阴极保护

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阴极保护原理

油气井套管外壁外加电流阴极保护设计说明

      在各大油田采油区、高压注水区,油井和注水井油套管内外壁均存在腐蚀,外壁随着油田生产的运行,土壤含水率逐年升高,且油田采出水中H2S等腐蚀物的含量极高,对井下管柱的腐蚀日益严重,为了更好的解决油井套管外壁的腐蚀问题,国内外防腐界人士公认采用外加电流阴极保护的方式,认为它是最为经济合理、十分有效的技术措施。

    阴极保护技术不仅可以防止新建的油井套管的腐蚀,对已建的旧油井套管也十分有效,可以延长使用寿命,减少更换次数。

    由于油水井套管深入地下地层数千米,所以牺牲阳极的应用受到了一定的限制,只能采用外加电流法进行阴极保护。

    外加电流法阴极保护书通过外加的直流电源使钢制套管得到阴极极化,达到所需的保护电位值,而实现阴极保护。外加电流阴极保护系统是由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆及被保护对象所组成。

    油井套管的阴极保护系统的结构形式一般有两种:一种为分井给套管提供保护电流,实施阴极保护,每口井与其它井设有绝缘措施,以便使电流集中保护该单井。这种系统比较节约电能,容易实现自动控制,容易查询故障和维修,缺点是投资大。另一种是把保护区域地下金属构筑物连接在一起,统一进行区域性阴极保护,这样系统的优点上减少了控制系统,节约投资。缺点是保护电流不易分配均匀,对阳极布置要求较严格,且检查故障较为困难。     

    这两种结构形式的选择应当根据各油井的间距、油田站场现场具体情况以及业主的要求酌情而定。

1、设计、安装说明:

1.1恒电位仪

    外加电流阴极保护对直流电源设备的基本要求是可靠性高,维护保养简便,使用寿命长,输出电流、电压连续可调。具有抗过载、防雷、抗干扰、过流保护等功能,对交流电源的基本要求是:能长期不间断稳定的供电,当电压不可靠时,应有配备用电源或不间断供电专门设备。

    通常设置阴极保护站,站内配置恒电位仪或整流器2台,两台恒电位仪一台工作一台备用,由控制台实现切换,使其轮流工作。

1.2辅助阳极:

    土壤中常用的辅助阳极材料有高硅铸铁、石墨、磁性氧化铁、钛基贵金属氧化物、柔性阳极以及废旧钢铁。其中,目前使用较多的为高硅铸铁、钛基贵金属氧化物阳极,在含有氯离子的环境中,宜采用含铬的高硅铸铁阳极。

    通常高硅铸铁阳极的引出线与阳极的接触电阻应当小于0。01欧,接头密封可靠,阳极表面应当无明显缺陷。一般高硅铸铁阳极的消耗率为0。5kg/(A。a)左右。

    按阳极的埋设方式分,阳极地床分浅埋阳极地床和深井阳极地床两种。深井阳极地床的优点是保护距离大,电流分配比较均匀,从而保护电位分布均匀,且可以减轻阳极地床对周围邻近地下金属构筑物干扰,占用土地少,特别是当需占用农田时或地面建筑物密集时。选用何种布置方式取决于被保护套管外壁的面积大小,现场实际情况、经济因素、运行要求以及设计因素。

1。3浅埋阳极地床的安装:

    辅助阳极位置与套管垂直距离宜采用50-300米,并应选择在水位较高或低洼潮湿,土层厚,无石块,便于施工处,对邻近的地下构筑物干扰小,阳极与套管之间不得有其他金属构筑物,还应当适应阳极附近地区的近期发展规划,以免将来相互影响。

    辅助阳极地床应当填充填料,以降低阳极接地电阻,减少阳极消耗,并利于阳极产生的气体(O2,CO2,CO等)逸出。

    通常高硅铸铁阳极填充料为焦炭渣,其上下部的焦炭总厚度为300mm,焦炭渣最大粒径应小于i15mm,含碳量应大于85%。 焦炭渣多为多孔结构,导电性良好,作为地床的填充料不仅可以避免:“气阻”现象,又可加大阳极的尺寸,减少阳极的接地电阻,延长阳极的使用寿命。

