中俄長輸管道陰極保護標準技術(shù)差異分析

徐若語，鄒冀翼，蔡亮，劉海鵬

1.中油國際管道有限公司（北京100029）

2.中國航空油料有限責(zé)任公司 溫州分公司（浙江 溫州325000）3.中航油京津冀物流有限公司（天津300300）

腐蝕、制管缺陷和第三方破壞是管道失效的重要原因。強制電流陰極保護是預(yù)防長輸管道腐蝕最安全的技術(shù)。近年來我國長輸管道實現(xiàn)跨越式發(fā)展，特別是建設(shè)運營了中緬、中亞、中俄等大型油氣管道工程，這類管道敷設(shè)于山區(qū)、戈壁和高寒地區(qū)，對管道設(shè)計和安全運行提出更高要求[1]。研究借鑒國外管道標準，特別是俄羅斯標準的先進經(jīng)驗和做法，對于提高我國管道運行管理水平具有重要意義。以長輸管道陰極保護為例，分別從土壤腐蝕性測試、陰極保護電位準則、陰極保護系統(tǒng)運行維護、密間隔點位測試和管道腐蝕風(fēng)險等級等方面，研究了中俄管道標準重要技術(shù)差異。最后，結(jié)合我國管道特點和管理現(xiàn)狀，提出了管道陰極保護標準改進建議。

1 中俄管道陰極保護標準

本研究涵蓋的中俄管道陰極保護標準包括：

1）俄羅斯標準РД153-39.4-039—1999《干線輸油氣管道站場電化學(xué)保護設(shè)計規(guī)范》、РД29.200.00-КТН-176—2006《干線輸油管道腐蝕及防護狀況檢測規(guī)程》、РД153-39.4-056—2000《干線輸油管道運營技術(shù)規(guī)程》、ГОСТР51164—1998《干線鋼質(zhì)管道防腐要求》。

2）中國國家標準GB∕T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》、GB∕T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》（采標ISO 15589-1-2015）、GB∕T 21246—2016《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測試方法》。

3）中國石油企業(yè)標準Q∕SY GD 0301—2016《埋地鋼質(zhì)管道干線陰極保護技術(shù)規(guī)范》。

2 土壤腐蝕性測試

2.1 土壤電阻率

Q∕SY GD 0301—2016規(guī)定管道陰極保護系統(tǒng)設(shè)計階段應(yīng)收集土壤電阻率，除管道沿線一般區(qū)域，還應(yīng)在管道沿線地形較低的特殊區(qū)域（沖溝、河流、小溪、沼澤等），補充測量土壤電阻率。

俄羅斯標準РД29.200.00-КТН-176—2006規(guī)定了特殊區(qū)域土壤電阻率測試要求，在強腐蝕性區(qū)域管段，每間隔100 m測量1次土壤電阻率，在具有強腐蝕性區(qū)域且土壤非均質(zhì)性嚴重的管段，每間隔50 m測量1次。其它管段，每間隔500 m測量1次。

俄羅斯標準規(guī)定了管道沿線特殊區(qū)域土壤電阻率測試要求，針對強腐蝕性區(qū)域管段，加密測量土壤電阻率，具有借鑒意義。

2.2 土壤自然電位

GB∕T 21246—2016規(guī)定了未施加陰極保護的管道自然電位測量，針對已實施陰極保護的管道宜在完全斷電24 h后進行。Q∕SY GD 0301—2016規(guī)定土壤自然電位測試每年1次。

俄羅斯標準РД29.200.00-КТН-176—2006規(guī)定了存在直流雜散電流干擾下管道自然電位測試要求，在切斷電化學(xué)保護裝置電源條件下，連續(xù)測量、記錄管道與CuSO4參比電極之間的電位差（持續(xù)時間為1 h）。測量應(yīng)在電氣化交通工具停止運行期間進行，每次測試結(jié)果相差不大于0.04 V條件下，取平均值作為管道自然電位。

