基于長輸天然氣埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測案例分析

王 俊，李靖博，李芳芳

（云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南 昆明 650000）

天然氣能源作為社會不可缺少的關(guān)鍵能源，其運輸效率、運輸質(zhì)量都和社會發(fā)展、國民生活水平掛鉤。為滿足不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，很多地區(qū)進(jìn)行了長輸天然氣管道的建設(shè)，但是長輸天然氣管道直接和土壤接觸，容易出現(xiàn)腐蝕問題。陰極保護(hù)系統(tǒng)是目前長輸天然氣管道防腐的主要措施，由于管道所處環(huán)境復(fù)雜，容易陰極保護(hù)系統(tǒng)也會出現(xiàn)失效問題，所以必須對長輸天然氣管道進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果采取措施，保證陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性。

1 陰極保護(hù)原理分析

埋地鋼管為了防止出現(xiàn)電蝕問題，一般都會采用陰極保護(hù)的方式，該方法會直接利用外加電流使被保護(hù)的鋼管成為陰極，能避免鋼管的鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部電子向外遷移，從而達(dá)到控制腐蝕的目的，甚至可以避免腐蝕出現(xiàn)。常見的陰極保護(hù)方式包括外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽極陰極保護(hù)兩種方式，用外加電流陰極保護(hù)是最為簡單的方式，在實際工作中比較容易控制，在小型金屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)中有比較好的效果。但是在對長輸管道進(jìn)行保護(hù)時，還需要使用犧牲陽極保護(hù)法，利用犧牲陽極給金屬管道補(bǔ)充點子，維持金屬管道電子過剩，從而讓金屬管道始終處于負(fù)電位，避免管道受到腐蝕損害。

2 天然氣管道陰極保護(hù)的特點

（1）保護(hù)對象復(fù)雜性很高。陰極保護(hù)技術(shù)是一個經(jīng)過長期使用的成熟技術(shù)，在實際工作中有著非常重要的作用。但是在天然氣管道的陰極保護(hù)中，要面向很多內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，包括排污管線保護(hù)、熱力管線、防空管線、埋地工藝管線等等，由于這些管線之間相互影響，因此技術(shù)應(yīng)用中需要考慮現(xiàn)場情況進(jìn)行綜合分析。

（2）條件限制多樣性。由于天然氣管道陰極保護(hù)具有比較強(qiáng)的特殊性，尤其在外部限制條件十分多樣，比如管道需要面對不同的土壤環(huán)境、周圍土壤會出現(xiàn)溫濕度、酸堿度變化，管道的接地方式不同等等，如果不能有效處理，將會導(dǎo)致電流大量流失，造成電流的合理流動受到限制，最終造成陰極防護(hù)工作難以滿足要求。

（3）絕緣設(shè)施完善性。陰極保護(hù)技術(shù)會盡可能根據(jù)天然氣管道的需求建立完善的保護(hù)措施，而且會針對關(guān)鍵部位進(jìn)行重點防護(hù)，避免電流流失，能有效確保陰極保護(hù)的作用，也能提升實際應(yīng)用效果。

（4）調(diào)度檢測經(jīng)常性。由于天然氣埋地管道處于復(fù)雜的環(huán)境中，維護(hù)內(nèi)容也比較復(fù)雜，為了能確保管道的維護(hù)效果，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)和分配，以保障天然氣管道電位的均衡性。同時，由于站內(nèi)的陰極保護(hù)檢測復(fù)雜多元，在對保護(hù)有效性檢測的過程中為了能保證效果，以及確保檢測過程的安全，必須合理使用各類檢測技術(shù)。

3 影響天然氣管道陰極保護(hù)的因素

（1）防腐層受損。防腐層是天然氣管道中最基礎(chǔ)的、最關(guān)鍵的構(gòu)成，如果防腐層受到破壞，會導(dǎo)致天然氣管道腐蝕性能嚴(yán)重下降，甚至不能滿足日常進(jìn)行天然氣輸送的需求，還會造成陰極保護(hù)效果下降，以及造成防腐措施失效。為此，天然氣管道保護(hù)工作中，必須加強(qiáng)對防腐層受損情況的分析，避免影響陰極保護(hù)效果。日常工作中應(yīng)該加強(qiáng)對防腐層效果的監(jiān)測，針對電位異常及時進(jìn)行防腐層受損狀態(tài)的檢查，以及根據(jù)管道埋入位置周邊狀況選擇合適的防腐層材料，減少環(huán)境對管道的不利影響。

