案选择
在工程实施前期，需要对阴极保护的方法进行选择：
（1）该项目的输送管道距离较短，约7.5km，牺牲阳极造价低于强制电流法。
（2）该项目位于工业区，沿线金属构筑物较多，采用牺牲阳极法可以有效抑制管道和附近金属构筑物之间的交直流干扰。
（3）结合上述保护方法的优、缺点，本着经济合理、安全可靠、便于管理的原则，该项目采用镁合金牺牲阳极法对线路段管道提供阴极保护。牺牲阳极埋设方式见图2。
图2 牺牲阳极埋设示意图
2.2 阴极保护工程量计算
按照牺牲阳极法，计算项目线路段埋地金属管道阴极保护工程量。
2.2.1 计算参数
管道自然电位：-0.55V（相对于硫酸铜参比电极）；
最大保护电位：-1.48V；
最小保护电位：-0.85V；
保护电流密度：10μA/m2；
干线金属管道电阻率：0.224Ω·mm2/m；
2.2.2 计算过程
采用圆柱形牺牲阳极填料时，接地电阻计算方式如下。
（1）单阳极、阳极组接地电阻计算：
Rv-立式单支牺牲阳极接地电阻（Ω）；
R总——阳极组总接地电阻（Ω）；
ρ-土壤电阻率（Ω.m）；
ρa-填包料电阻率，（Ω·m）；
L-阳极长度（m）；
La-带填包料阳极长度（m）；
d-阳极等效直径(m)；
D-带填包料阳极直径（m）；
t-阳极中心至地面的距离；
N-阳极数量；
K-修正系数1.3；
（2）阳极输出电流的计算：
阳极输出电流是由阴、阳极极化电位差除以回路电阻来计算。
Ia——阳极输出电流（A）；
△E——阳极有效电位差（V）；
Ra——阳极接地电阻（Ω）。
（3）阳极支数的计算：
根据保护电流密度和被保护的表面积可算出所需保护总电流IA，再根据单支阳极输出电流，即可计算出所需阳极支数，实际工程一般要取2～3倍的余量。
N-所需阳极支数；
IA-所需保护总电流（A）；
Ia-单支阳极输出电流（A）。
（4）阳极寿命的计算：
根据法拉第电解原理，牺牲阳极的使用寿命可按下式计算，阳极利用率按0.85进行计算。
T—阳极工作寿命（a）；
W—阳极质量（kg）；
I—阳极输出电流（A）；
ω—阳极实际消耗率（kg/A·a)
在实际工程中，牺牲阳极的设计寿命一般为10年～15年。
2.2.3 计算结果及主要工程量
在工程实施之前，先计算阳极组的接地电阻，进一步推导出阳极输出电流，从而计算出所需要的阳极数量，线路部分阴极保护主要工程量见表1。
表1 线路部分阴保主要工程量
3.1 站场内阴极保护方案选择
（1）根据LNG站场埋地工艺金属管道实际情况，站场埋地管道长度较短，约1.2km，管道表面积较小，采用牺牲阳极的造价远小于强制电流法。
（2）采用强制电流会对金属构筑物产生干扰，而采用牺牲阳极可以避免对邻近的金属构筑物的干扰。
（3）站场内的电力接地系统与区域性阴极保护关系密切，电力接地系统要求与大地的接地电阻尽可能的小，以释放冲击/故障电流，保证站场内设施和人员的安全，而阴极保护则要求站内管道尽可能的与大地绝缘，以消除腐蚀。
（4）结合上述保护方法的优、缺点，本着经济合理、安全可靠、便于管理的原则，该站场采用镁合金牺牲阳极阴极保护系统对埋地金属管道进行阴极保护。
3.2 站场电连续及电绝缘要求
（1）工艺站场内管线多，为防止连接处导电性能的减弱，确保阴极保护电流的畅通，应对各连接点选择合理地方做电连续性跨接。
（2）站内埋地管网和线路段金属管道的阴极保护是相对独立的系统，为了避免阴极保护电流的流失和不同阴极保护系统间的相互干扰，应对站内、外金属管道之间不同阴极保护系统的管道进行电绝缘。绝缘的主要内容包括：站场内金属管道与站外金属管道的电绝缘，站场内保护的金属管道和其他非保护埋地金属构筑物的电绝缘，站内的管墩、管架等均应与管道之间做好电绝缘处理，同时对绝缘装置进行相应的强电冲击保护；
每个绝缘装置都设置一套绝缘装置保护系统，该工程采用火花间隙对绝缘接头进行防强电冲击保护，每个绝缘接头保护器处设一个绝缘接头测试桩。
3.3 站场部分阴极保护工程量
站场部分阴极保护主要工程量见表2。
表2 站场阴极保护主要工程量
为了保证牺牲阳极在土壤中的稳定性，必须用合适的化学填料填充阳极。它的功能是：将阳极紧贴于填料，提高了工作环境；
减小阳极的接地电阻并增加其输出电流；
填料中的化学成分对阳极产品的溶出、不产生结痴、降低无用极化作用；
保持长时间的阳极地床湿润；
对化学填包料的基本要求是：低电阻率，高渗透性，不容易流失，良好的防潮性能。
用袋装和就地钻孔两种牺牲阳极充填材料。袋装必须采用自然纤维面料，禁止使用化学纤维面料；
现场钻孔充填虽然有很好的效果，但是填料的使用量很大，如果一不小心，很可能会将土壤颗粒带入填料，从而影响充填质量，填料的厚度应该保持在5cm～l0cm左右。阳极埋置在离管外壁3mm～5mm处，不宜超过0.3m，埋深应以阳极顶端离地不低于lm为佳。
为检验阴极保护的效果及绝缘装置的可靠性，测试系统的设置是十分必要的，根据沿线情况，该项目采用防腐金属管测试桩，每500m设置1支电位测试桩，与其它金属管道交叉处设置1支交叉管道测试桩，在定向钻穿越两侧，各设置1支电位测试桩；
测试桩可兼作里程桩。该项目测试的内容包含以下几方面：
5.1 输出电流的测量
因为测试桩输出电流很低，多为mA级，因此，它的测量方法比较严格，仪器内部电阻越低越好，常用“零阻电流表”（国产的电偶腐蚀计具有此项功能）。
5.2 阳极有效电位差的测量
这是一种特殊的牺牲阳极参数，将参比电极置于最接近阳极的两个位置，测量出的闭合电势之差即为阳极有效电位的差异。
5.3 金属管道电位的测量
参比电极必须尽可能地接近于金属管道。在评估保护作用时，参比电极应该放在两套阳极中间部位管道上方。由于采用牺牲阳极连接后，不能对管线的自然电势进行测量，因此，在试验桩处应设置一块与钢管材料相同的辅助试块，以作为自然电位的测量。
5.4 套管内金属管道保护电位的测量
如果在套管中安装了带状阳极，则要对套管内管道的保护电位进行测试，将参比电极置于套管中，使其与电解质相接触。该测试在实践中比较困难，通常仅用于分析问题。
本文针对持续增加的LNG接收站及外输金属管线，提出阴极保护技术对埋地金属管道防腐，是行之有效的措施。通过对具体项目进行分析，比较强制电流法和牺牲阳极法对项目的优劣，选择牺牲阳极阴极保护方法对该项目进行保护；
进一步通过计算，得出牺牲阳极保护所需要的工程量，为项目后续工程造价、工程施工及保证工程质量提供基础理论研究。