自然電位反映了管道環(huán)境腐蝕活性狀況，一般在-0.450～-0.350 V，過負或者過正表明管道受到雜散電流影響[2]。一般做法是在全線陰極保護系統(tǒng)停運24 h后測試，避免在冬季進行。但國內(nèi)標準未規(guī)定直流雜散電流干擾下管道自然電位測試方法。存在雜散電流干擾下，測試較為準確的自然電位，取決于測試人員的專業(yè)經(jīng)驗。俄羅斯標準規(guī)定了存在雜散電流干擾條件下土壤自然電位測試要求，國內(nèi)標準未見規(guī)定，具有借鑒意義。

3 陰極保護電位準則

俄羅斯標準ГОСТР51164—1998規(guī)定管道電化學(xué)防腐系統(tǒng)應(yīng)在管道投運前建成投用，新建和改建管道應(yīng)保證100 mV的極化電位（不含土壤IR降）；管道陰極保護電位最大值和最小值取決于管線敷設(shè)和運行條件，最小保護電位準則為：

1）含套管穿越和敷設(shè)于中、低腐蝕性土壤中的管道，最小保護電位可以高于-0.85 V。

2）土壤電阻率大于10Ω·m，或者輸送溫度小于20℃，最小保護電位為-0.85 V。

3）土壤電阻率小于10Ω·m，或者存在雜散電流干擾，或者存在微生物腐蝕可能性，或者輸送溫度大于20℃，最小保護電位為-0.95 V；

4）輸送溫度小于5℃，最小保護電位為-0.8 V；輸送溫度介于50～70℃，含土壤IR降的最小保護電位為-1.1 V；輸送溫度介于70～100℃，含土壤IR降的最小保護電位為-1.15 V。

5）針對高電阻率土壤（大于100Ω·m），含土壤IR降的最小保護電位應(yīng)根據(jù)試驗計算確定。

ГОСТР51164—1998規(guī)定最大保護電位準則為：

1）土壤電阻率小于10Ω·m，輸送溫度大于60℃，最大保護電位為-1.1 V。

2）管道采用瀝青防腐層、聚合物防腐層等敷設(shè)條件下，最大保護電位為-1.15 V。

3）針對高電阻率土壤（大于100Ω·m），含土壤IR降的最大保護電位應(yīng)根據(jù)試驗計算確定。

GB∕T 21447—2018規(guī)定的保護電位（無IR降）準則為：

1）一般土壤環(huán)境，最小保護電位為-0.85 V。

2）環(huán)境溫度大于60℃，最小保護電位為-0.95 V；環(huán)境溫度介于40～60℃，最小保護電位為在-0.65～-0.95 V之間通過線性插值法確定。

3）環(huán)境溫度小于40℃，土壤電阻率介于100～1 000Ω·m，最小保護電位為-0.75 V；土壤電阻率大于1 000Ω·m，最小保護電位為-0.65 V。

4）存在硫酸鹽還原菌腐蝕風(fēng)險的缺氧土壤，最小保護電位為-0.95 V。

5）管道防腐層限制臨界電位不應(yīng)負于-1.2 V，防止防腐層出現(xiàn)陰極剝離、起泡、管體氫脆現(xiàn)象。

陰極保護準則是管道陰極保護系統(tǒng)設(shè)計和保護效果評價的依據(jù)[3]。針對陰極保護電位準則，中俄標準技術(shù)差異是：

1）管-地通電電位也是表征管道保護效果的重要指標，可以粗略評判管道防腐層質(zhì)量狀況，防腐層良好管-地通電電位衰減較緩慢、平緩。俄羅斯標準針對高溫環(huán)境和高電阻率土壤特殊情形，綜合使用通電電位和極化電位進行判定。

2）一般的土壤電阻率按照20～50Ω·m區(qū)間，腐蝕性劃分為弱、中、強三個等級，俄羅斯標準針對土壤電阻率劃定陰極保護電位的分辨率和區(qū)分度更高。

3）俄羅斯標準規(guī)定了含套管穿越管道、存在雜散電流干擾等情形的陰極保護電位準則。

4）針對最大陰極保護電位，中國標準規(guī)定為-1.2 V，俄羅斯標準綜合考慮了土壤電阻率、輸送溫度、防腐層類型等因素，更為細化。

4 陰極保護系統(tǒng)運行維護

4.1 基本要求

Q∕SY GD 0301—2016規(guī)定管道陰極保護系統(tǒng)管理與維護要求：

1）陰極保護系統(tǒng)應(yīng)保持連續(xù)運行。每年除測量管道自然電位期間，陰極保護系統(tǒng)因故停運12 h以上，應(yīng)上報備案。管道調(diào)整、檢修電源設(shè)備時，停運時間不應(yīng)超過2 h，全年不應(yīng)超過10次。

