埋地輸氣管道陰極保護系統(tǒng)故障分析及防治措施

趙森，李慧瑤，贠智強，畢海勝，張慶雷，苗嘉旭，李保平

(1. 山東實華天然氣有限公司，山東 青島 266000；2.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；3. 浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州 310000)

埋地輸氣管道在土壤腐蝕和交、直流雜散電流干擾雙重作用下，發(fā)生腐蝕泄漏甚至穿孔的風險日益增加。外防腐層結(jié)合強制電流陰極保護是埋地輸氣管道最重要的防腐措施[1]，管道防腐層破損以及陰極保護系統(tǒng)故障直接影響到陰極保護的效果[2]。因此，對管道陰極保護系統(tǒng)排查故障并及時有效修復，有利于降低管道運行風險，保障管道平穩(wěn)運行。以實華輸氣管網(wǎng)兩段總長約17 km管道檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別從陰極保護設(shè)備、陰極保護有效性、雜散電流干擾測試、陽極接地電阻測試等方面進行分析，排查故障并采取相應的有效措施，降低管道運行風險，保障輸氣管網(wǎng)的運行安全。

1 測試管道概況

兩段現(xiàn)場測試的埋地輸氣管道具體參數(shù)見表1所列。

表1 測試管道參數(shù)

2 陰極保護系統(tǒng)設(shè)備檢測分析

2.1 強制電流陰極保護系統(tǒng)

管道陰極保護恒電位儀和站場恒電位儀檢測數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2所列。

表2 恒電位儀檢測數(shù)據(jù)

斷開管道恒電位儀現(xiàn)場輔助陽極并接至備用機，啟用恒電位儀故障判斷程序[3]檢測恒電位儀，在手動調(diào)節(jié)步驟中未能輸出電壓、電流時，說明存在故障。

20 V/5 A型恒電位儀輸出電流正常范圍為0.1～0.2 A，輸出電壓為1.9～2.1 V，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)管道恒電位儀的電流和電壓輸出存在顯著偏大的異常情況。

此外，由于輸氣管道與其他金屬管道存在搭接風險、閥門井積水等問題造成的短路現(xiàn)象，交、直流雜散電流干擾及飽和硫酸銅參比電極(CSE)存在失效造成的CSE示數(shù)不準確，都會導致恒電位儀輸出變大[4]。

2.2 電絕緣裝置

檢測陰極保護管道絕緣接頭及絕緣保護裝置復合火花間隙9處，檢測結(jié)果見表3所列。

表3 絕緣接頭絕緣性能檢測及分析 mV

將站場陰極保護設(shè)備關(guān)閉，采用電位法[5]測試管道絕緣接頭性能，檢測發(fā)現(xiàn)門站進氣管線火花間隙擊穿。表明門站進氣管線處絕緣接頭保護器火花間隙在正常情況下仍處于導通狀態(tài)，致使管道陰極保護電流向工藝站場內(nèi)管道及其他非陰極保護的管道或金屬結(jié)構(gòu)流失，急需將該處絕緣接頭保護器火花間隙進行更換，絕緣裝置設(shè)置位置需盡可能地避免形成電凝析液或者游離水積聚[6-8]。

3 陰極保護有效性檢測分析

3.1 線路陰極保護有效性

檢測進站管線的4個測試樁、輸氣管網(wǎng)的8個測試樁以及分輸站1處測試箱的陰極保護參數(shù)，結(jié)果見表4～6所列。

表4 輸氣管線通電電位檢測及評定 mV

表5 輸氣管線斷電電位檢測及評定 mV

表6 輸氣管線自然電位、交流電壓檢測及評定 mV

根據(jù)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》[9]，管道保護電位正常范圍在-850～-1 200 mV，自然電位參考值為-650～-400 mV[10-11]，檢測結(jié)果顯示表4中門站附近、博興輸氣站附近、博興輸氣站測試箱三處電位數(shù)據(jù)異常。

門站附近管道自然電位本身異常，通電電位和斷電電位均與自然電位相同，表明通電后管道并沒有受到外加強制電流的作用，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)9號測試樁附近的測試電纜斷裂，無法正確監(jiān)測與測試管道陰極保護參數(shù)。管道12號測試樁處通電電位負值偏大，管道處于過保護狀態(tài)。管道陰極保護長期過負電位將進一步導致防腐層出現(xiàn)陰極剝離、鼓泡，甚至管體氫脆現(xiàn)象發(fā)生[12-14]。而輸氣站測試箱處通電電位正值偏大，管道處于欠保護狀態(tài)，局部輸氣管道沒有得到有效保護。