（2）回路電阻因素。在天然氣輸送的過程中，會產(chǎn)生比較復(fù)雜的電流雜流，會對天然氣管道陰極保護(hù)產(chǎn)生損害，其他因素也會對恒定電流產(chǎn)生影響，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流出現(xiàn)波動。對管道進(jìn)行電位檢測時，可能出現(xiàn)管道內(nèi)較長位置保護(hù)電位不達(dá)標(biāo)的情況，導(dǎo)致這種問題出現(xiàn)的原因來自于腐蝕導(dǎo)致防腐層受到嚴(yán)重?fù)p壞。隨著腐蝕侵害問題增加，會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的回路電阻故障，將會嚴(yán)重影響天然氣管道陰極保護(hù)的效果，會增加管道的腐蝕問題。

（3）恒電位儀影響。天然氣管道陰極保護(hù)技術(shù)的本質(zhì)在于犧牲陽極，但是這種方法使用過程中，如果恒電位儀出現(xiàn)故障，會造成電路、電子元件受損。通過結(jié)合實際情況分析，天然氣管道陰極保護(hù)故障多數(shù)時候都有雨恒電位儀故障所引發(fā)，雖然處理故障比較簡單，但是依然需要專業(yè)人員排除故障，如果檢修人員缺少足夠經(jīng)驗，將很難處理比較復(fù)雜的故障，還會影響陰極保護(hù)的效果。

（4）電纜和輔助陽極故障。由于陰極管道需要提供電子，所以需要有電纜進(jìn)行輸電，在運行中電纜如果出現(xiàn)短路、斷路等問題，會影響電力的正常傳輸，整個保護(hù)系統(tǒng)的效果會受到影響，如果不能及時排出故障，管道運行就會出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害。輔助陽極的作用在于將保護(hù)電流引入到土壤電導(dǎo)體中，其性能也決定了能否有效避免電化學(xué)腐蝕。如果陰極保護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量不合格，或者選擇的陽極金屬材料存在明顯質(zhì)量問題，就會由于腐蝕物的增加導(dǎo)致系統(tǒng)電阻增加，會影響管道的保護(hù)效果。

4 天然氣陰極保護(hù)法測試概述

（1）陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測目的。如前文所述，陰極保護(hù)系統(tǒng)是地下鋼管保持穩(wěn)定運行的重要措施，通過抑制電子遷移有效抑制金屬管道腐蝕，或者降低腐蝕嚴(yán)重性。隨著管道的大量建設(shè)，很多管道都出現(xiàn)了和交流電線路、電氣化鐵路、變電站等電氣設(shè)施交叉的情況，導(dǎo)致雜散電流對長輸管道的影響增加，雜散電流所導(dǎo)致的危害也越來越嚴(yán)重。由于更為復(fù)雜的外界環(huán)境影響，使得陰極保護(hù)系統(tǒng)容易出現(xiàn)失效的情況。通過檢測工作，能夠及時發(fā)現(xiàn)管道運行過程中陰極保護(hù)系統(tǒng)的問題，發(fā)現(xiàn)雜散電流對陰極保護(hù)的干擾情況，方便及時采取措施對管道的陰極保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化處理，提升管道的陰極保護(hù)效果，滿足管道保護(hù)要求，避免管道出現(xiàn)腐蝕對民生和企業(yè)造成的損害。

（2）陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測意義。通過對管道的陰極保護(hù)進(jìn)行檢查，可以發(fā)現(xiàn)管道保護(hù)系統(tǒng)的故障，通過對解決保護(hù)系統(tǒng)的問題，確保陰極保護(hù)能滿足需求。通過測量陰極保護(hù)參數(shù)，能確定保護(hù)系統(tǒng)是否能滿足控制長輸管道腐蝕要求，利用對管道的綜合測試，能確定陰極保護(hù)方式是否正確合理，及時進(jìn)行管道保護(hù)的修正工作。對管道的測試結(jié)果也可以利用到其他管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計工作中，在對管道進(jìn)行保養(yǎng)時，同樣可以使用檢測結(jié)果確定保養(yǎng)重點內(nèi)容，相關(guān)部門利用陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測結(jié)果作為基礎(chǔ)資料，可以制定更具有長期性、穩(wěn)定的管道管理模式。通過特定的檢測技術(shù)和檢測方法，能對管道防腐的綜合質(zhì)量進(jìn)行檢測，分析各種防護(hù)方法在陰極保護(hù)系統(tǒng)中的意義，也能在出現(xiàn)事故后，加快對防腐問題的調(diào)查速度。

