提高站場區(qū)域陰極保護效果實踐與認知

陳　波　李　果　林　濤　嵇　翔　楊甲強　譚新平

1. 中國石油塔里木油田公司塔里木能源分公司,　新疆　庫爾勒　841000; 2. 中國石油塔里木油田公司塔中油氣開發(fā)部,　新疆　庫爾勒　841000

0　前言

目前,金屬油氣管網(wǎng)面臨的腐蝕風險不斷增加,引起了油氣管道管理者的廣泛重視,在管道腐蝕控制方面,陰極保護技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。陰極保護技術(shù)的基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流,使其產(chǎn)生陰極極化保護,當金屬的電位負于某一電位時,腐蝕過程就會得到有效抑制[1]。站場陰極保護技術(shù)在石油系統(tǒng)已經(jīng)全面推廣,已建站場也逐步增加了站場區(qū)域陰極保護,并取得了顯著的防護效果與經(jīng)濟效益[2-3]。陰極保護工程是一個集設(shè)計、施工、運營為一體的系統(tǒng)工程,任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,都會造成保護系統(tǒng)癱瘓[4]。

1　接地系統(tǒng)造成陰極保護電流損耗

陰極保護總電流主要由土壤電阻率、含氧量、被保護設(shè)施防腐層形式以及設(shè)備接地方式等因素共同決定[5]。哈四聯(lián)合站建站初期未考慮扁鋼、角鋼組成的全裸接地網(wǎng)對陰保系統(tǒng)的影響,導致保護電流大量漏失,造成部分恒電位儀超負荷運行(保持恒電流輸出狀態(tài)),恒電位儀僅起到類似整流器極化電源的作用,恒電位功能得不到發(fā)揮,設(shè)備處于欠保護狀態(tài)。后期將原扁鋼接地改造為鋅合金接地極,共計45處90支鋅合金陽極[6],采用鋅合金等具有比管道電位更負電位的金屬材料接地,石油瀝青防腐,有效阻止了保護電流流失,可以起到陰極保護和防雷接地的雙重作用[7-8],保護效果有所轉(zhuǎn)好。這說明陰極保護設(shè)計過程中,需要根據(jù)保護對象具體情況,合理確定陰極保護電流總量,防止恒電位儀輸出電流裕量過大或過小,造成設(shè)備浪費或超功率損壞以及陽極生命周期縮短。

2　犧牲陽極與外加電流協(xié)同保護方案

3　加強施工質(zhì)量監(jiān)督與工程驗收

雖然陰極保護系統(tǒng)方案、參數(shù)設(shè)計好壞與否是關(guān)鍵,但陰極保護作為一個系統(tǒng)工程,本身組成部件較多,并且大多數(shù)埋于地下,如參比電極、連接電纜、絕緣法蘭等,其中任何一個部位存在施工或質(zhì)量問題,都會影響整個系統(tǒng)的防腐效果,造成系統(tǒng)保護電位異常,甚至系統(tǒng)癱瘓。

3.1　長效參比電極現(xiàn)場校準不到位

預(yù)埋長效參比電極質(zhì)量問題及工程施工質(zhì)量差,均會造成輸出電位異常,導致恒電位儀無法正常工作。如哈四聯(lián)合站陰極保護系統(tǒng)建設(shè)過程中,未對長效參比電極進行校準與準確性確認。后期陰極保護系統(tǒng)大檢查時,發(fā)現(xiàn)兩處恒電位儀參比電極過早損壞,硫酸銅大量溢出,導致電位漂移過大,出現(xiàn)恒電位儀超負荷運行情況。通過測量發(fā)現(xiàn),其它長效硫酸銅參比電極測出來的電位值同樣存在不同程度的“正負漂移”現(xiàn)象,最大偏差達150 mV。參比電極提供假信號會使恒電位儀運行異常,存在被保護設(shè)施發(fā)生陰極剝離、恒電位儀過流損壞風險。

