相鄰長輸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾及處理對策

麥 健

（茂名石化公司港口分部，廣東 茂名 525000）

0 引言

陰極保護(hù)是長輸管道的常用保護(hù)手段，能避免管道受到腐蝕，確保管道穩(wěn)定運(yùn)行，延長管道的運(yùn)行壽命。但是在實(shí)際使用中，由于環(huán)境、管道自身等因素的影響，導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)難以發(fā)揮作用甚至運(yùn)行失效，因此需要制定有針對性的解決方案，避免陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，保證長輸管道的安全。

1 陰極保護(hù)原理

每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位）。金屬腐蝕電位的高低可表示該金屬失去電子的難易程度，腐蝕電位越低越容易失去電子。通常稱失去電子的部位為陽極區(qū)，而得到電子的部位為陰極區(qū)。陽極區(qū)由于失去電子（例如，鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）容易受到腐蝕而陰極區(qū)得到電子不易被腐蝕。

陰極保護(hù)的原理是給金屬補(bǔ)充大量電子，使被保護(hù)的金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位，金屬原子不容易失去電子而不會變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以達(dá)到這一目的，即犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)[1]。

（1）犧牲陽極陰極保護(hù)是將電位更負(fù)的金屬與被保護(hù)金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，使該金屬上的電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬上去，使整個被保護(hù)金屬處于一個較負(fù)的相同的電位下。

（2）外加電流陰極保護(hù)是通過外加直流電源以及輔助陽極，迫使電流從土壤中流向被保護(hù)金屬，使被保護(hù)金屬電位低于周圍環(huán)境。該方式主要用于保護(hù)大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如長輸埋地管道。

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)受干擾因素分析

長輸管道一般都距離比較長，所以管道途經(jīng)的環(huán)境也會比較復(fù)雜，對陰極保護(hù)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。如果在長輸管道周邊出現(xiàn)電氣化鐵路或高壓電力線路，也會對管道的陰極保護(hù)產(chǎn)生巨大的影響。電氣化鐵路建設(shè)過程中會同步架設(shè)牽引供電網(wǎng)，牽引供電網(wǎng)中包括鐵路的鐵軌、接觸網(wǎng)等設(shè)備，同時，由于大地并非絕緣體，帶電鐵路鋼軌和大地之間會有大量電流泄漏進(jìn)入大地，導(dǎo)致途經(jīng)電氣化鐵路的長輸管道周圍形成大量雜散電流。在電流進(jìn)入長輸管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)之后，會干擾正常的陰極保護(hù)系統(tǒng)工作，如果干擾過強(qiáng)超出陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍，就會導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)失效。如果有電流流入長輸管道帶有負(fù)電的位置，就會形成陰極區(qū)，陰極區(qū)對管道有比較好的保護(hù)作用，但是如果管道表面的電子過多，就會導(dǎo)致析氫現(xiàn)象出現(xiàn)，改變管道周圍的酸堿度，并且造成管道的防腐層脫落。如果雜亂電流干擾在陽極位置出現(xiàn)，就會使管道誘發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，而且反應(yīng)比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致管道出現(xiàn)極為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象[2]。

而高壓電力線路與電氣化鐵路干擾原理和產(chǎn)生的后果相同，必須引起高度重視并加以解決。

3 相鄰長輸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾實(shí)例

3.1 管道干擾概況

茂名石化湛茂輸油管道在廉江站進(jìn)站與出站處均安裝有絕緣法蘭，并在廉江站設(shè)置一套強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外MS21#～MS57#管段進(jìn)行保護(hù)。該陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置兩處陽極地床，一處為淺埋陽極地床，位于廉江站西北側(cè)，另一處為次深井陽極地床組，由15口陽極井組成，位于廉江站東南側(cè)，陽極井最深為17 m，湛北輸油管道離西北側(cè)淺埋陽極地床最近距離為157 m。湛北輸油管道在廉江站進(jìn)站與出站處均安裝有絕緣接頭，在廉江站內(nèi)設(shè)置一套強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對站外管線進(jìn)行保護(hù)，該陰極保護(hù)系統(tǒng)在站內(nèi)設(shè)置一口深井陽極地床（深30 m），茂名石化湛茂輸油管道離該深井陽極地床最近距離為43 m。華南成品油管道湛茂段從廉江站東側(cè)繞過，在茂名石化湛茂輸油管道東南側(cè)陽極地床附近穿過，最近距離為106 m，并與茂名石化湛茂輸油管道陰保系統(tǒng)陽極電纜交叉。廉江站附近3條管道分布如圖1所示。

圖1 廉江站附近3條管道分布

3.2 各相鄰管道陰極保護(hù)電位情況

從茂名石化湛茂輸油管道（簡稱1#管道）2014年的陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)可知，在MS1#、MS41#、MS75#、MS109#測試樁設(shè)置了陰極保護(hù)站，由于管線投用年限較長，防腐層老化，所需陰極保護(hù)電流密度較大，仍存在MS53#～MS63#管段管地電位正于-0.850 V（CSE）的情況。

從華南成品油管道湛茂段管道（簡稱2#管道）2014年的陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)可知，ZM34#測試樁處受到雜散電流干擾，電位最負(fù)約-3.600V（CSE），ZM28#測試樁處也受到雜散電流的干擾的影響，電位最正為-0.760 V。