    填充焦炭渣时,不得混入泥土,且应压实,以确保高硅铸铁阳极与焦炭渣电接触良好。阳极地床安装以后,回填之前应浇透水,以减少阳极接地电阻。

    在焦炭渣填料层上方应敷设一层砾石或粗砂,其作用是便于阳极工作时产生的气体的逸出。

    高硅铸铁阳极质硬、性脆、易碎、搬运和安装时应当轻拿轻放,以防阳极的损坏,为保证阳极安装的数量,通常适当增加阳极的备料量。

    阳极的并联母线与直流电源输出阳极电缆的连接,可通过接线箱连接,在油田或其他需防爆的场所应采用防爆接线箱。

1。4深井阳极的安装:

    深井阳极安装时与套管的距离也在50-300米之间,地床条件的选择跟浅埋阳极相同。

    在安装时根据施工设计要求打阳极井,在阳极井中先填充一些焦炭,然后将阳极体逐段下到井中,安装完毕后再向井中填充焦炭,再向阳极井中灌水,使焦炭充分吸收水分以增加阳极体的导电性,最后对阳极井进行回填。

    在安装阳极时,首先阳极体的导气管要对齐,以便于气体的排出,避免造成“气阻”现象,同时用固定螺栓将阳极体进行固定连接。

    深井阳极地床安装方式跟管道深井阳极体安装方式基本一样,详细内容可参考管道深井阳极地床安装方式。

1.5参比电极:

    在外加电流阴极保护系统中,参比电极是用来测量被保护套管的电位和向恒电位仪控制系统提供信号,以调节保护电流的大小,使被保护套管处于给定的保护电位范围之内。

    适用于土壤中的参比电极主要有Cu/CuSO4,锌电极,其中Cu/CuSO4电位稳定,不易极化,重现性好,适用广泛。一般要求Cu/CuSO4的使用寿命达到10年以上,在土壤中电位稳定性应达到±10   mV.

    参比电极安装位置应尽量靠近套管,以减轻土壤介质中的IR降影响,对于热油管要注意热力场对电极的不良影响。

    埋地型Cu/CuSO4参比电极带有填包料,埋设前必须将填包料浇水浸透。

1.6输电电缆的安装:

    外加电流阴极保护系统的输出电缆一般采用VV-1KV型电缆,电缆型号可根据设计要求进行选定,为了安全起见,在油田阴极保护系统安装中,电缆采用埋地敷设方式为妥。埋设深度应使电缆处于冻土层以下,电缆敷设应符合国家标准GB50054和GB50254的规定,铺砂盖水泥保护板或红砖,将所有电缆引至阴极保护间,电缆沿线及接头处应有方位标志桩。

    在单口井阴极保护的汇流点(阴极通电点),电缆与套管通过加强板进行铝热焊接,届时根据现场情况及要求确定。应确保电缆与套管的连接牢固可靠,导电性能良好,焊接处裸露的套管及电缆,均应进行严密的防腐绝缘。

    在区域油井套管的阴极保护中,可以将几口井进行电缆连接,达到电位相对平衡,从而设置一处汇流点即可,或者在保护区域的中间位置设置汇流接线箱,然后统一引至恒电位仪阴极端。

1.7绝缘装置:

    在油井套管外壁有效的阴极保护应当将被保护的套管和与其相连的所有进、出管道进行电绝缘,以免保护电流流失到其他不保护的设备上去。可采用绝缘法兰或埋地型绝缘接头,为防止强电冲击发生电火花事故,通常要对绝缘法兰和绝缘接头采取必要的防腐措施,如二极管保护器,避雷器保护及锌接地电池,现在应用比较广泛的为锌接地电池。在我们具体施工中,我们可以要求甲方来完成对油井套管周围管道的绝缘,因为针对输油管线的改造我们不具有这样的施工经验,同时这类施工也要求专业的施工队伍来完成。

1。8系统的运行维护

    阴极保护系统启动3-7天后进行初始的检测,以验证系统是否满足保护判断,以后应每半年全面检测一次。检测保护下列内容:

1、套管保护电位(-0.85V— -1.25V之间)

