油氣管道陰極保護系統(tǒng)常見問題及解決方法

李保平

(浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著社會的發(fā)展，能源需求呈現(xiàn)快速增長勢頭，管道運輸作為石油天然氣的主要運輸途徑得到了快速發(fā)展。埋地鋼質(zhì)管道遭受土壤、微生物等因素腐蝕[1]，管道的安全運行直接關(guān)系到人民生命及財產(chǎn)安全。管道外防腐層和外加陰極保護是埋地鋼質(zhì)管道的主要防腐手段，目前針對陰極保護故障問題進行系統(tǒng)分析的文章較少。本文分析總結(jié)了幾種典型的陰極保護系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的問題及解決方法。

1 陰極保護常見故障及排除方法

1.1 犧牲陽極故障分析

犧牲陽極保護因無需外部電源、對外界干擾小、安裝維護費用低、無需征地或占用其他建筑物等優(yōu)點[2]，常用于輸氣場站內(nèi)管線及管線建設期的臨時保護。犧牲陽極的保護效果與陽極材料本身的性能有直接關(guān)系，目前常用的犧牲陽極材料有鋁合金、鋅合金和鎂合金三大類。犧牲陽極常見的故障有：

1)陽極輸出電流減小，達不到保護電位。造成這種現(xiàn)象的原因有陽極消耗、環(huán)境污染對陽極的影響、陽極/陰極連接線斷開、陽極周圍土壤干燥等。

2)陽極輸出電流增大，但保護物電位極化不上去。造成這種現(xiàn)象的原因有被保護體與相鄰金屬物體有搭接、絕緣裝置失效、絕緣層老化或破壞、環(huán)境改變引起迅速去極化或者水的含氧量、土的充氣量增大等。

3)陽極體腐蝕不嚴重，但陽極已不能工作。造成這種問題的原因有陽極成分不合理，在工作環(huán)境中造成鈍化；陽極局部腐蝕嚴重，陽極合金化不均勻，造成局部腐蝕；未達設計壽命，陽極失效；陽極雜質(zhì)含量高，陽極效率降低；在交流干擾下，陽極發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)。

以某天然氣輸氣站不同犧牲陽極測試數(shù)據(jù)進行具體分析，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某天然氣輸氣站內(nèi)犧牲陽極測試數(shù)據(jù)

從表1中看出，1、2、3、4號管道通電(或斷電)電位低于保護電位，不達標，陰極保護水平較差；5、6號管道電位合格。分析造成管道欠保護的主要原因是犧牲陽極投運時間較長。隨著犧牲陽極的不斷消耗，陽極表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物影響了陽極的輸出，同時土壤性質(zhì)對犧牲陽極的保護效果影響較大。應根據(jù)環(huán)境合理選擇犧牲陽極，在土壤干燥的環(huán)境中更適合選用電位較負的合金犧牲陽極。

應定期對犧牲陽極陰保系統(tǒng)的服役參數(shù)進行系統(tǒng)分析，從犧牲陽極設計參數(shù)、土壤特性、陽極輸出參數(shù)等方面對犧牲陽極保護效果進行深入研究，及時排除犧牲陽極保護系統(tǒng)故障。

1.2 恒電位儀輸出異常

強制電流陰極保護系統(tǒng)由恒電位儀、載流電纜、測試電纜、參比電極、輔助陽極及附屬設備組成。強制電流陰極保護系統(tǒng)在運行中常發(fā)生故障，無法正常輸出，需要從陰極保護系統(tǒng)的各個組成部分排查故障原因。

1.2.1 輸出電壓突然增大，輸出電流為零

電流為零而電壓超高報警，說明陰極保護系統(tǒng)回路電阻過大，可能的原因有：陽極電纜中斷、陰極電纜中斷、輔助陽極消耗殆盡，可采用參比電極對陰陽極開路電位進行測量，使用接地電阻儀測量陰陽極回路電阻確定故障原因。

