埋地輸氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)故障分析及防治措施

趙森，李慧瑤，贠智強(qiáng)，畢海勝，張慶雷，苗嘉旭，李保平

(1. 山東實(shí)華天然氣有限公司，山東 青島 266000；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；3. 浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江 杭州 310000)

埋地輸氣管道在土壤腐蝕和交、直流雜散電流干擾雙重作用下，發(fā)生腐蝕泄漏甚至穿孔的風(fēng)險(xiǎn)日益增加。外防腐層結(jié)合強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是埋地輸氣管道最重要的防腐措施[1]，管道防腐層破損以及陰極保護(hù)系統(tǒng)故障直接影響到陰極保護(hù)的效果[2]。因此，對管道陰極保護(hù)系統(tǒng)排查故障并及時(shí)有效修復(fù)，有利于降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障管道平穩(wěn)運(yùn)行。以實(shí)華輸氣管網(wǎng)兩段總長約17 km管道檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別從陰極保護(hù)設(shè)備、陰極保護(hù)有效性、雜散電流干擾測試、陽極接地電阻測試等方面進(jìn)行分析，排查故障并采取相應(yīng)的有效措施，降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障輸氣管網(wǎng)的運(yùn)行安全。

1 測試管道概況

兩段現(xiàn)場測試的埋地輸氣管道具體參數(shù)見表1所列。

表1 測試管道參數(shù)

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備檢測分析

2.1 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

管道陰極保護(hù)恒電位儀和站場恒電位儀檢測數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2所列。

表2 恒電位儀檢測數(shù)據(jù)

斷開管道恒電位儀現(xiàn)場輔助陽極并接至備用機(jī)，啟用恒電位儀故障判斷程序[3]檢測恒電位儀，在手動調(diào)節(jié)步驟中未能輸出電壓、電流時(shí)，說明存在故障。

20 V/5 A型恒電位儀輸出電流正常范圍為0.1～0.2 A，輸出電壓為1.9～2.1 V，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)管道恒電位儀的電流和電壓輸出存在顯著偏大的異常情況。

此外，由于輸氣管道與其他金屬管道存在搭接風(fēng)險(xiǎn)、閥門井積水等問題造成的短路現(xiàn)象，交、直流雜散電流干擾及飽和硫酸銅參比電極(CSE)存在失效造成的CSE示數(shù)不準(zhǔn)確，都會導(dǎo)致恒電位儀輸出變大[4]。

2.2 電絕緣裝置

檢測陰極保護(hù)管道絕緣接頭及絕緣保護(hù)裝置復(fù)合火花間隙9處，檢測結(jié)果見表3所列。

表3 絕緣接頭絕緣性能檢測及分析 mV

將站場陰極保護(hù)設(shè)備關(guān)閉，采用電位法[5]測試管道絕緣接頭性能，檢測發(fā)現(xiàn)門站進(jìn)氣管線火花間隙擊穿。表明門站進(jìn)氣管線處絕緣接頭保護(hù)器火花間隙在正常情況下仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，致使管道陰極保護(hù)電流向工藝站場內(nèi)管道及其他非陰極保護(hù)的管道或金屬結(jié)構(gòu)流失，急需將該處絕緣接頭保護(hù)器火花間隙進(jìn)行更換，絕緣裝置設(shè)置位置需盡可能地避免形成電凝析液或者游離水積聚[6-8]。

3 陰極保護(hù)有效性檢測分析

3.1 線路陰極保護(hù)有效性

檢測進(jìn)站管線的4個測試樁、輸氣管網(wǎng)的8個測試樁以及分輸站1處測試箱的陰極保護(hù)參數(shù)，結(jié)果見表4～6所列。

表4 輸氣管線通電電位檢測及評定 mV

表5 輸氣管線斷電電位檢測及評定 mV

表6 輸氣管線自然電位、交流電壓檢測及評定 mV

根據(jù)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[9]，管道保護(hù)電位正常范圍在-850～-1 200 mV，自然電位參考值為-650～-400 mV[10-11]，檢測結(jié)果顯示表4中門站附近、博興輸氣站附近、博興輸氣站測試箱三處電位數(shù)據(jù)異常。

門站附近管道自然電位本身異常，通電電位和斷電電位均與自然電位相同，表明通電后管道并沒有受到外加強(qiáng)制電流的作用，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)9號測試樁附近的測試電纜斷裂，無法正確監(jiān)測與測試管道陰極保護(hù)參數(shù)。管道12號測試樁處通電電位負(fù)值偏大，管道處于過保護(hù)狀態(tài)。管道陰極保護(hù)長期過負(fù)電位將進(jìn)一步導(dǎo)致防腐層出現(xiàn)陰極剝離、鼓泡，甚至管體氫脆現(xiàn)象發(fā)生[12-14]。而輸氣站測試箱處通電電位正值偏大，管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，局部輸氣管道沒有得到有效保護(hù)。