3.2　電纜施工與設(shè)計不符影響調(diào)試

均壓線、陰陽極通電線等連接電纜是陰極保護系統(tǒng)信號和電流的傳輸紐帶。如果各連接電纜出現(xiàn)施工問題或者實際連接點與設(shè)計圖紙不相符合,會給站內(nèi)調(diào)試、電位均衡帶來不確定因素,無法調(diào)節(jié)保護電位,甚至出現(xiàn)“南轅北轍”的結(jié)果。如哈四聯(lián)合站早期3#與4#兩臺恒電位儀,與原來設(shè)計保護對象的深井陽極正好接反,當調(diào)大3#恒電位儀的輸出電流時,實際上3#恒電位儀所轄的保護對象保護電流并未增大,造成受4#恒電位儀保護的設(shè)備保護電位過負,最低時達到-1.53 V,極易誘發(fā)管線鋼的氫脆和防腐層的陰極剝離。與此類似,在哈四聯(lián)合站后期陰極保護系統(tǒng)大調(diào)查中先后發(fā)現(xiàn)6處均壓線搭接點、陰極通電點的絕緣處理不合格以及搭接點位置與相關(guān)設(shè)計不符,造成陰極電流損失嚴重,保護區(qū)域交叉,不符合陽極井與陰保區(qū)域就近保護的原則,恒電位儀做功大小相差甚遠,調(diào)節(jié)不便。出現(xiàn)這種錯誤的關(guān)鍵在于施工時各環(huán)節(jié)沒銜接好，且缺乏必要的檢查。

3.3　絕緣法蘭絕緣性能差造成系統(tǒng)干擾

目前輸氣管網(wǎng)中大多采用絕緣接頭裝置來實現(xiàn)電絕緣,以達到提高管道陰極保護效率和隔斷雜散電流干擾的目的。作為陰極保護系統(tǒng)抗干擾設(shè)計的關(guān)鍵設(shè)備之一,絕緣接頭質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定相關(guān)陰極保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。對站內(nèi)13處絕緣法蘭進行絕緣性能測試,發(fā)現(xiàn)11處絕緣法蘭的2個法蘭片均處于導通狀態(tài),絕緣法蘭兩側(cè)的電位很接近,絕緣性能差。絕緣法蘭性能差,造成陰極保護電流的散失,給站內(nèi)陰極保護電位達標增加難度。多處絕緣法蘭在短時間內(nèi)同時失去良好絕緣性能,說明絕緣法蘭本身存在嚴重質(zhì)量問題。這一教訓提示我們,需要重視每一個環(huán)節(jié),嚴格抽檢。

陰極保護是一個系統(tǒng)工程,保護效果的好壞不僅與工藝方案有關(guān),與施工質(zhì)量也存在密切關(guān)系,一定要嚴把施工質(zhì)量關(guān),對已建站場宜采用分步施工、分步投運的方法。施工過程中,每道工序檢驗合格后方可進行下一道工序,將質(zhì)量隱患最大限度地消除在建設(shè)期間,從源頭消除施工質(zhì)量問題,避免回填后調(diào)試期間出現(xiàn)問題而疲于整改。

4　流程改造影響陰極保護穩(wěn)定運行

根據(jù)工藝生產(chǎn)需要,常對相關(guān)流程進行搭接改造。管線的搭接經(jīng)常會使本該獨立的兩個或多個陰極保護系統(tǒng)實現(xiàn)電流上的連通,造成互相干擾。需對系統(tǒng)進行全面測試才能確定干擾程度及是否需要添加絕緣法蘭,并根據(jù)測試結(jié)果進行相關(guān)調(diào)整。如哈四聯(lián)合站根據(jù)油田生產(chǎn)需要,將萬方罐改造為水罐使用,使萬方罐水出口管線直接與污水匯管連接。改造完畢后對系統(tǒng)進行全面的電位測試,發(fā)現(xiàn)萬方罐區(qū)域保護電位過負,某些點電位低至-1.5 V左右,控制萬方罐區(qū)域的恒電位儀輸出僅為1 A,而污水保護系統(tǒng)恒電位儀電流較以往增加10 A。通過分析可知,萬方罐水出口管線直接與污水匯管連接,造成陰極系統(tǒng)的互相干擾,最后在連接點加裝絕緣法蘭,電位恢復正常。