1.2.2 恒電位儀電流輸出超量程，管道保護電位降低

陰極保護電流輸出增大，說明陰極保護回路不存在短路問題，應首先校核參比電極工作狀態(tài)。若參比電極工作正常，則可以初步判斷管道存在漏電。可能的原因有管道防腐層破損、絕緣法蘭失效、管道與其他設施發(fā)生了搭接，造成陰極保護電流流失，使輸出電流增大?？梢圆捎霉苤须娏鳒y繪法檢測管道中電流分布情況，確定電流流失點，排除故障。

1.2.3 恒電位儀輸出不穩(wěn)定，自動轉(zhuǎn)為恒電流運行

恒電位儀可以輸出說明回路沒有問題，恒電位儀無法在恒電位下工作，說明長效參比電極反饋的管道電位不穩(wěn)定，影響了恒電位儀的輸出。首先采用標準參比電極校核長效參比電極，如果長效參比電極工作正常，則可判斷可能遭受了雜散電流干擾，需要進一步測量確定干擾形式及干擾源，排除故障。

1.3 管道局部電位不達標

常規(guī)采用便攜式參比電極測量管道電位時，由于電流流過土壤時產(chǎn)生IR降，使得測量值與真實值之間存在偏差，測量值不能完全反映管道的陰極保護效果。由于絕緣防腐層的電屏蔽，管道剝離覆蓋層下的IR降主要集中在覆蓋層破損口附近。防腐層破損處現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)由于包含土壤介質(zhì)電阻、覆蓋層缺陷電阻及接觸電阻等引起的IR降，測量值有時可高達 -1.5 V～8.0 V。CIPS以瞬間斷電法為基礎，可消除管道IR降，測量方便，在油氣管道陰極保護有效性評價中得到了廣泛應用。

圖1為某輸氣管道CIPS測試結(jié)果。該段管道采用強制電流的陰極保護方式，從圖1中看出，管道前220 m位置由于土壤IR降的影響，管道通斷電位存在差異，且通斷電位低于管道保護電位，管道的到較好的保護；在220 m位置處管道的通斷電電位存在突變，突變前管道通斷電位差較大，突變后管道通斷電位基本相等，且高于管道保護電位。由于土壤IR降主要由陰極保護電流和土壤電阻決定的，可能的原因為突變后管道沒有受到強制電流的保護。分析發(fā)現(xiàn)，突變點(220 m位置)距離閥室較近，雖然該管道干線采用強制電流陰極保護，但閥室管線采用犧牲陽極保護，管道進出閥室均設有絕緣法蘭。進一步對閥室附近測試樁進行測試發(fā)現(xiàn)，進出閥室絕緣法蘭跨接線斷開，造成閥室下游輸氣干線未施加陰極保護電流，造成電位不達標。

圖1 某天然氣輸氣管道CIPS測試結(jié)果

1.4 雜散電流干擾

雜散電流強度大，集中產(chǎn)生在電阻小、易放電的局部位置[3]，如涂層破損處，破壞性很強，在短時間內(nèi)即可導致腐蝕穿孔。雜散電流會嚴重干擾陰極保護系統(tǒng)的正常運行，使測量電位值失真，引起犧牲陽極的極性逆轉(zhuǎn)，加速防腐層剝離，危及人身安全。

1.4.1 直流雜散電流干擾

直流雜散電流的來源有直流電氣化鐵路、其他陰極保護系統(tǒng)、地電流和高壓直流電力線等。在直流雜散電流的流入點，管道受到保護，在直流雜散電流的流出點，管道加速腐蝕，但如果電流過大，電流流入點會發(fā)生防腐層剝離、鼓泡或氫脆等損壞管道的現(xiàn)象。

根據(jù)SY/T0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術(shù)標準》，管道直流干擾程度一般按管地電位較自然電位正向偏移值判定，當管地電位較自然電位正向偏移值難以測量時，按土壤電位梯度確定雜散電流強弱程度。直流雜散電流的排除方法有:1)為干擾電流提供金屬回路；2)對管道原有陰極保護系統(tǒng)進行極性改造，應用陰極保護來抵消干擾電流的影響；3)移走或重置干擾電流源，預防干擾電流的流入或限制其流動等。

