關(guān)于航煤管道陰極保護(hù)系統(tǒng)故障的排查與處理

李紅文(海南太平洋石油實(shí)業(yè)股份有限公司，海南 三亞 572000)

0 引言

三亞鳳凰機(jī)場(chǎng)航油管道工程項(xiàng)目于2016 年5 月開(kāi)建，2017年1 月建成投用，截止2019 年12 月系統(tǒng)運(yùn)行期間，因外部雜散電流干擾、恒電位儀設(shè)備故障、陽(yáng)極床接地電阻增大、雷電入侵等因素引起管道陰極保護(hù)系統(tǒng)多次出現(xiàn)異常。本文通過(guò)對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的故障分析及處理，比較全面的找到故障原因，故障全部排除后恒電位儀輸出參數(shù)明顯優(yōu)化，管道得到有效陰極保護(hù)。

1 引起管道陰極保護(hù)系統(tǒng)故障的因素

(1)外部雜散電流干擾

由于管道埋設(shè)距離較長(zhǎng)，存在多處與高壓輸電線路和環(huán)島高鐵電氣化鐵路交叉或者平行敷設(shè)的情況。因此，金屬管道長(zhǎng)期存在由于高壓輸電線或電氣化鐵路電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓情況，因瞬間故障狀態(tài)(如短路、開(kāi)關(guān)沖擊等)下，管道上產(chǎn)生瞬間感應(yīng)電壓，容易引起管道陰極保護(hù)電位波動(dòng)。

(2)感應(yīng)雷入侵

恒電位儀參比電纜和零位接陰電纜未采用埋地敷設(shè)，易受感應(yīng)電壓和雷電過(guò)電壓侵入，造成設(shè)備損壞，這種損壞發(fā)生頻率較高，海南省三亞市區(qū)域?qū)儆诶纂婎l發(fā)地區(qū)，對(duì)電器設(shè)備而言防雷是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

(3)陽(yáng)極床接地電阻輸出不符合要求

恒電位儀運(yùn)行犧牲陽(yáng)極床采用淺埋方式敷設(shè)，且安裝的位置于海邊，土質(zhì)基本上為砂粒，三亞天氣少雨，造成土壤電阻率較高，特別是旱季更易導(dǎo)致陽(yáng)極床電阻升高，影響恒電位儀正常運(yùn)行。

2 故障分析排查

三亞鳳凰國(guó)際機(jī)場(chǎng)航煤管道，于2017 年1 月建成并投入使用。管道全長(zhǎng)6.7km，管道設(shè)計(jì)壓力2.4MPa,一般直管段管材D273×7.0，熱煨彎管及火車站段管材為管道規(guī)格為D273×8.0，材質(zhì)為L(zhǎng)245 無(wú)縫鋼管，全線采用埋地敷設(shè)。直管段管道外防腐采用3PE 加強(qiáng)級(jí)防腐層。管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，采用1 臺(tái)規(guī)格為 30V/10A 兩回路的交流供電恒電位儀，恒電位儀為一用一備(一體機(jī))，主機(jī)與備用機(jī)相互間通過(guò)恒電位儀控制臺(tái)連接、轉(zhuǎn)換。陰極保護(hù)站設(shè)在首站，全管段設(shè)有26 個(gè)陰極保護(hù)電位測(cè)試樁。

(1)感應(yīng)雷入侵

2017 年10 月、2018 年2 月、2018 年11 月和2019 年1 月，發(fā)生過(guò)4 次雷擊故障。進(jìn)一步分析4 次故障，電源防雷端防雷壓敏電阻損壞0 次；輸入輸出端1 級(jí)防雷壓模塊損壞0 次，輸入輸出端2 次防雷壓敏電阻損壞3 次；參比零位1 級(jí)防雷模塊1 次，參比零位2 次防雷壓敏電阻損壞4 次；恒電位儀電路板損壞2 次。

從故障的頻率和嚴(yán)重程度分析，每次故障有零位參比端防雷壓敏電阻燒損的現(xiàn)象，輸入輸出端防雷壓敏電阻損壞的頻次次之，其中2 次較為嚴(yán)重的故障導(dǎo)致恒電位儀電路板損壞，可以判斷是外部異常電壓入侵所致。

