長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)電流流失解決措施研究與應(yīng)用

李佳軒 劉 濤 楊晨璐 汪怡心 李 虎 宋華榮

（塔里木油田分公司油氣運(yùn)銷事業(yè)部，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

電絕緣是陰極保護(hù)系統(tǒng)得以正常運(yùn)行的前提條件，因此對(duì)于采用陰極保護(hù)的長(zhǎng)輸管道，當(dāng)沿線站場(chǎng)、閥室進(jìn)出端絕緣接頭失效時(shí)，一旦站場(chǎng)、閥室內(nèi)設(shè)備的防雷防靜電接地與管道連通，將導(dǎo)致陰極保護(hù)電位發(fā)生異常波動(dòng)，而長(zhǎng)期處于欠保護(hù)狀態(tài)的管道腐蝕速率會(huì)大幅增加。對(duì)于無(wú)法停輸進(jìn)行絕緣接頭更換的管道，李立冬[1]通過(guò)在電氣、機(jī)械設(shè)備和接地網(wǎng)間加裝防爆型火花間隙，同時(shí)實(shí)現(xiàn)防雷接地和陰極保護(hù)需求；劉文會(huì)[2]使用電流環(huán)和鉗型電流表測(cè)量管道及設(shè)備部位的電流大小及方向，通過(guò)開挖確定搭接點(diǎn)位置，進(jìn)行絕緣處理；袁柱[3]通過(guò)在閥室接地設(shè)施中串入固態(tài)耦合器，導(dǎo)出感應(yīng)高電壓、阻擋陰極保護(hù)電流泄漏。

1 問題分析

南疆利民管網(wǎng)阿克蘇片區(qū)管線全長(zhǎng)約為585公里，其間設(shè)立有10座場(chǎng)站和19座閥室。管道被劃分為英喀干線、大北支線、大橋鄉(xiāng)支線、烏什支線、阿瓦提支線、一團(tuán)支線、二團(tuán)三團(tuán)支線和柯坪支線。管網(wǎng)采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)投用于2013年，包含恒電位儀、測(cè)試樁、輔助陽(yáng)極和參比電極，系統(tǒng)設(shè)置情況如圖1所示。

圖1 南疆利民管網(wǎng)阿克蘇片區(qū)陰保系統(tǒng)圖

GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：一般土壤和水環(huán)境下，最小保護(hù)電位Ep為-0.85V，管道限制臨界電位E1不應(yīng)比-1.20V更負(fù)[4]。所以南疆利民管網(wǎng)極化電位應(yīng)滿足-1.20V≤EIRfree≤-0.85V的要求。

在利用陰極保護(hù)數(shù)據(jù)對(duì)南疆利民阿克蘇片區(qū)2022年輸氣管道陰極保護(hù)效果進(jìn)行分析評(píng)估的過(guò)程中，根據(jù)極化電位-850mV準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管道極化電位處于-1.20V≤EIRfree≤-0.85V范圍的比率為86.7%，不滿足GB/T 21447-2018 《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》中“管道線路陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)率應(yīng)達(dá)到100%”[5]的要求，保護(hù)率求取見式（1）。

表1為2022年南疆利民管網(wǎng)極化電位統(tǒng)計(jì)表，數(shù)據(jù)顯示現(xiàn)存欠保護(hù)點(diǎn)分布在烏什支線和阿瓦提支線。以下通過(guò)對(duì)雜散電流干擾和陰極保護(hù)電流流失兩項(xiàng)可能導(dǎo)致電位異常的因素，排查造成保護(hù)電流不足的原因。

1.1 雜散電流干擾

SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：“當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位偏移20mV時(shí)，確認(rèn)為直流干擾。[6]”；GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：“當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施[7]”。依照于此，使用直流電位梯度法（DCVG）和交流電位梯度法（ACVG），對(duì)烏什支線和阿瓦提支線站場(chǎng)閥室開展測(cè)試，管線直流及交流電位監(jiān)測(cè)趨勢(shì)如圖2、圖3所示。

圖2 管線直流電位監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖

圖3 管線交流電位監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管線測(cè)試樁數(shù)據(jù)進(jìn)行交直流干擾測(cè)試，所得管線直流電位梯度較自然電位偏移量均＜20mV，管線交流電位梯度測(cè)試結(jié)果均＜4V，符合標(biāo)準(zhǔn)，故雜散電流干擾不是導(dǎo)致保護(hù)電流不足的原因。

