長輸管道站場區(qū)域陰極保護(hù)饋電試驗結(jié)果分析

馬貴利 劉海峰 王 浩 陳虹錦 彭 磊 湯雨霖魏群坤 袁 豹 何炆憶 陳彬源

1. 中國石油青海油田公司管道處, 青海 格爾木 816000;2. 中國石油西南油氣田公司, 四川 成都 610051;3. 中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦, 四川 瀘州 646000;4. 四川華油集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610023;5. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

西南地區(qū)某長輸管道站場在建設(shè)時采用鎂合金犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)對站內(nèi)埋地管道和設(shè)備進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)。該區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)運行幾年后站內(nèi)所有埋地管道的保護(hù)電位均出現(xiàn)問題，達(dá)不到GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中陰極保護(hù)管地電位應(yīng)位于-0.85～-1.2 V之間(相對于硫酸銅參比電極消除IR降后[1])的要求,影響站場完整性管理,同時也影響站內(nèi)埋地管道設(shè)備的安全運行,依據(jù)GB/T 35508—2017《場站內(nèi)區(qū)域性陰極保護(hù)》(以下簡稱GB/T 35508—2017)和GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》(以下簡稱GB/T 21447—2018)的規(guī)定,需對站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行整改,整改前需對站內(nèi)埋地管道設(shè)備進(jìn)行陰極保護(hù)饋電試驗，根據(jù)試驗結(jié)果確定整改方案和技術(shù)措施。

1 站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

在站場建設(shè)時,采用鎂合金犧牲陽極對站內(nèi)埋地管道和設(shè)備進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)。站內(nèi)設(shè)置鎂合金犧牲陽極12組,每組埋設(shè)鎂合金犧牲陽極3～4支,每支14 kg,共埋設(shè)犧牲陽極39支,每組犧牲陽極安裝處設(shè)置防爆接線箱一個,犧牲陽極通過接線箱內(nèi)接線端與站場埋地管道聯(lián)通,對埋地管道進(jìn)行陰極保護(hù),整個犧牲陽極區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)于2009年投入使用。站內(nèi)防爆接線箱見圖1。

圖1 站內(nèi)防爆接線箱照片F(xiàn)ig.1 Explosion proof junction box in the station

站內(nèi)埋地鋼質(zhì)管道采用3PE防腐層防腐,規(guī)格主要有D1 016、D323、D273、D168、D114、D108、D89等,材質(zhì)主要為L485和L245。站內(nèi)埋地管道面積約510 m2;站內(nèi)接地系統(tǒng)為鍍鋅扁鋼,鍍鋅扁鋼面積約45 m2。

進(jìn)出站場管道3根:1根進(jìn)站管道DN1 000,設(shè)計壓力10 MPa;1根出站管道DN1 000,設(shè)計壓力10 MPa;1根出站管道DN300,設(shè)計壓力4 MPa。3根管道上分別安裝對應(yīng)規(guī)格的絕緣接頭各1個。

1.2 系統(tǒng)測試

依據(jù)GB/T 35508—2017和GB/T 21447—2018的要求,按照GB/T 21246—2020《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》(以下簡稱GB/T 21246—2020)中規(guī)定的測試方法對站場原有區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)犧牲陽極的開路電位、通電電位、接地電阻進(jìn)行了測試[2-5],詳細(xì)測試結(jié)果見表1。

表1 站場原有區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)測試表

在完成站場原有區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)犧牲陽極的相關(guān)參數(shù)測試后,按照GB/T 21246—2020中規(guī)定的測試方法對進(jìn)出站場管道上的絕緣接頭也進(jìn)行了性能測試,測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 線路管道絕緣接頭性能測試表

絕緣接頭性能測試完成后,為確定站內(nèi)埋地管道的自然電位,將站內(nèi)所有犧牲陽極與埋地管道設(shè)備斷開,待埋地管道完全去極化后，在站內(nèi)各測試點對埋地管道的自然腐蝕電位和土壤電阻率進(jìn)行了測試,測試點位置見圖2,測試結(jié)果見表3。由表3可知,站內(nèi)埋地管道的自然腐蝕電位在-0.564～-0.666 V,且管道所處環(huán)境土壤電阻率較低,均小于40 Ω·m,依據(jù)電化學(xué)腐蝕理論,碳鋼在此條件下受到的腐蝕程度較為嚴(yán)重[6-7]。