恒電位儀器設(shè)有5 處防雷器，其中電源1 處1 級(jí)(防雷壓敏電阻標(biāo)稱電壓：470V)，輸入輸出2 處2 級(jí)(1 級(jí)防雷壓敏電阻標(biāo)稱電壓：200V)，參比零位2 處2 級(jí)。

電源壓敏電阻標(biāo)稱電壓471V；防雷箱內(nèi)置防雷板，標(biāo)稱電壓：240V，壓敏電阻標(biāo)稱電壓200V；參比零位1 級(jí)防雷設(shè)備也是防雷箱，標(biāo)稱電壓：240V，2 級(jí)防雷也是壓敏電阻，內(nèi)置于恒電位儀零位參比接線端子內(nèi)，壓敏電阻標(biāo)稱電壓：82V。

圖1 埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)圖

從圖1 可以看出，輸恒電位儀的接線由5 組電纜組成，分別為：①輸入電源、②輸入陰極、③輸出陽(yáng)極、④零位接陰、⑤參比電極。輸入電源是由配電線路輸入的恒電位儀工作電源，由市電電源供電，輸出陰極是恒電位儀輸出的負(fù)端子，接至被保護(hù)物的通電點(diǎn)，輸出陽(yáng)極是恒電位儀的正端子，接至輔助陽(yáng)極床；零位接陰是恒電位儀電路的地端，接于被保護(hù)物通電點(diǎn)附近，參比電極是取樣信號(hào)輸入端，于埋設(shè)在通電點(diǎn)附近的參比電極相連接。

壓敏電阻的作用：壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，當(dāng)電源超出壓敏電阻的保護(hù)電壓，壓敏電阻會(huì)被擊穿，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

每次故障都找到參比零位的壓敏電阻燒損可以說(shuō)明此路收到外來(lái)電壓入侵，電源端的防雷從未出現(xiàn)損壞，可以排除電源電壓的原因，根據(jù)各級(jí)防雷電阻的防護(hù)電壓等級(jí)和損壞頻次，可以得出外部入侵電壓基本上大于240V 的范圍，這種范圍的電壓是感應(yīng)雷的可能性很大。

實(shí)測(cè)恒電位儀接地網(wǎng)電阻為6Ω，根據(jù)防雷要求小于10Ω，說(shuō)明接地電阻符合要求。由于設(shè)備安裝于雷電頻發(fā)環(huán)境，雷電入侵損壞因素一直存在且根本無(wú)法消除，只能在原有設(shè)備防雷的基礎(chǔ)上，增加同更高防護(hù)等級(jí)的防雷設(shè)備，根治辦法為重新選址搬移重建。

(2)陽(yáng)極床接地電阻輸出不符合要求

2019 年3 月14 日，管道陰保系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓超出額定電壓(額定電壓30V)，設(shè)備報(bào)警并自動(dòng)切到“恒電流”模式運(yùn)行，人工切換回2 號(hào)機(jī)同樣存在設(shè)備輸出電壓超出額定電壓而無(wú)法正常工作情況。

比對(duì)分析設(shè)備運(yùn)行記錄(見(jiàn)圖2)，2016 年12 月，新陽(yáng)極床接地電阻驗(yàn)收值為7Ω，在同為旱季的情況下，2019 年3 月，陽(yáng)極床電阻最大值達(dá)16.4Ω，陽(yáng)極床電阻逐漸在增大； 2016 年12月恒電位儀的輸出電壓電流為3.824V/0.498A，2017 年12 月輸出電壓電流為9.488V/0.773A，2018 年12 月輸出電壓電流22.178V/1.692A，恒電位儀的輸出電壓逐漸在增大。

圖2 陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)圖

斷開(kāi)陽(yáng)極床電纜，將犧牲陽(yáng)極棒投入海水里作為臨時(shí)陽(yáng)極床，用電纜接入恒電位儀，恒電位儀投入運(yùn)行平穩(wěn)，顯示電壓電流為3.487V/2.337A，理論推算出臨時(shí)陽(yáng)極床電阻1.49Ω，這個(gè)阻值小于標(biāo)準(zhǔn)值4 歐姆。 當(dāng)陽(yáng)極床接地電阻降低，符合恒電位儀廠家設(shè)計(jì)參數(shù)要求時(shí)，恒電儀輸出參數(shù)平穩(wěn)，運(yùn)行正常。