2、相邻不保护管道、储罐对地电位,对他们的检测主要是查看是否有电连接而造成系统电子的大量流失。

3、直流电源的输出电流、输出电压及控制电位。直流电源设备每隔两个月检查一次。

4、对强制电流保护设施的检测包括:测试桩,电绝缘、均压连接线,地下接头,仪表及回路电阻。如果有保护不充分的位置应采取以下补 救措施,阴极保护系统部件的修理,更换或调整,需要增大保护范围时,应提供补充措施,检修或更换均压线跨接,消除意外的金属接触,检修有缺陷的绝缘装置,消除干扰电流。

2、实例说明:

2。1、进厂准备:

    施工开始前,首先对现场进行实际察看,包括确定阳极井位置、阴极保护间位置、打井所需电源位置,打井所需水源位置,以及施工所必需的场地(循环池、泥浆池等)。

    打井前确认施工场地地下管线的分布情况,以避免施工过程中对地下管线造成损坏而影响井场的正常生产。

2。2、打阳极井:

    选定打井位置后,人员和设备及相关施工材料进入现场,在井场竖立井架安装打井设备,做好开钻前的相关准备工作,包括开挖循环池和泥浆池,连通动力电源等。

    深井阳极体尺寸为Φ219×6000,通常阳极井的直径大于阳极体直径,以便于阳极体的安装,根据本工程所用阳极体,设计井口直径为Φ300,井深120米。

2.3、安装阳极体:

    根据工程情况,设计四支预包装贵金属氧化物深井阳极体,阳极体尺寸Φ219×6000。

    按照设计要求打井完毕后,马上开始安装阳极体,以避免井壁长时间浸泡后发生塌孔影响阳极体的施工。

    阳极体进入现场后,首先将底部带有穿线管的阳极体通过卷扬机缓慢竖起,竖起之前先通过铝热焊接将阳极体自带电缆与主电缆进行连接,主电缆与阳极体电缆都采用VV-1KV/1×16mm2型号,不同的阳极体连接电缆长度不同,电缆长度根据阳极井井深进行具体计算,连接点采用防腐胶带和防水胶带进行处理,外层通过热收缩套进行密封处理,同时在电缆上做好标记。

    阳极体竖起后带穿线管的一端对准井口。 然后将预先准备的钢丝绳穿过阳极体底部的穿线管,钢丝绳长度取决于阳极井的深度,通常为阳极井深度的2.1倍。

    钢丝绳连接好后缓慢将阳极体放入井口,等阳极体上部到达井口位置时,将阳极体临时固定在井口,同时将主电缆穿过第二根阳极体的导气管,并在中间留有一定的余量,以方便阳极体的吊装。

    通过卷扬机将第二根阳极体竖起后缓慢下放阳极体,同时对齐两根阳极体上的导气管和固定孔,把余量电缆通过导气孔抽出拉紧,避免连接阳极体时出现折叠损伤。两个阳极体通过螺丝把连接处固定后再次缓慢放入井中,汇总后的电缆通过第三根阳极体的导气管引出,依次类推。剩余阳极体安装与上述相同,直到把阳极体全部下入井中,同时在下井过程中依次将导气管连接到井口,并将阳极体电缆通过导气管引到井口。

    阳极体下放完毕后将汇总电缆临时固定好,以便后期接入防爆接线箱。

2.4、阳极井回填:

    阳极体下放完毕后,开始回填阳极井。首先向井中回填焦炭,填充阳极体周围的空隙,以增加阳极体的导电性能。然后向井中回填土,填至距离井口8米的位置时开始回填砾石,观察井中回填料不再下沉并距离井口10 cm处后停止回填。然后采用土壤电阻测试仪测量阳极地床的接地电阻是否达到要求,测量检验合格后用水泥将井口封死。

2.5、阳极井口制作:

    阳极井回填完毕后在井口周围用砖砌一个1000mm×1000mm×1000mm(长×宽×高)的井座,其中井口基座的500mm埋入地下,井口基座地上部分露出500mm,然后将井口用水泥盖板封口。具体施工可参考图纸,

2.6、电缆连接:

2。6。1、阳极电缆埋设:

    阳极井口基座制作时将导气管连接弯头,从井口基座侧面引出,如井口制作示意图纸所示,在导气管引出部分安装三通弯头,将阳极体汇总电缆穿过三通的其中一端连接到井座旁边的防爆接线箱。导气管的另一端连接弯头引出地面。

    阳极电缆汇总到接线箱后,按照电缆标示依次连接到防爆接线箱的相应端子,然后将汇流电缆VV-1KV/1×25mm2引出,通过电缆沟引到阴极保护间,并在电缆上做好标记,电缆距地面的距离不应小于0.8m,且应在冻土层以下。

    直埋电缆上下须铺以不小于100mm厚的软土或沙层,并盖以砖块保护。

2.6.2、阴极电缆、零位电缆、电源电缆埋设:

    在开挖阳极电缆沟的同时可以阴极电缆、零位电缆、参比电缆和电源电缆沟的开挖。阴极电缆和零位电缆与注气井连接之前,首先在注气井管道上焊接两块除锈后的角铁,角铁长度50mm*150mm,两块角铁成轴向90度,然后采用铝热焊接将阴极电缆和零位电缆分别焊接到两个角铁上,然后对焊点进行防腐处理。电缆焊接完毕后通过预先挖好的电缆沟将其引到恒电位仪的阴极端和零位接阴端,并做好标记。

    电源电缆跟主电源连接好后通过电缆沟埋设引至恒电位仪电源端,并作好标记。阴极电缆,零位电缆和电源电缆的电缆沟同样距离地面不小于0。8m,且应在冻土层以下,电缆周围铺设不小于100mm的软土或沙层,并盖砖保护。

2.7、测试桩安装;

    为了检测注气井保护状态,在注气井旁安装电位测试桩,测试桩采用ф114*2000mm的钢管测试桩。先将VV-1KV/1×10mm2的测试电缆焊接到注气井上,可与零位电缆共用一块角铁,焊接完毕后进行防腐处理。然后把测试电缆连接到测试桩的测试接线柱上。

2.8、参比电极及参比电缆安装:

    参比电极埋设之前要先在清水中浸泡12个小时以上,以使内部的硫酸铜达到饱和状态。参比电极埋设在注汽井套管侧面,离注汽井套管的距离100mm,埋深不小于800mm,参比电极周围覆盖松软的泥土,四周覆土后其顶部盖6块砖头保护。

    参比电极埋设完毕后,将参比电极电缆连接到测试桩的参比接线柱上,该接线柱同时与主参比电缆进行连接,通过电缆沟接到恒电位仪参比端,并作好标记。电缆沟同样距离地面不小于0.8m,且应在冻土层以下,电缆周围铺设不小于100mm的软土或沙层,并盖砖保护。在实际施工中,电缆共同经过的地方电缆沟可以共用,以减少施工中的复杂程度。

2.9、恒电位仪的安装:

    在选定的阴极保护间位置上砖砌一个1200mm×900mm×550mm的水泥基座,将恒电位仪放置在水泥基座上固定,把标记好的阳极电缆、阴极电缆、零位电缆、参比电缆、电源电缆的接头处制作铜鼻,连接到恒电位仪相应的端子上(或者先制作阴极保护间,后期电缆铺设到阴极保护间后再连接也可以,具体施工顺序可根据现场情况选择)。就绪后将恒电位仪保护罩放置在基座预留位置上,通过固定在基座上的螺栓将保护罩固定在基座上。恒电位仪保护罩分前后双开门,方便后期的调试维护和维修,电缆通过水泥基座上的电缆沟槽(50mm×50mm)进入恒电位仪。

2。10系统调试说明:

    系统安装完毕后,检查各部分的连接情况,确认无误后将恒电位仪各个旋钮调节到最小值,同时将旋钮打到自动位置通电运行。察看恒电位仪各仪表数值变化,调节恒电位仪保护电位从-0。85V到-1。5V,观察恒电位仪电压,电流值的变化情况,同时测量注气井保护电位值,与恒电位仪值进行比较,如果数值基本相同,说明系统运行正常。系统调试无误后将保护电位稳定在-0。85V~-1。5V之间,同时做好调试运行记录。

 

 

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