管道陰極保護(hù)技術(shù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異探討

王曉丹，羅衍濤，姚軍，吳京，馬偉平

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 中原輸油氣分公司（山東 德州 253000）

2.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

長輸管道安全已成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)問題，腐蝕是管道失效的最重要因素，減緩管道腐蝕、預(yù)防油氣泄漏至關(guān)重要[1]。陰極保護(hù)配合高質(zhì)量防腐層，是預(yù)防管道腐蝕的可靠技術(shù)[2]。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015《管道輸送系統(tǒng)陰極保護(hù)第1部分：陸上管道》是陰極保護(hù)領(lǐng)域綱領(lǐng)性文件，已發(fā)展為最廣泛、最權(quán)威的陰極保護(hù)準(zhǔn)則。我國長輸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、測試、維護(hù)和管理執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448—2017《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》。GB/T 21448—2017 采用重新起草法參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015 制定，但與ISO 15589-1—2015一致性程度為非等效。結(jié)合我國管道陰極保護(hù)工程實(shí)踐，分別從陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)方面，研究了與國際標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)性差異，可為提升我國管道陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)運(yùn)行水平提供參考。

1 陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則

陰極保護(hù)準(zhǔn)則是評價(jià)管道受到腐蝕和陰極保護(hù)有效性的重要依據(jù)，中外標(biāo)準(zhǔn)針對無IR降陰極保護(hù)電位和限制臨界電位基本一致，差異如下：

1）特殊環(huán)境下的陰極保護(hù)電位。ISO 15589-1—2015新增高溫工況（大于60 ℃的土壤和水環(huán)境）下的最小保護(hù)電位-0.95 V。

我國慶鐵四線、鐵錦線、鐵撫線輸送大慶原油，采用加熱輸送工藝，出站溫度在40～50 ℃，鄯烏線輸氣管道出站溫度高于50 ℃；儲存稠油、重油、易凝原油儲罐加熱、操作、運(yùn)行溫度超過60 ℃[3]，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則不適用，因此研究應(yīng)用高溫環(huán)境管道陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則[4]。

2）100 mV 陰極電位負(fù)向偏移準(zhǔn)則。ISO 15589-1—2015 完善了100 mV 陰極電位負(fù)向偏移準(zhǔn)則不適用情形，包括溫度大于40 ℃的環(huán)境，含硫酸鹽還原菌的土壤，存在干擾電流、平衡電流或大地電流的情形，存在外部應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的情形，以及管道連接處或由多種金屬組成的部件。

針對防腐層性能較差或者裸露管道，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則不適用，應(yīng)采用管道電位較之自然電位負(fù)向極化100 mV，鑒于100 mV 極化電位的應(yīng)用優(yōu)越性，應(yīng)借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015，補(bǔ)充完善100 mV極化電位準(zhǔn)則的適用范圍。

1.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

管道干線閥室內(nèi)的電氣系統(tǒng)接地導(dǎo)致管道接地搭接或絕緣失效，會造成管道處于欠保護(hù)狀態(tài)。針對接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)之間的影響，GB/T 21448—2017 僅為原則性規(guī)定，即接地設(shè)施不應(yīng)對陰極保護(hù)系統(tǒng)造成不利影響，但未提出具體解決措施。ISO 15589-1—2015 規(guī)定如陰極保護(hù)管道需要接地時(shí)，接地系統(tǒng)應(yīng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)兼容，可在接地回路中安裝去耦隔直裝置。當(dāng)管道局部接地時(shí)，可采用鋅或鍍鋅接地極與管道直接連接，并指出接地系統(tǒng)影響管道陰極保護(hù)有效性的因素，例如局部大地電阻遠(yuǎn)低于管道涂層缺陷處電阻，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流減小；管道電位隨時(shí)間延長向負(fù)向偏移等。