2）陰極保護系統(tǒng)的保護率應(yīng)達到100%；陰極保護設(shè)備的運行率應(yīng)大于98%。保護率和運行率計算公式為：

式中:ηp為陰極保護系統(tǒng)的保護率，%；L0為管道總長度，km；L1為未達到有效陰極保護管道的長度，km；ηO為陰極保護設(shè)備的運行率，%；T0為全年小時數(shù)，h；T1為年度有效投運時間，h。

俄羅斯標準РД153-39.4-056—2000干線輸油管道陰極保護主要控制指標，即管道保護效果是按照管段長度計算的保護率與按照時間計算的運行率乘積的函數(shù)，保護率是根據(jù)被檢測管段上電化學(xué)保護裝置在規(guī)定時間內(nèi)（季度、年）的工作狀況計算。

式中：З為管道保護效果，%；Зв為按照管段長度計算保護率，%；Зп為按照時間計算運行率，%。

式中：Зпj為管道系統(tǒng)中第j個電化學(xué)保護裝置的按管段長度計算的保護率，%；L為被檢測管段長度，km；Lj為管道系統(tǒng)中第j個電化學(xué)保護裝置的保護長度，km；k為管道系統(tǒng)中電化學(xué)保護裝置的數(shù)量。式中：Тj為管道系統(tǒng)中第j個電化學(xué)保護裝置有效投運時間，h；Т為確定保護效果選定時間段，h。

國內(nèi)標準計算管道系統(tǒng)陰極保護率采用均一化原則，未充分考慮每個管段的特殊性和復(fù)雜性，且參數(shù)取值存在人為因素影響，計算方法較為簡略。俄羅斯考慮單體設(shè)備運行狀況和每個管段陰極保護狀況，在此基礎(chǔ)上綜合評定管道系統(tǒng)保護程度，計算方法更為科學(xué)、合理，計算結(jié)果更為真實、可靠。

4.2 陰極保護系統(tǒng)投運時間

俄羅斯標準ГОСТР51164—1998規(guī)定管道電化學(xué)保護設(shè)備，應(yīng)在管道敷設(shè)和回填后3個月內(nèi)投入運行，如存在雜散電流干擾，應(yīng)在1個月內(nèi)投入運行。РД153-39.4-056—2000規(guī)定自向管溝內(nèi)敷設(shè)管道之日起，應(yīng)保證電化學(xué)保護設(shè)備的最短啟動期限不超過1個月（維修作業(yè)不超過15天）。如存在雜散電流干擾，排流保護設(shè)施應(yīng)與管溝敷設(shè)管道同時進行。

GB∕T 21447—2018規(guī)定陰極保護系統(tǒng)在管道埋地3個月內(nèi)不能投入運行時，應(yīng)采取臨時性陰極保護措施；受到直流雜散電流干擾影響的管道，陰極保護（含排流保護）應(yīng)在3個月之內(nèi)投入運行。

國內(nèi)普遍存在管道投產(chǎn)延遲情形以及施工與運行協(xié)調(diào)問題，例如水工保護、陰極保護、通信系統(tǒng)、伴行路工程未同步投運，加速腐蝕可能導(dǎo)致管道穿孔，導(dǎo)致管道重新投產(chǎn)發(fā)生泄漏事故的案例[4]。針對陰極保護系統(tǒng)投運時間，俄羅斯標準規(guī)定的時間限制更為嚴格。