圖2 站場測試點分布圖Fig.2 Distribution diagram of station test points

表3 站場埋地管道自然電位測試表

1.3 站場原有陰極保護(hù)系統(tǒng)測試結(jié)果分析

根據(jù)表1可以看出,站內(nèi)安裝的鎂合金犧牲陽極在運行幾年后,由于接地電阻太高,站內(nèi)鎂合金犧牲陽極最小接地電阻為18.5 Ω,最大接地電阻為72.1 Ω,大部分犧牲陽極接地電阻都大于35 Ω,因此犧牲陽極即使開路電位仍然維持在-1.45 V左右,但由于受接地電阻太高的影響,其輸出電流很小,不能滿足站內(nèi)埋地管道、設(shè)備達(dá)到最小陰極保護(hù)斷電電位的需求,因此現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)站內(nèi)埋地管道、設(shè)備基本處于自然電位狀態(tài),沒有得到有效的陰極保護(hù)[8]。

根據(jù)表2可以看出進(jìn)出站場輸氣管道上安裝的絕緣接頭性能良好,因為絕緣接頭保護(hù)側(cè)和非保護(hù)側(cè)現(xiàn)場測試的管地電位差值較大,站內(nèi)埋地管道基本是自然電位,但站外保護(hù)側(cè)管地電位基本都與線路管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的通電電位一致,因此說明進(jìn)出站場輸氣管道上安裝的絕緣接頭性能良好[9-11]。

2 現(xiàn)場饋電試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

根據(jù)站場現(xiàn)場測試結(jié)果可知,站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)失效,無法對站內(nèi)埋地管道設(shè)備提供陰極保護(hù)。為對站內(nèi)埋地管道及設(shè)備實施有效的陰極保護(hù),應(yīng)采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng),為保證站場強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性,防止因電位分布不均出現(xiàn)部分管道得到有效保護(hù)但部分管道得不到保護(hù)的情況,同時為減少站場強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對線路輸氣管道的雜散電流干擾,需進(jìn)行現(xiàn)場饋電試驗[12]。通過饋電試驗確定站場強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)通電點最優(yōu)位置、數(shù)量,確定站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運行時的電流需求量、輸出電壓、保護(hù)電位等[13]。

2.2 試驗設(shè)備

為保證試驗效果,在進(jìn)行現(xiàn)場饋電試驗時,需準(zhǔn)備直流穩(wěn)壓電源作為陰極保護(hù)電源設(shè)備,利用站場圍墻邊已有線路陰極保護(hù)系統(tǒng)的深井陽極作為陽極地床,同時還可利用站內(nèi)犧牲陽極安裝處與管道連接的電纜作為通電點電纜或測試電纜進(jìn)行饋電試驗。設(shè)備主要有硫酸銅參比電極、萬用表、滑動電阻、同步通斷儀、土壤電阻率測試儀等。

2.3 試驗方案

饋電試驗以直流穩(wěn)壓電源為陰極保護(hù)電源設(shè)備,以站場圍墻邊深井陽極為陽極地床,以站內(nèi)設(shè)置的1號、4號、10號犧牲陽極安裝點中的一處或多處為通電點和饋電點進(jìn)行試驗和數(shù)據(jù)記錄,詳細(xì)通電點及饋電點設(shè)置方案見表4。站內(nèi)通電點及饋電點在站內(nèi)分布位置見圖3。

表4 通電點及饋電點設(shè)置方案表

圖3 站內(nèi)通電點及饋電點分布位置圖Fig.3 Distribution position of power energization point and feeding point

為確定站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)是否對站外埋地管道造成直流干擾,在饋電試驗前關(guān)閉站外管道線路陰極保護(hù)系統(tǒng),待管道完全去極化后,在圍墻測試樁處測試記錄站外管道自然電位,在試驗進(jìn)行過程中,再次測試記錄站外管道自然電位,對2個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,確定站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外管道的直流干擾程度[14-16]。

2.4 試驗過程

試驗前斷開站內(nèi)所有犧牲陽極,將圍墻邊深井陽極的陽極電纜與直流穩(wěn)壓電源設(shè)備的陽極端相連接,同時將直流穩(wěn)壓電源設(shè)備的陰極端與通電點處管道進(jìn)行連接,設(shè)置有饋電點時,從直流穩(wěn)壓電源設(shè)備的陰極端壓接1根電纜與饋電點設(shè)置位置處的管道相連接。連接好后,將直流穩(wěn)壓電源設(shè)備開機(jī),調(diào)整直流穩(wěn)壓電源設(shè)備輸出電流大小,待站內(nèi)各處埋地管道充分極化后在各測試點測量埋地管道保護(hù)電位和斷電電位,并記錄直流穩(wěn)壓電源輸出電流、輸出電壓,測試點位置見圖2[17]。