針對接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)兼容性的問題，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015 提出安裝去耦隔直裝置，實(shí)現(xiàn)接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)的兼容性，并分析了接地系統(tǒng)對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響因素。我國長輸管道RTU 閥室的電氣設(shè)備接地系統(tǒng)與管道干線未進(jìn)行有效絕緣[5]，導(dǎo)致閥室內(nèi)管道陰極保護(hù)電流流失嚴(yán)重，得不到有效保護(hù)，根本原因是未考慮接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)兼容性的問題。建議參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015，應(yīng)用去耦隔直裝置解決電絕緣接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)兼容性的問題。

1.3 絕緣接頭防雷保護(hù)

在雷電頻發(fā)地區(qū)或電力線影響范圍內(nèi)，管道上可能產(chǎn)生超過絕緣接頭擊穿電壓的電涌沖擊，絕緣接頭和陰極保護(hù)設(shè)備應(yīng)當(dāng)安裝防雷保護(hù)裝置[6]。GB/T 21448—2017 規(guī)定絕緣接頭和絕緣法蘭應(yīng)設(shè)置防電涌保護(hù)器。防電涌保護(hù)器設(shè)置不應(yīng)影響絕緣接頭或絕緣法蘭的性能。防電涌保護(hù)器可采用固態(tài)去耦合器、避雷器、火花間隙、電解接地電池、極化電池、等電位連接器等。ISO 15589-1—2015規(guī)定為保護(hù)管道絕緣接頭可能受到雷擊或輸電線路故障造成的過電壓和電流沖擊的影響，應(yīng)在絕緣接頭兩側(cè)連接隔離火花間隙。為了緩解電氣沖擊或電氣干擾的影響，需要在管道和一個(gè)接地系統(tǒng)之間安裝絕緣火花間隙、電涌保護(hù)器（SPD）或直流去耦合裝置。并指出影響保護(hù)器有效性的因素（電纜類型、長度和橫截面積）。對于電火花間隙的選型進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，并給出了供電頻率50 Hz 情況下可參照的陰極保護(hù)系統(tǒng)典型適用參數(shù)（雷電放電沖擊過電壓、雷電放電電流、短時(shí)耐受電壓、額定放電電流等）。

GB/T 21448—2017 要求安裝防雷保護(hù)裝置，可采用電涌保護(hù)器，并對保護(hù)器類型進(jìn)行了介紹，并未給出實(shí)質(zhì)性選用原則。國外標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015中給出了首選電火花間隙，并指出了其他可用的兩種防雷保護(hù)裝置，對影響防雷保護(hù)裝置的有效性因素進(jìn)行了分析，對電火花間隙的選型給出了可參照的典型參數(shù)。建議參考國際標(biāo)準(zhǔn)增加陰極保護(hù)設(shè)備防雷保護(hù)選用原則和性能參數(shù)要求。

1.4 陰極保護(hù)系統(tǒng)電纜規(guī)格

我國管道管理過程中第三方人為破壞電力電纜、通信電纜、陰極保護(hù)電纜現(xiàn)象十分嚴(yán)重[7]。2010年大連油庫7.16事故中初期火災(zāi)并不嚴(yán)重，但站場供電電纜遭到破壞，導(dǎo)致無備用電力供應(yīng)的消防系統(tǒng)癱瘓，造成火災(zāi)蔓延擴(kuò)大和嚴(yán)重?fù)p失[8]。GB/T 21448—2017 規(guī)定陰極保護(hù)電纜應(yīng)采用銅芯電纜，測試電纜的截面不宜小于4 mm2；采用多股連接導(dǎo)線時(shí)，每股導(dǎo)線的截面不宜小于2.5 mm2。用于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的陰極電纜和陽極電纜截面不宜小于16 mm2；用于犧牲陽極陰極保護(hù)的銅芯電纜的截面不宜小于4 mm2。ISO 15589-1 規(guī)定電纜橫截面應(yīng)滿足下列規(guī)定：

