站內外管道聯合陰極保護方法的原理及應用效果

王磊磊,舒 亮,葉建豹,陳玉亮,王小虎,劉金福

(1.國家管網集團西氣東輸分公司,上海 200120; 2.中石油天然氣股份有限公司天然氣銷售南方分公司,廣州 510220)

陰極保護是一種對埋地鋼質構筑物行之有效的腐蝕防護方式，在油氣管道行業已成熟應用，為埋地高壓管道的安全運行發揮了巨大的作用。恒電位儀是目前最常用的強制電流陰極保護的電源設備。在運行中，恒電位儀根據通電點附近長效參比電極(銅/硫酸銅電極,CSE)測得的管道通電電位變化，自動、實時地調整輸出，將通電點管道電位控制在預置的電位數值。

近年來，國內城市軌道交通的大力發展對埋地管道造成了越來越嚴重的動態直流干擾。在動態直流干擾嚴重區段，由于通電點反饋給恒電位儀內部控制單元的通電電位波動劇烈，超出了恒電位儀的控制范圍，如圖1所示，造成恒電位儀自動轉恒流輸出或者關機，由此對全線的陰極保護造成影響。

圖1 受地鐵動態直流干擾的通電電位波動

管道上較高的交流電壓也可能對恒電位儀的運行造成影響。在較高的外部交流干擾電壓下，恒電位儀可能無法開機或無法以恒電位方式穩定運行；如果恒電位儀長期在較高的交流干擾電壓下工作，其內部元件會發熱、燒毀，引起安全事故或造成陰極保護系統癱瘓。國內相關標準中對陰極保護電源設備的抗干擾基本要求是：抗電強度1 000 A，抗工頻干擾電壓30 V[1]。

站內外管道聯合陰極保護(聯合陰極保護)是近年來國內管道界應對恒電位儀受外部干擾問題的一種新方法。該聯合保護方式采用電纜或可調電阻對絕緣裝置進行跨接，如圖2所示，將站場或閥室內埋地金屬結構及站外管道作為一個整體，由站內和站外的陰極保護電源進行聯合保護。該方法利用站場內接地網的低電阻通道，消減雜散電流干擾強度，令外管道陰極保護恒電位儀能正常開機運行。

圖2 絕緣裝置跨接示意

1 聯合陰極保護方法的標準分析

對金屬構筑物實施陰極保護的一個先決條件是被保護構筑物需電絕緣。如果沒有實現電絕緣，即使對于覆蓋層良好的管道，陰極保護都可能是不經濟或不實際的防腐蝕方法。為了防止陰極保護電流流入與大地電連接的非保護構筑物上，應對管道系統進行電絕緣。國內外關于陰極保護的幾個主要標準[2-6]都強調了陰極保護中構筑物電絕緣的重要性。

NACE SP0286-2007標準[2]提出：實施陰極保護的管道必須與其他金屬結構電絕緣，除非陰極保護系統預留了足夠的電流輸出余量來應對其他金屬結構所造成的電流泄漏。

ISO 15589-1:2015標準[4]提出：如果無法實現電絕緣，陰極保護設計方案應考慮向管道提供足夠的電流并使電流有效分布，且不會對其他構筑物產生影響。

GB/T 21448-2017標準[5]提出的關于電絕緣的要求如下：陰極保護管道應與非陰極保護金屬結構和公共或場區接地系統電絕緣;對于雜散電流干擾影響區內的陰極保護管道，安裝電絕緣裝置進行分段隔離;當電絕緣無法實現時，應在陰極保護設計時為管道提供足夠的陰極保護電流和有效的電流分布。

在SY/T 0086-2012標準[6]中，關于電絕緣有如下描述：對存在雜散電流干擾的地區，可采用適當規格的可調電阻將絕緣接頭或絕緣法蘭兩端跨接，來減緩雜散電流對絕緣接頭或絕緣法蘭臨近段管道的影響。

綜上可知，電絕緣是良好的陰極保護的保證，沒有良好的電絕緣就難以實現良好的陰極保護。如果無法實現被保護結構物與非保護結構物的電絕緣(比如長輸管道與站場)，則應確保陰極保護電流分布的合理性以及陰極保護電位達標。

以上標準對聯合陰極保護的方式提供一定的支撐，即聯保時，外管道陰極保護必須達標。此外，有些標準也明確提出，對于存在雜散電流干擾的地區可采用適當規格的可調電阻將絕緣接頭或絕緣法蘭兩端跨接，以減緩雜散電流的影響。

2 聯合陰極保護方法的原理

在國內外主要的陰極保護標準中，跨接絕緣接頭的聯合陰極保護方法沒有作為推薦方法提出，但從標準的分析解讀可以看到，該方法實施的關鍵前提是要確保被保護結構物上陰極保護電流足夠且分布均勻。

根據管道陰極保護系統的長效參比電極測得的管道電位是管道防腐蝕層破損點處的混合電位。防腐蝕層破損點處吸收或排放的電流以及其電位，與該處對地電阻有很大的關系。假定防腐蝕層破損點為圓形，直徑為D，土壤電阻率為ρ。則防腐蝕層破損點處對遠地的電阻為ρ/2D。假定土壤電阻率為100 Ω·m，破損點面積為1 cm2(D=0.011 3 m)，計算得到破損點處對遠地電阻為4 424 Ω。該電阻值遠遠大于站場地網的對地電阻。

