提高站場區(qū)域陰極保護效果實踐與認知

陳　波　李　果　林　濤　嵇　翔　楊甲強　譚新平

1. 中國石油塔里木油田公司塔里木能源分公司,　新疆　庫爾勒　841000; 2. 中國石油塔里木油田公司塔中油氣開發(fā)部,　新疆　庫爾勒　841000

0　前言

目前,金屬油氣管網(wǎng)面臨的腐蝕風險不斷增加,引起了油氣管道管理者的廣泛重視,在管道腐蝕控制方面,陰極保護技術發(fā)揮著越來越重要的作用。陰極保護技術的基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流,使其產(chǎn)生陰極極化保護,當金屬的電位負于某一電位時,腐蝕過程就會得到有效抑制[1]。站場陰極保護技術在石油系統(tǒng)已經(jīng)全面推廣,已建站場也逐步增加了站場區(qū)域陰極保護,并取得了顯著的防護效果與經(jīng)濟效益[2-3]。陰極保護工程是一個集設計、施工、運營為一體的系統(tǒng)工程,任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,都會造成保護系統(tǒng)癱瘓[4]。

1　接地系統(tǒng)造成陰極保護電流損耗

陰極保護總電流主要由土壤電阻率、含氧量、被保護設施防腐層形式以及設備接地方式等因素共同決定[5]。哈四聯(lián)合站建站初期未考慮扁鋼、角鋼組成的全裸接地網(wǎng)對陰保系統(tǒng)的影響,導致保護電流大量漏失,造成部分恒電位儀超負荷運行(保持恒電流輸出狀態(tài)),恒電位儀僅起到類似整流器極化電源的作用,恒電位功能得不到發(fā)揮,設備處于欠保護狀態(tài)。后期將原扁鋼接地改造為鋅合金接地極,共計45處90支鋅合金陽極[6],采用鋅合金等具有比管道電位更負電位的金屬材料接地,石油瀝青防腐,有效阻止了保護電流流失,可以起到陰極保護和防雷接地的雙重作用[7-8],保護效果有所轉好。這說明陰極保護設計過程中,需要根據(jù)保護對象具體情況,合理確定陰極保護電流總量,防止恒電位儀輸出電流裕量過大或過小,造成設備浪費或超功率損壞以及陽極生命周期縮短。

2　犧牲陽極與外加電流協(xié)同保護方案

3　加強施工質量監(jiān)督與工程驗收

雖然陰極保護系統(tǒng)方案、參數(shù)設計好壞與否是關鍵,但陰極保護作為一個系統(tǒng)工程,本身組成部件較多,并且大多數(shù)埋于地下,如參比電極、連接電纜、絕緣法蘭等,其中任何一個部位存在施工或質量問題,都會影響整個系統(tǒng)的防腐效果,造成系統(tǒng)保護電位異常,甚至系統(tǒng)癱瘓。

3.1　長效參比電極現(xiàn)場校準不到位

預埋長效參比電極質量問題及工程施工質量差,均會造成輸出電位異常,導致恒電位儀無法正常工作。如哈四聯(lián)合站陰極保護系統(tǒng)建設過程中,未對長效參比電極進行校準與準確性確認。后期陰極保護系統(tǒng)大檢查時,發(fā)現(xiàn)兩處恒電位儀參比電極過早損壞,硫酸銅大量溢出,導致電位漂移過大,出現(xiàn)恒電位儀超負荷運行情況。通過測量發(fā)現(xiàn),其它長效硫酸銅參比電極測出來的電位值同樣存在不同程度的“正負漂移”現(xiàn)象,最大偏差達150 mV。參比電極提供假信號會使恒電位儀運行異常,存在被保護設施發(fā)生陰極剝離、恒電位儀過流損壞風險。