1）強(qiáng)制電流系統(tǒng)。與被保護(hù)管道的連接電纜10 mm2；連接輔助陽極的電纜4×2.5 mm2或10 mm2。

2）犧牲陽極系統(tǒng)。與被保護(hù)管道的連接電纜4 mm2；連接犧牲陽極的電纜2.5 mm2。

3）用于其他裝置。電位測量電纜2×2.5 mm2或6 mm2；電流跨界測量電纜4×2.5 mm2；電氣連接電纜4×2.5 mm2或10 mm2。

針對強(qiáng)制電流陰極保護(hù)電纜規(guī)格，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格；針對犧牲陽極陰極保護(hù)電纜規(guī)格，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)基本一致；針對電位測試電纜規(guī)格，國際標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。鑒于管道運(yùn)行管理面臨的嚴(yán)峻形勢，對電纜產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量都提出了更高要求。建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高陰極保護(hù)電位測試電纜的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)。

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行

2.1 陰極保護(hù)人員資質(zhì)

由于人員知識、技能或能力欠缺的人為失誤是造成管道事故的重要原因。ISO 15589-1—2015 規(guī)定從事陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及監(jiān)理、調(diào)試、操作、測量、監(jiān)控和維護(hù)的工作人員應(yīng)具備完成相應(yīng)工作的能力。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 15257—2017《陰極保護(hù)人員能力水平認(rèn)證》構(gòu)建了評估和鑒定陰極保護(hù)人員工作能力的方法體系。陰極保護(hù)人員應(yīng)具有滿足其歐盟標(biāo)準(zhǔn)或等效規(guī)范的資質(zhì)證書。除歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 15257—2017，美國腐蝕工程師協(xié)會NACE 建立了完善的腐蝕工程技術(shù)人員培訓(xùn)體系。

我國管道企業(yè)建立了培訓(xùn)管理程序和職業(yè)技能鑒定程序，編制《管道工程師》《管道維搶修》培訓(xùn)教材，但缺少管道從業(yè)人員資質(zhì)認(rèn)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9]，應(yīng)制訂符合我國管道特點(diǎn)、與國際接軌的陰極保護(hù)人員資質(zhì)認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 陰極保護(hù)電位監(jiān)測

由于長輸管道敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜性，針對準(zhǔn)確測試陰極保護(hù)電位提出更高要求[10]。GB/T 21448—2017規(guī)定陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測要求，即在與外部管道交叉、金屬套管處、絕緣接頭處、排流點(diǎn)處和匯流點(diǎn)處設(shè)置監(jiān)控設(shè)施。ISO 15589-1—2015 規(guī)定當(dāng)管道穿越無人地區(qū)或很難接近的地方，應(yīng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)測、遙感技術(shù)或其他數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，同時(shí)配合使用長效參比電極、計(jì)劃探頭或檢查片。遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置應(yīng)具備自動(dòng)采集、儲存和遠(yuǎn)傳功能，采集參數(shù)的范圍及誤差應(yīng)滿足要求。

自動(dòng)測量和傳輸是陰極保護(hù)技術(shù)和智能化管道的發(fā)展方向[11]。國外管道通過集成衛(wèi)星時(shí)鐘同步技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和陰極保護(hù)測量技術(shù)，研發(fā)集成式陰極保護(hù)系統(tǒng)。國內(nèi)相關(guān)單位也進(jìn)行了初步探索，例如在陜京管道、廣東大鵬液化天然氣管道進(jìn)行了應(yīng)用。建立國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充陰極保護(hù)電位遠(yuǎn)程監(jiān)測做法及要求。

3 陰極保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)