（3）陰極保護(hù)有效性測試依據(jù)。對管道陰極保護(hù)有效性測試的評價中，通過對管道各處保護(hù)電位是否處于合理范圍，就可以判斷管道是否處于被保護(hù)狀態(tài)。通常管道的電位應(yīng)該在-0.85~1.20 V，如果低于-0.85 V，則管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，若高于1.20 V則管道處于過保護(hù)狀態(tài)。無論處于欠保護(hù)還是過保護(hù)狀態(tài)，都需要控制和消除雜散電流在管道和土壤中的流動，避免電位的改變導(dǎo)致極化電位。目前，使用電位法判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性困難也比較高，還可以使用試片法判斷管道的通斷電位，分析管道電位是否滿足要求。

5 長輸天然氣埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測實例分析

5.1 檢驗準(zhǔn)備

某管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)共35 km，利用強(qiáng)制電流保護(hù)配合埋地陽極的保護(hù)方式，對管道的穿越段專門使用犧牲陽極進(jìn)行防護(hù)。管道的設(shè)計壓力4.0 MPa，使用L290管材。管道外側(cè)添加三層聚乙烯防護(hù)結(jié)構(gòu)，防腐層的厚度在2.9 mm以上，閉關(guān)使用加強(qiáng)級防護(hù)。管線所處位置以丘陵為主，地勢的起伏非常大，所經(jīng)地區(qū)屬于二、三、四級地區(qū)，經(jīng)過長期運營管道依然保持穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)過事故。

（1）檢驗資料審查。管道檢驗工作開始之前，進(jìn)行資料審查工作。包括進(jìn)行管道設(shè)計資料、管道制造資料、安裝施工資料等審查，以及管道的竣工記錄；還需要審查管道完成建設(shè)后的使用記錄，管道運行期間的各項數(shù)據(jù)是否存在異常，包括壓力、流量、溫度等等。針對管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)，專門查看其是否存在運行故障，管道投入使用后的改造記錄，各項改造施工的方案、改造施工過程記錄等。對管道投入使用后的失效記錄進(jìn)行檢查，總結(jié)管道陰極保護(hù)出現(xiàn)失效的主要原因，失效后的管道運行狀況，發(fā)現(xiàn)失效之后對管道的管理和保護(hù)措施，以及管道運行后的日常檢驗記錄。經(jīng)過檢查，該管道的資料完整。

（2）制定檢驗方案。通過對資料的審查，初步確定管道的基本情況，已經(jīng)了解管道的使用年限、運行狀況，管道運行過程中的危險狀況，最后根據(jù)管道防護(hù)系統(tǒng)暴露出的故障和問題，制定改善和修理方案。

（3）人員和設(shè)備準(zhǔn)備。管道的檢查需要保證人員滿足需求，所以對人員開展資格審查工作，通過資格審查的人員需要繼續(xù)接受相關(guān)的安全教育，以及學(xué)習(xí)檢驗計劃，明確自身責(zé)任。所以檢驗設(shè)備在投入使用之前需要進(jìn)行檢查和校對，確保設(shè)備的精確性，并確保設(shè)備在使用壽命內(nèi)。

5.2 檢驗設(shè)備

該條管線的檢驗工作中，主要使用以下設(shè)備：探管儀，有效確定管道的位置和走向；數(shù)字接地電阻測量儀，能夠檢查犧牲陽極的電阻值；標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字萬用表，能夠測量管道的地電位、犧牲陽極的輸出電流；銅-飽和硫酸銅參比電極；檢測工具車輛、通信設(shè)備。