咨詢恒電位儀生產(chǎn)廠家、陰保系統(tǒng)安裝單位及行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家，初步認(rèn)為設(shè)備選型、材料選擇、安裝施工等基本按設(shè)計(jì)圖紙及說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，根本原因是陽(yáng)極床選址存在不足，陽(yáng)極床安裝位置地下2 米以下全部為砂子，水分流失嚴(yán)重，陽(yáng)極床電阻相對(duì)偏高，特別在旱季電阻更高。且陽(yáng)極床距離海邊不足100米，鹽分較大，氯離子對(duì)陽(yáng)極床高硅鑄鐵陽(yáng)極表面容易造成腐蝕，影響接地性能。

分析排查結(jié)論，輸出電壓超標(biāo)原因主要是陽(yáng)極床接地電阻過(guò)高，恒電位儀輸出電壓超出額定電壓導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作，根本原因是陽(yáng)極床安裝位置選址存在問(wèn)題。

3 故障處置

為解決恒電位儀安裝環(huán)境雷電入侵頻繁，以及陽(yáng)極床輸出電阻過(guò)高影響恒電位儀正常工作等問(wèn)題，公司委托有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重新選址，經(jīng)多次測(cè)試比對(duì)安裝位置的土壤電阻率，最終批準(zhǔn)將安裝于管道首端(碼頭)的恒電位儀搬遷至管道末端(機(jī)場(chǎng)油庫(kù)機(jī)房)，在庫(kù)區(qū)西側(cè)綠化用地內(nèi)新建陽(yáng)極床、敷設(shè)陰極保護(hù)電纜及系統(tǒng)綜合調(diào)試等內(nèi)容的設(shè)計(jì)方案。

陰保站陽(yáng)極床遷改項(xiàng)目于2019 年8 月9 日進(jìn)場(chǎng)施工，歷時(shí)13 天，共完成30 支預(yù)包裝高硅鑄鐵陽(yáng)極安裝、1 處通電點(diǎn)安裝、1 座陰保站投產(chǎn)測(cè)試，于2019 年8 月21 日完成初步驗(yàn)收，并開(kāi)始進(jìn)行試運(yùn)行，施工過(guò)程情況見(jiàn)圖3、圖4 和圖5。

圖3 匯流點(diǎn)安裝

圖4 輔助陽(yáng)極安裝

圖5 管道陰極保護(hù)系統(tǒng)遷改安裝示意圖

4 遷改后效果分析

(1)防雷措施有效，恒電位儀運(yùn)行正常。

1)恒電位儀現(xiàn)安裝機(jī)房建筑物防雷措施有效，機(jī)房建筑物東西兩側(cè)接地電阻均低于6Ω，并機(jī)房且向南20 米，向北40米，各安裝1 支25 米高專用避雷塔(原有)，避雷塔接地電阻低于4Ω，能夠防范一般直擊雷和感應(yīng)雷的入侵危害。

2)2019 年8 月遷改完成后，截至2019 年12 月，未發(fā)現(xiàn)恒電位儀相關(guān)壓敏電阻遭受雷電入侵現(xiàn)象，恒電位儀運(yùn)行正常。

(2)恒電位工作參數(shù)明顯優(yōu)化，達(dá)到項(xiàng)目改造要求。

1)2019 年3 月，舊陽(yáng)極床故障期間，陽(yáng)極床接地電阻最大值為16.4Ω，恒電位儀輸出電壓超過(guò)額定電壓30V,設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)。

2)2019 年8 月，舊陽(yáng)極床遷改后，陽(yáng)極床接地電阻為2.6Ω，恒電位儀輸出電壓和電流為4.37V/1.377A,設(shè)備運(yùn)行正常，輸出參數(shù)滿足生產(chǎn)廠家該型號(hào)(30V/10A)恒電位儀說(shuō)明書(shū)要求。

(3)全線通電電位波動(dòng)幅度平穩(wěn)，管道陰極保護(hù)得到改善。

SONG Shao-hua, XU Chun-yang, GUO Meng, LIU Fang, DING Guo-shan, WANG Quan-xing, FU Zhi-ren

1)對(duì)比通電電位趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖6)，整條管道的保護(hù)電位較為平均，無(wú)明顯突變現(xiàn)象。

圖6 通電電位曲線圖

2)遷改后，組織3 次全線通電電位測(cè)試，管道保護(hù)電位平均最大電位差為0.3615V 左右，保護(hù)電流沒(méi)有嚴(yán)重流失現(xiàn)象，說(shuō)明陰極保護(hù)得到較大改善。