對恒電位儀輸出電流和電壓進(jìn)行為期4個月的數(shù)據(jù)采集，輸出電流、電壓變化情況如圖1所示，由圖1可以看出，恒電位儀電流、電壓輸出異常，呈無規(guī)律性變化[15]，呈現(xiàn)出雜散電流干擾特征。進(jìn)一步通過現(xiàn)場進(jìn)站管道和輸氣管網(wǎng)兩部分保護(hù)管道檢測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷開輸氣管網(wǎng)的保護(hù)時(shí)，輸出電流基本不變，證明輸出電流主要施加在了進(jìn)站管線上，博興輸氣站附近存在較明顯的雜散電流干擾。

圖1 恒電位儀電流、電壓輸出變化曲線示意

3.2 工藝站場區(qū)陰極保護(hù)有效性

工藝站場區(qū)通電電位檢測數(shù)據(jù)見表7所列。

表7 工藝區(qū)通電電位檢測記錄 mV

根據(jù)檢測結(jié)果分析，工藝區(qū)內(nèi)陰極保護(hù)符合設(shè)計(jì)要求，滿足文獻(xiàn)[9]的要求。

4 陽極地床接地電阻檢測分析

使用ZC29B-1型接地電阻測試儀對陽極地床接地電阻進(jìn)行檢測，測量數(shù)據(jù)為1.75 Ω，滿足陰極保護(hù)系統(tǒng)工作要求[16]，工作狀態(tài)良好。

5 結(jié)論與措施

1)恒電位儀的故障分為本機(jī)故障和現(xiàn)場故障兩類，本機(jī)故障主要是指其內(nèi)部電路及電子元件損壞造成的故障，由于恒電位儀加自控裝置設(shè)備較復(fù)雜，易受外界干擾，因此故障發(fā)生頻率較高，須定期對運(yùn)行機(jī)與備用機(jī)進(jìn)行切換運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)，兩項(xiàng)工作均以每月1次為宜。此外，陰極保護(hù)中強(qiáng)制電流裝置也可替換為整流器，與恒電位儀相比，整流器具有價(jià)格低、易維護(hù)、易控制等優(yōu)點(diǎn)。

2)絕緣接頭性能變差，會導(dǎo)致陰極保護(hù)電流流失、有效保護(hù)范圍變小、站場附近管道極化電位偏低等問題，因此需對其進(jìn)行定期檢測，通常采用為電位法、PCM漏電率測量法[17-18]等，當(dāng)絕緣接頭性能失效時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換。

3)該公司所處地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，高壓/超高壓輸電線路接地裝置設(shè)置較密集，易出現(xiàn)雜散電流干擾。雜散電流干擾的特點(diǎn)是當(dāng)干擾源出現(xiàn)時(shí)，大量電流流出，恒電位儀輸出電流變大，電流流出點(diǎn)電位偏正，管道處于欠保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)干擾源消失時(shí)，系統(tǒng)又恢復(fù)正常。

4)陰極保護(hù)電位是檢測陰極保護(hù)有效性的重要手段，主要采用陰極保護(hù)電位-850～-1 200 mV準(zhǔn)則和100 mV極化準(zhǔn)則進(jìn)行判斷[19-20]。此外，對于運(yùn)行多年的舊管線和3PE防腐層管線，在保護(hù)電位達(dá)標(biāo)的情況下，由于防腐層發(fā)生剝離以及3PE補(bǔ)口部位老化失黏，保護(hù)電流因防腐層的屏蔽作用而無法到達(dá)管體，在保護(hù)電位范圍內(nèi)管道仍可能發(fā)生腐蝕。

5)陽極地床接地電阻通常在1～3 Ω左右，若陽極地床接地電阻過大不僅會導(dǎo)致電流內(nèi)耗過大，能耗增加，而且還會使得陰極保護(hù)恒電位儀無法正常工作。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，某些陰極保護(hù)站的陽極接地電阻大于10 Ω時(shí)，恒電位儀不能正常工作。

6 結(jié)束語

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是埋地油氣管道重要的防腐措施，定期檢測管道陰極保護(hù)系統(tǒng)，并及時(shí)采取措施修復(fù)系統(tǒng)存在的故障；同時(shí)，管道陰極保護(hù)系統(tǒng)故障全方位感知和故障判別準(zhǔn)則也為智能化陰極保護(hù)及智能決策奠定了必要的基礎(chǔ)，這對于提高陰極保護(hù)的效果，保障埋地輸氣管道安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。