3.2　電纜施工與設計不符影響調試

均壓線、陰陽極通電線等連接電纜是陰極保護系統(tǒng)信號和電流的傳輸紐帶。如果各連接電纜出現(xiàn)施工問題或者實際連接點與設計圖紙不相符合,會給站內調試、電位均衡帶來不確定因素,無法調節(jié)保護電位,甚至出現(xiàn)“南轅北轍”的結果。如哈四聯(lián)合站早期3#與4#兩臺恒電位儀,與原來設計保護對象的深井陽極正好接反,當調大3#恒電位儀的輸出電流時,實際上3#恒電位儀所轄的保護對象保護電流并未增大,造成受4#恒電位儀保護的設備保護電位過負,最低時達到-1.53 V,極易誘發(fā)管線鋼的氫脆和防腐層的陰極剝離。與此類似,在哈四聯(lián)合站后期陰極保護系統(tǒng)大調查中先后發(fā)現(xiàn)6處均壓線搭接點、陰極通電點的絕緣處理不合格以及搭接點位置與相關設計不符,造成陰極電流損失嚴重,保護區(qū)域交叉,不符合陽極井與陰保區(qū)域就近保護的原則,恒電位儀做功大小相差甚遠,調節(jié)不便。出現(xiàn)這種錯誤的關鍵在于施工時各環(huán)節(jié)沒銜接好，且缺乏必要的檢查。

3.3　絕緣法蘭絕緣性能差造成系統(tǒng)干擾

目前輸氣管網(wǎng)中大多采用絕緣接頭裝置來實現(xiàn)電絕緣,以達到提高管道陰極保護效率和隔斷雜散電流干擾的目的。作為陰極保護系統(tǒng)抗干擾設計的關鍵設備之一,絕緣接頭質量的優(yōu)劣直接決定相關陰極保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。對站內13處絕緣法蘭進行絕緣性能測試,發(fā)現(xiàn)11處絕緣法蘭的2個法蘭片均處于導通狀態(tài),絕緣法蘭兩側的電位很接近,絕緣性能差。絕緣法蘭性能差,造成陰極保護電流的散失,給站內陰極保護電位達標增加難度。多處絕緣法蘭在短時間內同時失去良好絕緣性能,說明絕緣法蘭本身存在嚴重質量問題。這一教訓提示我們,需要重視每一個環(huán)節(jié),嚴格抽檢。

陰極保護是一個系統(tǒng)工程,保護效果的好壞不僅與工藝方案有關,與施工質量也存在密切關系,一定要嚴把施工質量關,對已建站場宜采用分步施工、分步投運的方法。施工過程中,每道工序檢驗合格后方可進行下一道工序,將質量隱患最大限度地消除在建設期間,從源頭消除施工質量問題,避免回填后調試期間出現(xiàn)問題而疲于整改。

4　流程改造影響陰極保護穩(wěn)定運行

根據(jù)工藝生產(chǎn)需要,常對相關流程進行搭接改造。管線的搭接經(jīng)常會使本該獨立的兩個或多個陰極保護系統(tǒng)實現(xiàn)電流上的連通,造成互相干擾。需對系統(tǒng)進行全面測試才能確定干擾程度及是否需要添加絕緣法蘭,并根據(jù)測試結果進行相關調整。如哈四聯(lián)合站根據(jù)油田生產(chǎn)需要,將萬方罐改造為水罐使用,使萬方罐水出口管線直接與污水匯管連接。改造完畢后對系統(tǒng)進行全面的電位測試,發(fā)現(xiàn)萬方罐區(qū)域保護電位過負,某些點電位低至-1.5 V左右,控制萬方罐區(qū)域的恒電位儀輸出僅為1 A,而污水保護系統(tǒng)恒電位儀電流較以往增加10 A。通過分析可知,萬方罐水出口管線直接與污水匯管連接,造成陰極系統(tǒng)的互相干擾,最后在連接點加裝絕緣法蘭,電位恢復正常。