(4)斷電保護(hù)電位結(jié)果明顯優(yōu)化，可以判斷管道全線電位處于陰保系統(tǒng)有效保護(hù)范圍內(nèi)。

1)2019 年9 月，在預(yù)置電壓為1.5V，設(shè)備自動(dòng)斷電測(cè)試條件下，測(cè)試結(jié)果為，26 個(gè)電位測(cè)試點(diǎn)均高于-0.85V,變化幅度明顯收窄(見(jiàn)圖7)。

圖7 斷電電位曲線圖

2)為下一步需規(guī)范斷電電位測(cè)試工作，預(yù)置電壓為1.5V，設(shè)備自動(dòng)斷電等測(cè)試條件不得隨意變更，測(cè)試儀表必須完好并合格有效，每個(gè)測(cè)試樁測(cè)試位置相對(duì)固定，測(cè)試人員相對(duì)固定，對(duì)出現(xiàn)明顯電位波動(dòng)的測(cè)試樁應(yīng)組織重測(cè)并重點(diǎn)分析產(chǎn)生原因。

5 管道陰保系統(tǒng)管理注意事項(xiàng)

長(zhǎng)輸管道通常采用埋地方式敷設(shè)，穿越地段地形復(fù)雜，土壤會(huì)對(duì)管道造成不同程度的腐蝕，腐蝕是管道長(zhǎng)期損傷的主要方式，會(huì)造成管道強(qiáng)度降低，嚴(yán)重威脅其安全運(yùn)行，通常采用管道外防腐和陰極保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)合保護(hù)措施防范管道腐蝕。要確保管道陰極保護(hù)系統(tǒng)起到保護(hù)作用，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)過(guò)程

1)在長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目可研階段，應(yīng)采取地質(zhì)勘探、土壤電阻率比對(duì)等措施，科學(xué)選擇陰保系統(tǒng)陽(yáng)極床安裝位置。

2)分析當(dāng)?shù)貧v史雷電危害情況，對(duì)恒電位儀安裝場(chǎng)所采取有效防雷措施。

(2)施工過(guò)程

1)焊接安裝前應(yīng)對(duì)管道防腐層測(cè)試驗(yàn)收，確保符合設(shè)計(jì)要求；

2)對(duì)熱煨彎管、管道支管等非一般管段，除對(duì)管道防腐層測(cè)試驗(yàn)收外，還應(yīng)進(jìn)行鋼管材質(zhì)、焊接質(zhì)量等專項(xiàng)檢查；

3)埋設(shè)回填前，必須用電火花檢測(cè)儀進(jìn)行全面分段復(fù)檢驗(yàn)收合格，特別應(yīng)關(guān)注焊接補(bǔ)口段的絕緣效果，回填過(guò)程應(yīng)全程監(jiān)控，防止堅(jiān)硬物質(zhì)(石塊、金屬等)損傷管道防腐層。

4)管道陰保系統(tǒng)調(diào)試期間，重點(diǎn)測(cè)試陽(yáng)極床接地電阻和全線保護(hù)電位，確保各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，管道得到有效保護(hù)。

(3)運(yùn)行過(guò)程自檢維護(hù)

1)定期對(duì)恒電位儀、保護(hù)電壓、保護(hù)電流、絕緣接頭等設(shè)備設(shè)施檢查測(cè)試。

2)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)及時(shí)匯總分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)異常，各級(jí)技術(shù)管理人員應(yīng)具有一定的敏感性和警惕性，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)盡早組織測(cè)試及處置，消除管道可能存在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，確保管道運(yùn)行正常。

(4)管道完整性體系管理

1)建立符合本公司管道實(shí)際情況的管道完整性管理體系。

2)運(yùn)行維護(hù)好管道完整性管理體系，切實(shí)控制好管道第三方損壞、管道內(nèi)外腐蝕等主要風(fēng)險(xiǎn)，確保體系運(yùn)行有效。

6 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)輸管道運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)每天檢查并記錄恒電位儀運(yùn)行參數(shù)，定期測(cè)量管道陰極保護(hù)電位，若發(fā)現(xiàn)保護(hù)電位等運(yùn)行參數(shù)異常波動(dòng)，應(yīng)盡早查明原因，并采取處理措施，及時(shí)消除管道可能存在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，確保管道陰保系統(tǒng)運(yùn)行正常，管道得到有效保護(hù)。