當根據管道陰極保護系統的長效參比電極測得的管道通電電位受到外界強烈雜散電流干擾時，如果在管道的通電點附近連接一個低電阻通道，比如跨接站內外絕緣接頭將外管道與站內接地體連接，那么大部分雜散電流將通過站內地網低電阻通道流入、流出(見圖3)。

站場內接地網的電阻非常低，遠遠低于防腐蝕層破損點處的對地電阻。在圖3的并聯回路中，路徑中的電流反比于路徑電阻。所以,此時通過管道防腐蝕層破損點流入、流出的直流雜散電流量顯著減小，管道的通電電位波動將得到明顯緩解，通電電位受干擾程度降低，恒電位儀就有可能恢復正常運行。如果外管道受到交流干擾，也可以用跨接絕緣接頭的方法進行緩解。站內的接地網對地電阻很低，相當于一個龐大的交流干擾緩解地床，可以有效降低外管道的對地交流電壓。

圖3 聯合陰極保護下站內外雜散電流導通電路

采用接地的方式緩解雜散電流干擾在管道界已經有成熟的應用。目前，緩解管道的交流干擾最常用的方法是使用鋅帶或裸銅線做接地極，其在緩解動態直流干擾方面也有廣泛應用。

在實施聯合陰極保護時，通過管道防腐蝕層破損點流進/流出的外界動態雜散電流減少，這也意味著，如果僅對該管道實施陰極保護，陰極保護電流也更傾向于從低電阻通道(站內接地)導通。這是聯合陰極保護方法的一個重大負面影響，也是諸多標準中提到“如果無法確保電絕緣則應確保陰極保護效果”的原因。

此外，在聯合陰極保護狀態下，直流雜散電流通過站內接地網的低電阻通道流入，這可能造成距離站場較遠的管道流出的雜散電流增加，該處管道的腐蝕風險升高。圖4為采用聯合陰極保護措施前后24 h內管道斷電電位正于保護準則[7]規定的-0.85 V的比例。在該案例中，聯合陰極保護跨接絕緣裝置位置為770號測試樁，采取聯保措施后，750號至764號段管道的斷電電位正于-0.85 V的比例明顯上升。

圖4 聯合陰極保護前后管道斷電電位正于-0.85 V的比例

3 站內接地網接地電阻的影響

聯合陰極保護方法對進出站絕緣接頭跨接的目的是利用站內龐大接地網的低電阻通道將通電點附近的電位波動緩解，令恒電位儀正常運行。圖5顯示的是西氣東輸某站場在聯合陰極保護前后通電點處通電電位波動情況，在實施了聯合陰極保護后，通電點位置的通電電位波動得到明顯的緩解。

圖5 聯合陰極保護前后某站場通電點處通電電位波動的緩解

外界雜散電流更傾向于從站內低電阻的接地網流進流出，站外管道陰極保護電流也會更多的流向站內的接地網，再通過跨接線回到電源負極。雖然借用站內低電阻接地網可降低通電點的電位波動，但是站內低電阻通道也會吸收陰極保護電流，令站外管道陰極保護效果降低。圖6顯示某站場采取聯合陰極保護后通電點的通電電位發生了明顯的正向偏移，這表明外管道的陰極保護電流減少了。

圖6 聯合陰極保護前后某站場通電點處通電電位的正向偏移

在跨接了絕緣接頭后，有一部站外管道的陰極保護電流進入了站內接地網，影響了站外管道的保護效果。統計了七條管線采取聯合陰極保護后，站外陰極保護電流的分配比例，結果列于表1中。從表1可以看到，除了站場2外，其他站場的外管道陰極保護電流都有很大一部分流入了站內，最高比例達到92.41%。

表1 采取聯合陰極保護后站外管道陰極保護電流的分配

圖7和圖8分別為使用電纜和3 Ω電阻跨接某站場絕緣接頭時，站外通電點的通電電位波動以及跨接線中的電流大小。此處用跨接電阻來模擬接地網對地電阻的變化。比較可見，站內接地網的接地電阻越小，站外通電點的電位波動越小，跨接線中的電流(站外陰極保護電流流入站內接地網)越大。保持站內接地網低電阻對聯合陰極保護的實施具有重要的作用，但站內接地網的低電阻也會導致站外陰極保護電流大量流入站內。

圖7 某站場絕緣接頭跨接電阻對通電點通電電位的影響

圖8 某站場絕緣接頭跨接電阻對跨接電流的影響

4 結論

(1)跨接管道進出站絕緣接頭對內部和外部管道進行聯合陰極保護的方法，從管道防腐標準中得到了一定支撐，但一個重要的前提條件是陰極保護電流分布合理、陰極保護電位有效。

(2)在跨接管道進出站絕緣接頭后，站內低電阻接地網被納入到站外陰極保護系統范圍內。該低電阻接地網令站外管道通電點的電位波動情況得到緩解；但低電阻接地網會吸收大量的站外陰極保護電流，有可能影響站外管道的陰極保護效果；同時雜散電流通過站內接地網的低電阻通道流入，可能造成距離跨接絕緣接頭較遠的管段流出的雜散電流增加，管道的腐蝕風險升高。

(3)在確保外管道陰極保護有效的情況下，聯合陰極保護的方法可以用于解決強干擾地區陰極保護恒電位儀無法運行的問題。聯合陰極保護方法對外管道陰極保護的影響取決于多個因素，對這些影響因素還需深入研究以優化該保護方法。