3.1 電絕緣接頭腐蝕

由于制造缺陷、機(jī)械應(yīng)力以及現(xiàn)場安裝不規(guī)范等因素，導(dǎo)致絕緣裝置滲漏或失效，造成陰極保護(hù)電流漏失，管道電位不滿足規(guī)范要求[12]。GB/T 21448—2017 規(guī)定了管道陰極保護(hù)電絕緣要求，但未涉及絕緣接頭內(nèi)腐蝕的問題，僅規(guī)定絕緣裝置不應(yīng)設(shè)置在易形成導(dǎo)電凝析液或游離水積聚的位置，絕緣法蘭安裝時(shí)宜采取防塵防水密封措施。ISO 15589-1—2015新增“電絕緣接頭內(nèi)部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)”章節(jié)，認(rèn)為絕緣接頭腐蝕風(fēng)險(xiǎn)主要取決于輸送介質(zhì)導(dǎo)電性和絕緣接頭兩側(cè)電壓差值，為減緩腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，可在管道內(nèi)表面涂覆含電絕緣材料的內(nèi)涂層，管道內(nèi)涂層管段長度應(yīng)考慮介質(zhì)電導(dǎo)率、管道直徑、絕緣接頭電壓等因素。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)針對絕緣接頭內(nèi)腐蝕的問題較簡略。輸送導(dǎo)電介質(zhì)管道的絕緣接頭非保護(hù)側(cè)極易產(chǎn)生內(nèi)腐蝕問題。例如某管道在出站的絕緣接頭處發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕[13]，根本原因是在設(shè)計(jì)階段未考慮絕緣接頭非保護(hù)側(cè)的內(nèi)腐蝕問題，導(dǎo)致管道嚴(yán)重腐蝕泄漏。建議參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015規(guī)定中絕緣接頭內(nèi)腐蝕控制措施。

3.2 套管內(nèi)管道腐蝕

為防止管道不受地基影響，管道在公路、鐵路以及河流穿越時(shí)，安裝鋼質(zhì)套管對管道進(jìn)行保護(hù)。如管道防腐層破壞、套管進(jìn)水或者套管與管道短路，陰極保護(hù)電流無法流入被保護(hù)管道表面[14]。GB/T 21448—2017 規(guī)定采用套管穿越時(shí)，套管內(nèi)的輸送管應(yīng)具有完好的防腐層，且套管與輸送管間應(yīng)安裝絕緣支撐隔離；套管端部應(yīng)密封。ISO 15589-1—2015 將套管分為屏蔽陰極保護(hù)電流的套管和導(dǎo)通陰極保護(hù)電流的套管，列舉出兩種套管對應(yīng)的套管類型，并對兩種套管的防腐措施進(jìn)行了規(guī)定。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448—2017 僅規(guī)定套管內(nèi)管道應(yīng)保證防腐層完好，但實(shí)際建設(shè)施工過程中，防腐層不可避免會發(fā)生劃傷等缺陷，國家標(biāo)準(zhǔn)的要求不能完全保證。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015 將套管分為陰極保護(hù)電流屏蔽的套管和能通過陰極保護(hù)電流的套管，并提出了兩種類型套管內(nèi)管道防腐層施工質(zhì)量控制措施，指導(dǎo)現(xiàn)場管道工程。故建議參考國際標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充套管內(nèi)管道防腐層施工質(zhì)量控制措施。

3.3 臨時(shí)陰極保護(hù)

原則上陰極保護(hù)工程應(yīng)與管道主體工程同步勘察、設(shè)計(jì)、施工和投運(yùn)，但由于油源供應(yīng)、下游市場規(guī)劃和建管分離體制，新建管道可能存在投產(chǎn)延遲問題；管道改線、油氣站場改造可能存在暫時(shí)閑置管道，相對正常運(yùn)行管道，延遲投產(chǎn)管道和閑置管道的管理屬于短板，甚至造成安全隱患和油氣泄漏事故[15]。GB/T 21448—2017規(guī)定臨時(shí)陰極保護(hù)可采用犧牲陽極方式，在陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試期間及調(diào)試后，犧牲陽極和管道應(yīng)通過測試樁連接。應(yīng)安裝測試裝置測試臨時(shí)性陰極保護(hù)效果，并與管道同時(shí)安裝。ISO 15589-1—2015 規(guī)定為預(yù)防管道外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，在管溝回填和完成永久性陰極保護(hù)系統(tǒng)期間，應(yīng)采用臨時(shí)性陰極保護(hù)措施。存在下列情形的，應(yīng)設(shè)置臨時(shí)性陰極保護(hù)設(shè)施：管道敷設(shè)在低電阻率土壤中（小于100 Ω·m）；管道開始施工距離永久性陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝完成時(shí)間超過3 個(gè)月；管道敷設(shè)在高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。ISO 15589-1—2015 規(guī)定臨時(shí)性陰極保護(hù)設(shè)施除考慮永久性陰極報(bào)系統(tǒng)施工節(jié)點(diǎn)時(shí)間，還應(yīng)預(yù)留足夠的使用時(shí)間。臨時(shí)性陰極保護(hù)設(shè)施采用鋅或者鎂犧牲陽極，為避免影響永久性陰極保護(hù)系統(tǒng)，犧牲陽極采用地上連接到管道。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448—2017 中由于臨時(shí)性陰極保護(hù)方式非首選，要求較簡略，但實(shí)際存在應(yīng)用臨時(shí)性陰極保護(hù)設(shè)施的需求。國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了臨時(shí)性陰極保護(hù)設(shè)施的應(yīng)用條件、運(yùn)行時(shí)間要求和安裝方式，建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充完善。