1.4.2 交流雜散電流干擾

隨著大量基礎設施的建設，交流腐蝕問題日益突出，交流腐蝕的主要來源是高速鐵路和高壓輸電線路等。交流雜散電流在管道與土壤之間流動時，由于電流的大小和方向隨時間變化，交流雜散電流對管道腐蝕的影響要比直雜散流電流的影響復雜的多。

GB/T 50698-2010《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》規(guī)定，當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4 V時，應采用交流電流密度進行評估。一般采用特征參數(shù)作為評價交流腐蝕風險的依據(jù)，交流干擾參數(shù)的檢測主要包括交流干擾電壓、交流干擾密度、交直流電流密度之比和土壤電阻率，其中交流感應電壓易于測量，是表征交流干擾強度最直接的參數(shù)。

埋地管道遭受交流干擾，交流電壓隨干擾源呈現(xiàn)類周期變化。圖2是某天然氣長輸管道交流電壓與通電電位隨時間的變化曲線。從圖2中看出，交流電壓是有時間變化性的，對測試樁長時間監(jiān)測可以采集到電壓峰值，對交流干擾情況進行全面評估。該段管線的管線交流干擾電壓峰值達到70 V時，管道的通電電位發(fā)生劇烈變化，通電電位發(fā)生劇烈變化的點對應交流電壓峰值的出現(xiàn)，當交流電壓較小時(低于30 V)，管道通電電位較穩(wěn)定。

圖2 某天然氣長輸管道管道交流電壓與通電電位變化曲線

因此采用傳統(tǒng)的地表電位法測量管道陰保電位，即使管道遭受了嚴重的交流干擾腐蝕，測量值也可能在有效范圍內(nèi)，不能反映管道陰極保護的真實情況。

為避免管道遭受交流干擾腐蝕，油氣管道應遠離高壓輸電線路布置，對于存在交流干擾腐蝕風險的管道應采取必要的交流腐蝕緩解措施，常用的措施有安裝絕緣接頭、接地排流和安裝梯度控制線。其中最常見的方法是安裝梯度控制線，梯度控制線是在管道周圍等間距安裝鋅帶，起到排流和陰極保護的雙重作用，能夠使周圍土壤電位升高，使管道與周圍土壤電位差降低。使用梯度控制線緩解交流腐蝕需要綜合考慮土壤電阻率、接地形式，設計較為復雜，主要依靠經(jīng)驗和簡單的公式進行計算，由于影響因素多，設計結(jié)果經(jīng)常達不到預期的緩解效果。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為交流干擾緩解設計的發(fā)展趨勢，但是數(shù)值模擬的參數(shù)設置、模型建立如何更準確地反映現(xiàn)場實際仍需要進一步研究。

2 結(jié)論

本文總結(jié)了陰極保護系統(tǒng)運行中經(jīng)常遇到的典型問題，通過理論和案例分析，闡述了典型陰保問題的解決辦法。

1)犧牲陽極陰保系統(tǒng)作為區(qū)域陰極保護的主要手段，它的正常運行對于保障站內(nèi)管線設備安全發(fā)揮了重要作用，應加強犧牲陽極的維護和管理工作，對犧牲陽極服役情況定期進行系統(tǒng)測試和研究，掌握犧牲陽極運行狀況和保護效果。

2)恒電位儀作為強制電流陰極保護系統(tǒng)的電源設備，運行中故障率較高，恒電位儀故障問題帶有一定的規(guī)律性，應從陰極保護系統(tǒng)的各個組成單元入手排查故障原因。

3)管道在建設施工、運行過程中防腐層破損情況時有發(fā)生，破損處管道成為陽極遭受腐蝕。應定期進行防腐層檢測，及時修復防腐層破損點，同時應定期對陰保系統(tǒng)的附屬設施進行檢測，確保管道陰極保護系統(tǒng)正常運行。

4)雜散電流腐蝕是目前油氣管道面臨的主要危害之一，管道遭受雜散電流腐蝕能影響陰保系統(tǒng)的正常運行，使管地電位測量值出現(xiàn)偏差，通過定期交流雜散電流檢測可以及時發(fā)現(xiàn)雜散電流干擾，采取相應的保護措施使管道免受腐蝕。