對恒電位儀輸出電流和電壓進行為期4個月的數(shù)據(jù)采集，輸出電流、電壓變化情況如圖1所示，由圖1可以看出，恒電位儀電流、電壓輸出異常，呈無規(guī)律性變化[15]，呈現(xiàn)出雜散電流干擾特征。進一步通過現(xiàn)場進站管道和輸氣管網(wǎng)兩部分保護管道檢測發(fā)現(xiàn)，當斷開輸氣管網(wǎng)的保護時，輸出電流基本不變，證明輸出電流主要施加在了進站管線上，博興輸氣站附近存在較明顯的雜散電流干擾。

圖1 恒電位儀電流、電壓輸出變化曲線示意

3.2 工藝站場區(qū)陰極保護有效性

工藝站場區(qū)通電電位檢測數(shù)據(jù)見表7所列。

表7 工藝區(qū)通電電位檢測記錄 mV

根據(jù)檢測結(jié)果分析，工藝區(qū)內(nèi)陰極保護符合設(shè)計要求，滿足文獻[9]的要求。

4 陽極地床接地電阻檢測分析

使用ZC29B-1型接地電阻測試儀對陽極地床接地電阻進行檢測，測量數(shù)據(jù)為1.75 Ω，滿足陰極保護系統(tǒng)工作要求[16]，工作狀態(tài)良好。

5 結(jié)論與措施

1)恒電位儀的故障分為本機故障和現(xiàn)場故障兩類，本機故障主要是指其內(nèi)部電路及電子元件損壞造成的故障，由于恒電位儀加自控裝置設(shè)備較復雜，易受外界干擾，因此故障發(fā)生頻率較高，須定期對運行機與備用機進行切換運行和維護保養(yǎng)，兩項工作均以每月1次為宜。此外，陰極保護中強制電流裝置也可替換為整流器，與恒電位儀相比，整流器具有價格低、易維護、易控制等優(yōu)點。

2)絕緣接頭性能變差，會導致陰極保護電流流失、有效保護范圍變小、站場附近管道極化電位偏低等問題，因此需對其進行定期檢測，通常采用為電位法、PCM漏電率測量法[17-18]等，當絕緣接頭性能失效時，應及時更換。

3)該公司所處地區(qū)工業(yè)發(fā)達，高壓/超高壓輸電線路接地裝置設(shè)置較密集，易出現(xiàn)雜散電流干擾。雜散電流干擾的特點是當干擾源出現(xiàn)時，大量電流流出，恒電位儀輸出電流變大，電流流出點電位偏正，管道處于欠保護狀態(tài)；當干擾源消失時，系統(tǒng)又恢復正常。

4)陰極保護電位是檢測陰極保護有效性的重要手段，主要采用陰極保護電位-850～-1 200 mV準則和100 mV極化準則進行判斷[19-20]。此外，對于運行多年的舊管線和3PE防腐層管線，在保護電位達標的情況下，由于防腐層發(fā)生剝離以及3PE補口部位老化失黏，保護電流因防腐層的屏蔽作用而無法到達管體，在保護電位范圍內(nèi)管道仍可能發(fā)生腐蝕。

5)陽極地床接地電阻通常在1～3 Ω左右，若陽極地床接地電阻過大不僅會導致電流內(nèi)耗過大，能耗增加，而且還會使得陰極保護恒電位儀無法正常工作。實踐發(fā)現(xiàn)，某些陰極保護站的陽極接地電阻大于10 Ω時，恒電位儀不能正常工作。

6 結(jié)束語

強制電流陰極保護是埋地油氣管道重要的防腐措施，定期檢測管道陰極保護系統(tǒng)，并及時采取措施修復系統(tǒng)存在的故障；同時，管道陰極保護系統(tǒng)故障全方位感知和故障判別準則也為智能化陰極保護及智能決策奠定了必要的基礎(chǔ)，這對于提高陰極保護的效果，保障埋地輸氣管道安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。