ABSTRACT

The protection scope of the Cathodic Protection with the applied current method is one of the important contents of the Cathodic Protection design of underground steel pipelines. For certain underground steel pipelines, whether the scope of the Cathodic Protection with the applied current method can be effectively covered is crucial. This paper introduces the steps and contents of attenuation calculation; combined with the Cathodic Protection design example of pipeline engineering project in Ras Tanura area of Saudi Arabia, analyzes the role of attenuation calculation in the design of Cathodic Protection scope of underground pipeline; and verifies the protection scope from different perspective effectiveness.

Keywords:Attenuation Calculation, Steel Pipeline, Cathodic Protection Design, Application

电位衰减计算在埋地钢制管道阴极保护设计中的应用

崔进杰¹，刘高生^2*，宋章喜²

¹中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊

²中国石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 郑州

收稿日期：2020年4月7日；录用日期：2020年5月8日；发布日期：2020年6月15日

摘 要

外加电流法阴极保护的保护范围，是埋地钢制管道阴极保护设计的重要内容之一。对于确定的埋地钢制管道，外加电流法阴极保护的范围能否有效覆盖，至关重要。本文介绍了衰减计算的步骤和内容，并结合沙特拉斯坦努拉线管道工程项目的阴极保护设计实例，分析了衰减计算在埋地管道阴极保护范围设计中的作用，从不同的角度验证保护范围的有效性。

关键词 :衰减计算，钢制管道，阴极保护设计，应用

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1. 引言

沙特拉斯坦努拉管道工程项目是沙特阿美为了最大限度地维持产能、增强管线运行灵活性、降低对沿线城镇环境破坏的风险，而实施地在役管道改造项目。项目新建φ30英寸、φ40英寸、φ42英寸、φ46英寸到φ48英寸陆上管道10条，管线位于4个正在运行的管廊带内。阴极保护设计需统一考虑新建管线和已有管线，对已有的阴极保护系统的容量、状态进行评估和升级。阴极保护站采用整流器，将利用阿美的供电系统，在阀室附近设置。阴极保护设计比往常更为复杂，保护范围有效覆盖全部管线尤为重要。

外加电流法阴极保护是埋地钢制管道防止腐蚀的主要技术，广泛应用于长输管道 [1]。按照国内外通常的设计思路，管线的保护范围在选择横电位仪或整流器时已经考虑进去，即：根据管线规格、长度和保护电流密度等进行工艺计算，结合效率等因素，选择横电位仪或整流器。具体公式为：

$\text{Ir}=\text{π}\times \text{D}\times \text{L}\times \text{i}$ [2]

其中：

Ir——阴极保护电流需求；

D——管道直径；

L——管道保护长度；

i——设计规范要求的电流保护密度。

本文所论述的方法，是根据管线外加电流，随着管线长度的增加，由于保护损耗和电流衰减，而达到最低规范保护电位时的管线长度。

2. 电位衰减计算

衰减计算是对埋地钢制管道施加外加电流阴极保护后，在满足规范要求的保护参数下，根据衰减公式计算出最长保护距离，将其与整流器或恒电位仪的保护距离进行对比，从而判断保护长度是否满足要求。

2.1. 电位变化计算

电流流出点的最大电位改变公式如下：

${\text{C}}_1={\text{C}}_2\text{COS}\left(\alpha \times {\text{L}}_{\max }\right)$ [3] (1)

其中：

C₁——电流流出点的最大电位改变；

C₂——点X处的电位改变；

α——为衰减常数；

L_max——从阴极保护电流流出点到满足规范保护电位下管道的最长距离。

2.2. 最大保护长度

在满足设计规范情况下，管道最大保护长度计算公式如下：

${\text{L}}_{\max }=\arccos \left({\text{C}}_1÷{\text{C}}_2\right)÷\alpha$ [3] (2)

2.2.1. 最大电位改变C₁的计算

${\text{C}}_1={\text{P}}_1-{\text{P}}_2$ [3] (3)

其中：

P₁——电流流出点最大电位；

P₂——管道对土壤的自然电位。

2.2.2. 管线任一点X的电位改变C₂的计算

${\text{C}}_2={\text{P}}_3-{\text{P}}_2$ [3] (4)

其中：

P₃——管道对土壤的最小电位；

P₂——管道对土壤的自然电位。

2.3. 衰减常数

$\alpha ={\left({\text{R}}_{\text{s}}÷{\text{R}}_{\text{L}}\right)}^{0.5}$ [3] (5)

其中：

R_s——钢管线性电阻率(Ω/km)；

R_L——防腐层泄露电阻率(Ω/km)。

2.3.1. 钢管线性电阻率R_S的计算

${\text{R}}_{\text{S}}={\rho }_{\text{S}}\times \text{L}÷\text{A}$ [3] (6)

其中：

ρ_s——钢的电阻率(Ω/m)；

L——钢管长度(m)；

A——钢管的横截面积。

钢管横截面积按照下式计算

$\text{A}=\pi \times \left({\text{D}}^2-{\left(\text{D}-2\text{t}\right)}^2\right)÷4$ [3] (7)