1.2 陰極保護(hù)電流流失

1.2.1 施加電流測(cè)試

選取管道保護(hù)電位正常的大北支線3#閥室和管道保護(hù)電位異常的烏什支線E1#閥室作為測(cè)試對(duì)象，選取32#測(cè)試樁、74#測(cè)試樁作為信號(hào)加入點(diǎn)，輸出300mA電流信號(hào)，檢測(cè)電流通過(guò)兩閥室的走勢(shì)波動(dòng)情況如表2、表3及圖4、圖5所示。

表2 3#閥室前后電流統(tǒng)計(jì)表

表3 E1#閥室前后電流統(tǒng)計(jì)表

圖4 3#閥室前后電流趨勢(shì)圖

圖5 E1#閥室前后電流趨勢(shì)圖

如圖4、圖5對(duì)比可得：3#閥室前后陰極保護(hù)電流在不同電流施加下呈平穩(wěn)趨勢(shì)，E1#閥室前后陰極保護(hù)電流出現(xiàn)瞬時(shí)衰減情況，存在陰極保護(hù)電流流失，因此確認(rèn)其為造成管道保護(hù)電位異常的主要原因。

1.2.2 電流流失點(diǎn)確認(rèn)

確認(rèn)部分站場(chǎng)、閥室存在陰極保護(hù)電流流失情況后，考慮到南疆利民沿線站場(chǎng)、閥室內(nèi)設(shè)備均有防雷防靜電接地，故對(duì)阿克蘇片區(qū)管網(wǎng)的防雷防靜電接地進(jìn)行專項(xiàng)檢查確認(rèn)，接地拆除前后電位參數(shù)如表4所示。

表4 接地拆除前后電位參數(shù)比對(duì)表

經(jīng)測(cè)試防雷防靜電接地拆除前后的電位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中部分測(cè)試點(diǎn)兩組數(shù)據(jù)間存在差值，證明其發(fā)生了不同程度的電流流失，且電流流失點(diǎn)均位于站場(chǎng)/閥室進(jìn)出口氣液聯(lián)動(dòng)閥處。最終確認(rèn)站場(chǎng)/閥室進(jìn)出口氣液聯(lián)動(dòng)閥防靜電接地是造成管線達(dá)不到最小保護(hù)電位的直接原因。

2 問題解決

隔直排流[8]保護(hù)方式通常用于受交流干擾影響的埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)中，因其“阻直通交”的特殊性能，在此將其拓展用來(lái)解決電氣設(shè)備接地與陰極保護(hù)產(chǎn)生的矛盾。隔直排流裝置包括極化電池、鉗位式排流器、固態(tài)去耦合器等[9]，起到導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)交流干擾電流，防止陰極保護(hù)電流沿電氣接地流失的效果，還具備抗雷擊及故障電流沖擊的功能。

2.1 鉗位式排流器

鉗位式排流器由兩部分組成：正臂和負(fù)臂。如圖，正臂上串聯(lián)一只二極管，負(fù)臂上串聯(lián)兩只方向相反與正臂相反的二極管。正、負(fù)臂兩端壓降分別為0.7V和-1.4V[10]，電壓界于-1.4～0.7V的電流無(wú)法通過(guò)回路，利民管網(wǎng)正常管道陰極保護(hù)運(yùn)行電位為-1.2～-0.85V，因此能防止陰極保護(hù)電流流失，同時(shí)當(dāng)管道受到交流干擾電流影響時(shí)還能為管道提供額外的陰極保護(hù)電流。圖6、圖7為鉗位式排流器原理及安裝示意圖。

圖6 鉗位式排流器原理圖

圖7 鉗位式排流器安裝示意圖

2.2 固態(tài)去耦合器

固態(tài)去耦合器由電解電容、晶閘管、電感器和浪涌保護(hù)器組成[11]，其中晶閘管作為關(guān)鍵元件，決定直流電流通過(guò)的閾值，當(dāng)管道或設(shè)備和接地網(wǎng)兩端之間的電壓差達(dá)到該閾值時(shí)，固態(tài)去耦合器轉(zhuǎn)為直流短路狀態(tài)，及時(shí)排出故障電流避免設(shè)備受損。當(dāng)電壓差低于閾值時(shí)，固態(tài)去耦合器直流電流阻抗增大，起到防止陰極保護(hù)電流流失的作用。圖8、圖9為固態(tài)去耦合器原理及安裝示意圖。