5　高電阻降IR影響保護電位評價

陰極保護電位測量中的電阻降IR會影響電位測量結(jié)果,測得的電位包括電流流過金屬和土壤時產(chǎn)生的電阻降IR,且IR降有的幾十甚至高達幾百毫伏,難以準確判斷管道的欠保護或過保護情況[12-13]。對哈四聯(lián)合站的電阻率進行選點測試,共選取26個測量點,平均電阻率達到43.1 Ω·m,部分測量點電阻率甚至超高至188 Ω·m。高電阻降IR給管線保護電位的準確測量帶來麻煩。如哈一聯(lián)合站至哈四聯(lián)合站的原油輸送管線,沿線7個測試樁保護電位一直介于-2 290～-2 370 mV(CSE)之間。為分析電位過負是由外界電流干擾引起還是測試方式不妥造成,特委托北京安科管道工程科技有限公司對該管線7#測試樁進行近參比斷電測試,發(fā)現(xiàn)7#測試樁的實際電位為-1 180 mV,尚在SY/T 6964-2013 《石油天然氣站場陰極保護技術(shù)規(guī)范》的允許范圍內(nèi)[14];而用常規(guī)的便攜式參比電極直接測量,其值為-2 290 mV。以上誤差均由沙土過干、電阻率過大,造成測量中的電阻降IR過大所致,針對電阻率過高的鹽漬土環(huán)境,需要充分考慮土壤高電阻率對便攜式參比電極測量帶來的測量誤差。系統(tǒng)最初設(shè)計時,盡可能采用埋地長效硫酸銅參比電極,減少各個監(jiān)測點的測量誤差,從而合理調(diào)整恒電位儀的電流輸出,盡量防止管道出現(xiàn)欠保護工況。

6　加強后期運營維護及故障處理

與管道干線陰極保護相比,區(qū)域陰極保護回路復雜,需經(jīng)過反復調(diào)試,后期應(yīng)分區(qū)域、分裝置、分設(shè)備進行調(diào)整[15-16],后期的管理維護是陰極保護系統(tǒng)平穩(wěn)運行的保障。哈四聯(lián)合站一期工程初期投運保護效果不是太好,加上后期的運行維護不到位、不夠重視,運行工況進一步惡化,造成系統(tǒng)癱瘓,完全無法正常使用。哈四聯(lián)合站不斷總結(jié)運行維護經(jīng)驗,制定并實施陰極保護管理技術(shù)規(guī)程,對保護電位、絕緣法蘭、土壤電阻率、接地電阻進行周期性檢測,及時調(diào)整陰極保護系統(tǒng)保護電位,發(fā)現(xiàn)需維護特殊管段、識別防護層破損情況。哈四聯(lián)合站通過嚴格執(zhí)行技術(shù)規(guī)程,及時發(fā)現(xiàn)并處理4處欠保護點、更換絕緣法蘭1對以及處理恒電位故障3次,為設(shè)備全面保護提供了有力保障。

另外,當參比電極處于沙漠、戈壁、荒灘等土壤干燥環(huán)境時,其參比電極內(nèi)溶液中的水分易流失,溶液干涸,硫酸銅結(jié)晶,內(nèi)部無電解液,無法形成電極,造成長效參比電極的作用失效[17]。失效參比電極會導致恒電位儀的反饋保護電位信號大幅度波動,使得恒電位儀過多出力,或者功能失效。哈四聯(lián)合站采取給長效參比電極定期通灌水的方式合理解決此類問題。

通過以上措施,哈四聯(lián)合站陰極保護效果得到實質(zhì)

表1哈四聯(lián)測試點腐蝕電位與保護電位測量結(jié)果

單位:V

7　結(jié)論

1)合理確定保護電流密度等相關(guān)設(shè)計參數(shù),制定具有針對性的陰極保護方案消除屏蔽效應(yīng)是建設(shè)經(jīng)濟高效的站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2)嚴格按標準規(guī)范的技術(shù)要求進行工程施工,確保施工質(zhì)量,減少質(zhì)量隱患,控制陰極保護系統(tǒng)施工質(zhì)量是提高后期系統(tǒng)調(diào)試、運行效果的關(guān)鍵所在。

3)站場工藝流程改造會對陰極保護系統(tǒng)造成潛在威脅,工藝流程的設(shè)計改造必須與陰極保護系統(tǒng)同時分析、同時施工、同時投運,減少系統(tǒng)的干擾與后期再次改造的困難。

4)對于土壤電阻率較高的干燥地區(qū),通電電位測量中包含了高土壤電阻降IR,陰極保護系統(tǒng)保護效果的測試分析過程中,應(yīng)消除高土壤電阻降IR的影響,以此獲得真實的測試數(shù)據(jù),便于獲得準確可信的保護效果評價結(jié)果。

5)對陰極保護系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行檢測、跟蹤與分析,及時判斷陰極保護系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況,并采取合理的調(diào)整與故障處理措施,后期的精心運行維護為陰極保護系統(tǒng)的全面達標運行提供有力保障,保持系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

6)哈四聯(lián)陰極保護系統(tǒng)遇到的問題,是站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的普遍問題,其解決方案可為同行提供借鑒。