5 密間隔電位測試（CIPS）

Q∕SY GD 0301—2016規(guī)定長輸管道與外部管道交叉處，每半年進行1次密間隔電位測試。通過密間隔電位測量，判斷柔性陽極是否存在斷路。

俄羅斯標準РД153-39.4-056-2000規(guī)定在土壤環(huán)境溫度最高期間、恒電位儀運行狀態(tài)發(fā)生變化（輸出電壓、電流）條件下，以及管道沿線雜散電流源、埋地金屬構(gòu)筑物發(fā)生變化條件下，應(yīng)進行密間隔電位測試。管道密間隔電位測試每3年進行1次，以全面評估管道保護度。

密間隔電位測試技術(shù)（CIPS）技術(shù)檢測速度較慢、工作量較大，國內(nèi)標準針對CIPS的應(yīng)用條件和范圍較為簡略。俄羅斯標準規(guī)定了CIPS的檢測條件和間隔周期，具有借鑒意義。

6 管道腐蝕風(fēng)險等級

GB∕T 21447—2018規(guī)定管道所處環(huán)境的腐蝕性等級劃分原則，按照腐蝕速率針對大氣腐蝕性分級；根據(jù)土壤電阻率針對土壤腐蝕性分級；根據(jù)腐蝕速率針對土壤腐蝕性分級；以及按照氧化還原電位針對土壤細菌腐蝕分級。

俄羅斯標準РД29.200.00-КТН-176—2006規(guī)定管道腐蝕危險段等級劃分原則，分為高腐蝕危險、較高腐蝕危險和腐蝕危險管段。

6.1 高腐蝕危險管段指

1）發(fā)生過因腐蝕缺陷造成斷裂、穿孔的管段，腐蝕缺陷深度超過管壁厚度15%的管段，以及腐蝕速度大于0.5 mm∕a的管段。

2）敷設(shè)在高腐蝕性土壤中的管段（土壤電阻率小于20Ω·m）。

3）存在直流雜散電流干擾的管段，且管地電位產(chǎn)生正向偏移。

6.2 較高腐蝕危險管段指

1）腐蝕缺陷深度超過管壁厚度10%～15%的管段，以及腐蝕速度介于0.3～0.5 mm∕a的管段。

2）敷設(shè)在中腐蝕性土壤中的管段（土壤電阻率介于20～50Ω·m）。

3）存在交流雜散電流影響的管段，與高于220 kV架空輸電線路交叉的管段。

4）穿越鐵路和公路的管段，與其他管道交叉的管段。

5）探測確定存在微生物腐蝕的管段，土壤中水溶性鹽類物質(zhì)含量大于0.1%的管段。

6）輸送溫度高于30℃的管段。

7）敷設(shè)在沼澤、水田區(qū)域的管段。

腐蝕危險管段指陰極保護裝置保護長度小于3 km的管段，以及不滿足陰極保護電位準則的管段。

國內(nèi)標準根據(jù)單一影響因素對管道所處的環(huán)境腐蝕性進行劃分等級。俄羅斯標準提出了管道腐蝕風(fēng)險等級原則。管道企業(yè)可根據(jù)管道腐蝕風(fēng)險等級制定相應(yīng)的防腐措施，該理念比較新穎，可操作性強，具有借鑒意義。

7 建議

為提高我國長輸管道陰極保護工作水平，借鑒俄羅斯標準的先進經(jīng)驗和做法，針對改進我國管道陰極保護技術(shù)標準，提出以下建議：

1）規(guī)定管道沿線特殊區(qū)域土壤電阻率測試要求，針對強腐蝕性區(qū)域管段應(yīng)加密測量土壤電阻率。

2）規(guī)定存在雜散電流干擾條件下土壤自然電位測試要求。

3）針對高溫環(huán)境和高電阻率土壤特殊情形，綜合使用通電電位和極化電位進行判定管道保護效果。

4）考慮土壤電阻率、輸送溫度、防腐層類型等因素，確定陰極保護電位最大值。

5）考慮單體設(shè)備運行狀況和每個管段陰極保護狀況，綜合評定管道系統(tǒng)保護程度。

6）進一步嚴格限定管道投產(chǎn)與陰極保護系統(tǒng)投運的時間關(guān)系。

7）規(guī)定管道進行密間隔電位測試的條件和間隔周期。

8）借鑒管道腐蝕風(fēng)險等級原則，并制定相應(yīng)等級的防護措施。