5.3 檢查項目

經(jīng)過資料檢查，該管道的施工竣工資料、設(shè)計資料都十分齊全，總共35 km的管線，設(shè)置了35個外加強(qiáng)制電流樁，以及5個犧牲陽極。從投入運營以來，始終保持穩(wěn)定的運營狀態(tài)，運行狀態(tài)十分穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)過事故。本次管道是管道投入使用之后的首次檢驗工作，主要進(jìn)行管道陰極保護(hù)狀況的檢查。通過地管道的外觀、各類參數(shù)進(jìn)行檢查，查看陰極保護(hù)是否滿足要求。

（1）陰極保護(hù)系統(tǒng)測試樁外觀檢查2對35個外加強(qiáng)制電流測試樁、5個犧牲陽極測試樁進(jìn)行檢查，有一處外加電流測試樁被埋，并發(fā)現(xiàn)一處外加電流測試樁損壞。

（2）外加強(qiáng)制電流參數(shù)測試。使用地表參比法、遠(yuǎn)參比法、近參比法、輔助電極法檢查管道的電位、保護(hù)電位。通過對管道的防腐結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，確定管道的三層聚乙烯防腐層具有非常好的防腐效果，并且地表參比法也很好地滿足測試需求。監(jiān)測工作中，必須要確保電極和土壤之間的有效接觸，并且根據(jù)需要合理調(diào)整量程，嚴(yán)格進(jìn)行各項測試參數(shù)的記錄。

（3）陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)測試。使用數(shù)字接地電阻測量儀，使用三角形布極法進(jìn)行測試犧牲陽極的接地電阻。測試接地電阻之前，需要切斷犧牲陽極和管道之間的聯(lián)系，之后沿著垂直于管線的方向設(shè)置一條電極，進(jìn)行接地電阻阻值的測量。

管地電位的測試中，需要測試管道的自然電位、犧牲陽極開路電位、管道保護(hù)電位等參數(shù)，在本次測試中，使用了數(shù)字萬用表結(jié)合參比電極CSE測試上述電位，獲得管道的電位數(shù)據(jù)。

測試犧牲陽極輸出電流時，使用數(shù)字萬用表結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)電阻的測試方式，所使用的標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值為0.1Ω，滿足準(zhǔn)確度0.02 的要求。標(biāo)準(zhǔn)電阻的兩個點和管道、犧牲陽極接線柱相連，兩個電位接線柱分別使用數(shù)字萬用表進(jìn)行電位測試，需要將數(shù)字萬用表設(shè)置為DC200 mV的量程，控制接線長度在1 m以內(nèi)，接線的截面積要在2.5 mm2以上，計算犧牲陽極的輸出電流。

5.4 檢驗結(jié)果討論

經(jīng)過對該廠長輸天然氣管道的資料審查，確定設(shè)計、制造、安裝等資料完整，管道運行過程中也有完整的記錄。在對陰極保護(hù)進(jìn)行外觀檢查時，存在一個外加強(qiáng)制電流測試樁被埋，機(jī)器強(qiáng)制電流測試樁損壞的情況。通過對該管道進(jìn)行參數(shù)測試，該管道的各項參數(shù)都滿足運行要求、管道埋地檢驗規(guī)程要求，5個犧牲陽極測試樁的電阻也滿足管道運行需要；通過對犧牲陽極測試樁進(jìn)行檢查，確定犧牲陽極的電流也滿足規(guī)范需要。因此該系統(tǒng)運行正常，能夠保護(hù)天然氣管道的穩(wěn)定，埋地管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)運行正常。但是為了保證管道的穩(wěn)定，仍然需要每年對管道進(jìn)行一次檢測。

6 結(jié)束語

長輸天然氣埋地管線是我國天然氣管線的主要運輸途徑，隨著我國社會發(fā)展，對能源需求逐漸提高，對天然氣管道的穩(wěn)定運行、安全管理都有著更高的要求。陰極防腐系統(tǒng)作為當(dāng)前長輸天然氣管道的主要防腐方式，其有效性是管道穩(wěn)定運行主要決定因素，必須通過陰極保護(hù)的有效性檢測，確定陰極保護(hù)的作用發(fā)揮效果。檢測過程中，應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，檢查長輸管道相關(guān)資料，合理選擇檢測設(shè)備，對電位、陽極輸出電流等項目進(jìn)行全面檢測，根據(jù)檢測結(jié)果加強(qiáng)防護(hù)，保障長輸天然氣管道的安全。