4 ISO 15589-1—2015編輯性修改

除上述中外標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性內(nèi)容差異分析，以下列出了ISO 15589-1—2015 編輯性修改內(nèi)容，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448—2017修訂時(shí)可予以考慮。

1）適用范圍。ISO 15589-1—2015 適用于陸上埋地管道，輸送介質(zhì)包括氣體、水和漿體；適用于碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、鍍鋅鋼和銅質(zhì)管道；不適用于混凝土鋼結(jié)構(gòu)；不適用涂層剝離、絕熱涂層和巖石土壤層等可能導(dǎo)致陰極保護(hù)屏蔽或失效的情形。GB/T 21448—2017規(guī)定了陸上埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、測試、管理和維護(hù)，適用于陸上埋地鋼質(zhì)油、氣、水管道。ISO 15589-1—2015 規(guī)定的陰極保護(hù)準(zhǔn)則適用輸送介質(zhì)范圍更廣，并且明確指出準(zhǔn)則不適用陰極保護(hù)屏蔽或失效的情形。

2）術(shù)語和定義。ISO 15589-1—2015 新增下列術(shù)語，涂層衰減系數(shù)（coating breakdown factor）、絕緣火花間隙（isolating spark gap）、局部接地（local earth?ing）、測試點(diǎn)（measuring point）、管道-電解質(zhì)電位（pipe-to-electrolyte potential）、遠(yuǎn)接地點(diǎn)（remote earth）、電涌保護(hù)器（surge protective device）、大地電流（telluric current）和巖石穿越護(hù)套涂層（rock jack?et coating）。上述術(shù)語GB/T 21448—2017未涵蓋，應(yīng)補(bǔ)充完善。

5 建議

為提升我國長輸管道安全管理水平，促進(jìn)陰極保護(hù)工作專業(yè)化和規(guī)范化，為GB/T 21448—2017修訂工作提供參考依據(jù)，建議如下：

1）選擇補(bǔ)充重要術(shù)語和定義。

2）制訂符合我國管道特點(diǎn)、與國際接軌的陰極保護(hù)人員資質(zhì)認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。

3）研究應(yīng)用高溫環(huán)境長輸管道陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則，完善100 mV極化電位準(zhǔn)則適用范圍。

4）增加管道電絕緣接頭的內(nèi)腐蝕控制措施。

5）增加應(yīng)用去耦隔直裝置實(shí)現(xiàn)接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)兼容性的措施。

6）增加陰極保護(hù)設(shè)備防雷保護(hù)選用原則和性能參數(shù)要求。

7）增加套管內(nèi)管道防腐施工質(zhì)量控制措施。

8）提高陰極保護(hù)電位測試電纜的產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)。

9）完善臨時(shí)性陰極保護(hù)設(shè)施的應(yīng)用條件、運(yùn)行時(shí)間余量和安裝方式。

10）補(bǔ)充陰極保護(hù)電位遠(yuǎn)程監(jiān)測做法及要求。