2.5 試驗數(shù)據(jù)

在進(jìn)行表4各方案的現(xiàn)場饋電試驗中,當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓達(dá)到7.0 V左右時,各測試點通電電位略超過-0.85 V,但斷電電位達(dá)不到-0.85 V；直流穩(wěn)壓電源輸出電壓達(dá)到8.0 V左右時,各測試點通電電位均超過-0.95 V,斷電電位基本達(dá)到-0.85 V。不同通電點或饋電點設(shè)置方案的輸出電流存在一定差異,設(shè)置多個通電點和饋電點時所需的陰極保護(hù)電流最小?，F(xiàn)場試驗時,陰極保護(hù)電源設(shè)備輸出電壓為7.0 V和9.0 V時,各測試點都記錄了測試數(shù)據(jù),各測試點在陰極保護(hù)電源設(shè)備輸出電壓為7.0 V時通電電位和輸出電流數(shù)據(jù)見表5～6。

表5 輸出電壓為7.0 V時各測試點通電電位測試記錄表

表6 輸出電壓為7.0 V時各方案輸出電流表

陰極保護(hù)電源設(shè)備輸出電壓為9.0 V時通電電位和輸出電流數(shù)據(jù)見表7～8。

表7 輸出電壓為9.0 V時各測試點通電電位測試記錄表

表8 輸出電壓為9.0 V時各方案輸出電流表

試驗過程中,為核實站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)是否對站外埋地管道造成直流干擾,在進(jìn)出站管道上的絕緣接頭外側(cè)進(jìn)行了管地電位測試,即在站內(nèi)強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)開啟前,在進(jìn)出站管道上的絕緣接頭外側(cè)進(jìn)行管地電位測試并進(jìn)行記錄,記錄后開啟站內(nèi)強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng),再在進(jìn)出站管道上的絕緣接頭外側(cè)相同位置進(jìn)行管地電位測試并記錄,對同一位置2次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,分析站內(nèi)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外埋地管道的直流干擾情況[18],現(xiàn)場測試位置見圖4,測試數(shù)據(jù)見表9。

圖4 干擾分析測試位置圖Fig.4 Test position of interference analysis

表9 區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾電位測試記錄表

2.6 試驗結(jié)果

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)可知,站場強(qiáng)制電流區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)采用深井陽極地床形式完全可以保證站場內(nèi)各處埋地管道設(shè)備得到有效的陰極保護(hù),同時站內(nèi)通電點和饋電點的不同設(shè)置位置會影響陰極保護(hù)電流的流向和分布,對站場區(qū)域陰極保護(hù)的效果影響較大,對站外管道的干擾程度也不一樣,從試驗數(shù)據(jù)可以看出采用在圖3所示的MA10設(shè)置通電點,同時在MA1和MA4各設(shè)置饋電點一處,站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的電流分布較均勻,站內(nèi)各處埋地管道均可得到有效的陰極保護(hù),同時對站外管道干擾也最小[19-20]。

3 結(jié)論

1)由于長輸管道站場內(nèi)接地系統(tǒng)會泄漏區(qū)域陰極保護(hù)電流,同時犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流有限,且犧牲陽極使用數(shù)年后,接地電阻會增大,因此采用犧牲陽極對長輸管道站場內(nèi)埋地管道進(jìn)行區(qū)域陰極保護(hù)時應(yīng)謹(jǐn)慎。

2)對長輸管道站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造時,采用饋電試驗的方式可以較好地掌握在不同通電點、饋電點設(shè)置情況下站內(nèi)埋地管道的管地電位分布情況。通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可合理設(shè)置通電點、饋電點,并且配合分布式深井陽極地床的設(shè)置以避免站場大面積開挖,節(jié)約投資,減小施工難度,同時大大減少施工過程可能存在的安全隱患。

3)對長輸管道站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造時,為保證陰極保護(hù)電流的均勻分布,應(yīng)采用通電點和饋電點結(jié)合的方式給埋地管道提供陰極保護(hù)電流,且通電點和饋電點應(yīng)盡量均勻布置,減少管道屏蔽,保證陰極保護(hù)效果。