其中：

D——管道直径；

t——钢管壁厚。

2.3.2. 防腐层泄露电阻R_L的计算

${\text{R}}_{\text{L}}=1÷\left(\text{f}\times \pi \times \text{D}\times \text{L}\right)$ [3] (8)

其中：

f——防腐层电导率(S/m²)；

D——钢管直径；

L——钢管长度(m)。

3. 应用实例

3.1. QA管廊阴极保护

QA管廊跨度为61 km，包括QA-4和QA-10，其中QA-4新建2条42寸管线共计35.2 km，已存在42寸管线12 km，已存在40寸管线21 km；QA-10新建2条30寸管线共计11.7 km，已存在30寸管线53.7 km，已存在24寸管线1.3 km。管线位于靠近海边的沙漠地区(Subkha地区)，水位较浅，土壤电阻率小。

管道阴极保护采用外加电流法，设计寿命20年，阴极保护设计要求对管廊内的平行管线同时施加。按照沙特阿美企业规范(SAES-X-40)，阴极保护设计及运行标准如表1：

表1. 埋地管道阴极保护标准

根据阴极保护工艺计算及材料选择，最终确定采用50 V/300 A的整流器和混和金属氧化物阳极地床，采用深井阳极，对管廊内的并行管道同时进行保护，每20 km设置一处阴保站(安装整流器)。

按照上述设计，如何从不同的角度，判定阴极保护能否覆盖全部管道，采用电位衰减计算，是较为有效的方法。

3.2. 保护范围计算

3.2.1. 电位的计算

按照沙特阿美公司阴极保护规范，运行的最大电位不能高于−1.15 V，通过测量管道对土壤的自然电位为0.6 V。

电流流出点的最大电位改变C₁为：

${\text{C}}_1={\text{P}}_1-{\text{P}}_2=1.15-0.6=0.55\text{V}$ (9)

通过测量，管道对土壤的最小电位P₃为0.85 V，则管线任一点X的电位改变C₂为：

${\text{C}}_2={\text{P}}_3-{\text{P}}_2=0.85-0.6=0.25\text{V}$ (10)

3.2.2. 衰减常数的计算

管道规格为42英寸，壁厚为11.1125 mm管道横截面积计算

$\text{A}=\pi \times \left(1.0162-{\left(1.016-2\times 0.0111125\right)}^2\right)÷4=0.035{\text{m}}^2$ (11)

钢的电阻率为0.18 × 10⁻⁶ Ω/m，钢管长度取1 km，则钢管线性电阻率R_S为

$R_S=0.18\times {10}^{-6}\times 1000÷0.0351=0.0051\Omega /\text{km}$ (12)

钢管直径1.016 m，长度取1 km，防腐层电导率30 S/m，防腐层泄露电阻R_L为

${\text{R}}_{\text{L}}=1÷\left(\pi \times 30\times 1000\times 1.016\right)=10.44\Omega /\text{km}$ (13)

由已求得的R_S和R_L，计算衰减常数为：

$\alpha ={\left(0.0051÷10.44\right)}^{0.5}=0.0221$ (14)

3.2.3. 最长保护距离

根据已求得的C₁、C₂和α，最长保护距离(衰减长度) L_max为

${\text{L}}_{\max }=\text{arc}\cos \left(0.55÷0.25\right)÷0.0221=64.49\text{km}$ (15)

直径为42英寸的钢管长度为47.2 km，阴保站设计的跨度为20 km，而计算的保护范围64.49 km远远大于20 km，按照阴保设计，阴极保护的范围完全满足要求。

按照同样的方法，计算其它几种并行管道，结果均能满足保护要求。所以，阴极保护设计选定的保护方案、整流器、阳极地床等满足要求，能够实现对全部管道的有效保护。

3.3. 影响应用效果的因素

影响计算效果的因素为管线路由内的土壤环境、规范要求的保护电位、土壤自然电位和土壤最小电位、防腐层电导率、钢管规格等，其中规范保护电位在设计选定规范时，就已经确定；钢管规格在管线水力计算确定后，即可确定；防腐层电导率根据选择的防腐材料类型，能够确定。因此，影响的主要因素是土壤环境、土壤电位测量方式、土壤自然电位和土壤最小电位。

该算法主要适用于土壤电阻率相对较小的环境，案例所在的沙特沿海Subkha和沙漠地区，地下1.5 m的电阻率最小处为0.01 Ω，最大处为1.23 Ω。土壤自然电位和最小电位是计算使用的重要数据，其测定采用4支C_U/CuSO₄参比电极温纳测量方法，测量多组数据，求平均值，以获得高准确度的数据，从而达到好的计算效果。

4. 结束语

在埋地钢制管道外加电流阴极保护设计中，通过电位衰减计算，对判断能否全部覆盖整条管线具有较多优点。一是，采用与阴极保护工艺计算不同的角度，验证保护范围，增加了设计的严谨性；二是，计算步骤清晰、简单快速，使用方便；三是，计算所需的数据容易获得。

文章引用

崔进杰,刘高生,宋章喜. 电位衰减计算在埋地钢制管道阴极保护设计中的应用
Application of Potential Attenuation Calculation in Cathodic Protection Design of Buried Steel Pipeline[J]. 石油天然气学报, 2020, 42(02): 208-213. https://doi.org/10.12677/JOGT.2020.422035

参考文献