圖8 固態(tài)去耦合器原理圖

圖9 固態(tài)去耦合器安裝示意圖

2.3 使用效果評(píng)價(jià)

為保證陰極保護(hù)效果，在已驗(yàn)證存在陰極保護(hù)電流流失的E1閥室和C1閥室處，分別安裝應(yīng)用較為廣泛的鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5、表6所示，兩者斷電電位及通電電位測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖10所示。

表5 鉗位式排流器運(yùn)行效果數(shù)據(jù)表

表6 固態(tài)去耦合器運(yùn)行效果數(shù)據(jù)表

圖10 斷電電位及通電電位測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由表5、表6和圖10分析可得，鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器運(yùn)行后，管地電位均由不保護(hù)狀態(tài)提升至正常保護(hù)范圍內(nèi)，能夠發(fā)揮防止陰極保護(hù)電流流失的作用。在鉗位式排流器運(yùn)行時(shí)，管道的通電電位與同支線測(cè)試樁采集數(shù)據(jù)平均值最大差值達(dá)169mV，斷電電位最大差值達(dá)166mV。表明加裝鉗位式排流器后對(duì)通電、斷電電位測(cè)試數(shù)據(jù)均有明顯影響，而固態(tài)去耦合器運(yùn)行時(shí)所測(cè)量的通電電位和斷電電位無(wú)明顯誤差。

管道及接地極直流電位和直流泄漏電流是評(píng)價(jià)直流隔離效果最直觀的測(cè)量參數(shù)[12]。在正常工作狀態(tài)時(shí)，管道和接地極的直流電位變化越小，直流泄漏電流越小，隔離性能越好，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 直流隔離性能參數(shù)對(duì)比表

如表7和圖11所示，在額定電壓下，鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器的最大直流電流漏流量分別為32.6mA、0.076mA，因此在正常運(yùn)行狀態(tài)下，固態(tài)去耦合器對(duì)陰極保護(hù)電流的防泄漏性更好。

圖11 直流漏流量對(duì)比圖

由于南疆利民陰極保護(hù)效果評(píng)估主要通過(guò)通電電位及斷電電位測(cè)試進(jìn)行，在固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器都能實(shí)現(xiàn)防止陰極保護(hù)電流流失的條件下，固態(tài)去耦合器對(duì)通斷電位測(cè)試的影響更小且保護(hù)效果更好。因此，選用固態(tài)去耦合器更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）輸氣管道站場(chǎng)、閥室中的設(shè)備電氣接地和絕緣失效均可能導(dǎo)致陰極保護(hù)電位異?，F(xiàn)象的發(fā)生，常見流失點(diǎn)包括：與管道連接形式為焊接的氣液聯(lián)動(dòng)閥、壓力變送器等現(xiàn)場(chǎng)儀表以及調(diào)壓撬等設(shè)備的接地，絕緣法蘭或絕緣接頭失效的放空管線，絕緣墊片缺失的儀表金屬撓性管?？赏ㄟ^(guò)依次斷開上述流失點(diǎn)連接的方式，觀察管道極化電位變化，排查確定陰極保護(hù)電流流失點(diǎn)；

（2）經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在設(shè)備接地線和接地網(wǎng)中間增設(shè)鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器，均能在既保證站場(chǎng)、閥室內(nèi)設(shè)備電氣接地達(dá)到要求的同時(shí)，還可確保陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

（3）接地極為鋅或鍍鋅扁鋼時(shí)，排流裝置兩端電壓差較小，斷電電位測(cè)試時(shí)固態(tài)去耦合器內(nèi)的電容放電量低，對(duì)斷電電位測(cè)試結(jié)果影響較小。此外，鉗位式排流器中的二極管由于存在伏安特性，直流漏流量相對(duì)較大。因此，相較于鉗位式排流器，固態(tài)去耦合器的直流隔離性能更好，更適合用于解決陰極保護(hù)電流流失的情況，也與主要通過(guò)測(cè)試樁直接測(cè)量斷電電位的陰極保護(hù)系統(tǒng)契合度更高。