5　高電阻降IR影響保護電位評價

陰極保護電位測量中的電阻降IR會影響電位測量結果,測得的電位包括電流流過金屬和土壤時產(chǎn)生的電阻降IR,且IR降有的幾十甚至高達幾百毫伏,難以準確判斷管道的欠保護或過保護情況[12-13]。對哈四聯(lián)合站的電阻率進行選點測試,共選取26個測量點,平均電阻率達到43.1 Ω·m,部分測量點電阻率甚至超高至188 Ω·m。高電阻降IR給管線保護電位的準確測量帶來麻煩。如哈一聯(lián)合站至哈四聯(lián)合站的原油輸送管線,沿線7個測試樁保護電位一直介于-2 290～-2 370 mV(CSE)之間。為分析電位過負是由外界電流干擾引起還是測試方式不妥造成,特委托北京安科管道工程科技有限公司對該管線7#測試樁進行近參比斷電測試,發(fā)現(xiàn)7#測試樁的實際電位為-1 180 mV,尚在SY/T 6964-2013 《石油天然氣站場陰極保護技術規(guī)范》的允許范圍內[14];而用常規(guī)的便攜式參比電極直接測量,其值為-2 290 mV。以上誤差均由沙土過干、電阻率過大,造成測量中的電阻降IR過大所致,針對電阻率過高的鹽漬土環(huán)境,需要充分考慮土壤高電阻率對便攜式參比電極測量帶來的測量誤差。系統(tǒng)最初設計時,盡可能采用埋地長效硫酸銅參比電極,減少各個監(jiān)測點的測量誤差,從而合理調整恒電位儀的電流輸出,盡量防止管道出現(xiàn)欠保護工況。

6　加強后期運營維護及故障處理

與管道干線陰極保護相比,區(qū)域陰極保護回路復雜,需經(jīng)過反復調試,后期應分區(qū)域、分裝置、分設備進行調整[15-16],后期的管理維護是陰極保護系統(tǒng)平穩(wěn)運行的保障。哈四聯(lián)合站一期工程初期投運保護效果不是太好,加上后期的運行維護不到位、不夠重視,運行工況進一步惡化,造成系統(tǒng)癱瘓,完全無法正常使用。哈四聯(lián)合站不斷總結運行維護經(jīng)驗,制定并實施陰極保護管理技術規(guī)程,對保護電位、絕緣法蘭、土壤電阻率、接地電阻進行周期性檢測,及時調整陰極保護系統(tǒng)保護電位,發(fā)現(xiàn)需維護特殊管段、識別防護層破損情況。哈四聯(lián)合站通過嚴格執(zhí)行技術規(guī)程,及時發(fā)現(xiàn)并處理4處欠保護點、更換絕緣法蘭1對以及處理恒電位故障3次,為設備全面保護提供了有力保障。

另外,當參比電極處于沙漠、戈壁、荒灘等土壤干燥環(huán)境時,其參比電極內溶液中的水分易流失,溶液干涸,硫酸銅結晶,內部無電解液,無法形成電極,造成長效參比電極的作用失效[17]。失效參比電極會導致恒電位儀的反饋保護電位信號大幅度波動,使得恒電位儀過多出力,或者功能失效。哈四聯(lián)合站采取給長效參比電極定期通灌水的方式合理解決此類問題。

通過以上措施,哈四聯(lián)合站陰極保護效果得到實質

表1哈四聯(lián)測試點腐蝕電位與保護電位測量結果

單位:V

7　結論

1)合理確定保護電流密度等相關設計參數(shù),制定具有針對性的陰極保護方案消除屏蔽效應是建設經(jīng)濟高效的站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的基礎。

2)嚴格按標準規(guī)范的技術要求進行工程施工,確保施工質量,減少質量隱患,控制陰極保護系統(tǒng)施工質量是提高后期系統(tǒng)調試、運行效果的關鍵所在。

3)站場工藝流程改造會對陰極保護系統(tǒng)造成潛在威脅,工藝流程的設計改造必須與陰極保護系統(tǒng)同時分析、同時施工、同時投運,減少系統(tǒng)的干擾與后期再次改造的困難。

4)對于土壤電阻率較高的干燥地區(qū),通電電位測量中包含了高土壤電阻降IR,陰極保護系統(tǒng)保護效果的測試分析過程中,應消除高土壤電阻降IR的影響,以此獲得真實的測試數(shù)據(jù),便于獲得準確可信的保護效果評價結果。

5)對陰極保護系統(tǒng)相關參數(shù)進行檢測、跟蹤與分析,及時判斷陰極保護系統(tǒng)的運轉狀況,并采取合理的調整與故障處理措施,后期的精心運行維護為陰極保護系統(tǒng)的全面達標運行提供有力保障,保持系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

6)哈四聯(lián)陰極保護系統(tǒng)遇到的問題,是站場區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的普遍問題,其解決方案可為同行提供借鑒。