從湛北輸油管道（簡稱3#管道）2015年第一季度的管道電位數(shù)據(jù)可知，靠近1#管道廉江站西北側(cè)淺埋陽極地床的BH43#、BH44#測試樁處管地電位偏負(fù)，最負(fù)接近-1.800 V。同時3#管道廉江站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)通電點(diǎn)受到干擾，通電點(diǎn)處參比電位（管道電位）較預(yù)置電位偏負(fù)[預(yù)置電位為-1.100 V，參比電位為-1.200 V（波動）]，在恒電位模式下，3#管道廉江站恒電位儀無輸出電流[3]。

3.3 排查檢測方案

對廉江站相鄰3條管道雜散電流的干擾情況進(jìn)行分析，并制定以下檢測方案對3條管道產(chǎn)生雜散電流的干擾原因、干擾程度、干擾范圍等做進(jìn)一步論證，為處理管道雜散電流干擾問題提供對策。具體方案如下。

（1）關(guān)閉3#管道廉江站陰極保護(hù)系統(tǒng)，通斷1#管道廉江站恒電位儀（通斷周期為12 s通、3 s斷，以下同），利用數(shù)據(jù)記錄儀檢測2#、3#管道電位的波動情況。

（2）關(guān)閉1#管道廉江站陰極保護(hù)系統(tǒng)，通斷3#管道廉江站恒電位儀，利用數(shù)據(jù)記錄儀檢測2#、3#管道電位波動情況。

（3）斷開3#管道廉江站的深井陽極地床，采用1#管道廉江站西北側(cè)淺埋陽極地床作為3#管道的陽極地床，關(guān)閉1#管道廉江站陰極保護(hù)系統(tǒng)，通斷3#管道廉江站恒電位儀，利用數(shù)據(jù)記錄儀檢測1#、2#管道電位的波動情況。

3.4 排查檢測結(jié)果

3.4.1 茂名石化廉江站陽極地床的影響

關(guān)閉3#管道廉江站恒電位儀，通斷1#管道廉江站恒電位儀，測試顯示：①恒電位儀通電時，2#管道ZM34#測試樁處管道電位最負(fù)為-2.180 V，斷電時則為-1.250 V；通電時，ZM28#測試樁處管道電位最正為-0.836 V，斷電時則為-0.869 V，說明1#管道陽極地床是造成ZM34#測試樁電位偏負(fù)和ZM28#測試樁電位偏正的主要原因之一，而ZM31#測試樁以南和ZM38#測試樁以北位置的管道正向偏移量不大。②恒電位儀通電時，3#管道廉江站進(jìn)站絕緣接頭處電位為-1.220 V，斷電時電位為-1.070 V，通電時的電位較斷電時存在150 MV的負(fù)向偏移，驗(yàn)證了1#管道陽極地床對3#管道廉江站陰保系統(tǒng)通電點(diǎn)存在干擾。另外，在通電時，BH43#和BH44#測試樁的最大負(fù)向偏移量為400 MV，BH39#測試樁以南和BH55#測試樁以北管道電位在恒電位儀通斷時變化不明顯[4]。

3.4.2 3#管道廉江站陽極地床的影響

先關(guān)閉1#管道恒電位儀，后將3#管道恒電位預(yù)置電位（控制電位）設(shè)置在-1.200 V，輸出電流為0.600 A。測試顯示，1#管道MS38#～MS43#管段的最大負(fù)向偏移位置為MS41#，負(fù)向偏移量為300 MV。MS38#測試樁以南和MS43#測試樁以北管道電位在恒電位儀通斷時變化不明顯。2#管道ZM29#～ZM44#管段的電位最大負(fù)向偏移位置為ZM34#，負(fù)向偏移量為300 MV。ZM29#測試樁以南和ZM44#測試樁以北管道電位在恒電位儀通斷時變化不明顯。

3.5 檢測結(jié)論

（1）2#管道ZM31#～ZM38#管段受到1#管道陽極地床的影響，管道電位負(fù)向偏移明顯。ZM31#測試樁以南和ZM38#測試樁以北的管道正向偏移，但正向偏移量不大。

（2）2#管道ZM29#～ZM44#管段受到3#管道陽極地床影響，管道電位負(fù)向偏移明顯。ZM29#測試樁以南和ZM44#測試樁以北管段受3#管道陽極地床影響較小。

（3）3#管道ZM29#～ZM44#受1#管道陽極地床的影響，管道電位負(fù)向偏移明顯，通電點(diǎn)電位負(fù)于恒電位儀的預(yù)置電位，造成3#管道恒電位儀無輸出電流。

（4）1#管道BH39#～BH55#管段受3#管道陽極地床影響，管道電位負(fù)向偏移明顯，最大負(fù)向偏移位置為MS41#。MS38#測試樁以南和MS43#測試樁以北管道電位在恒電位儀通斷時變化不明顯，受3#管道陽極地床影響不明顯。

（5）3#管道采用1#管道淺埋陽極地床作為陽極地床，對1#、2#管道產(chǎn)生雜散電流干擾較小，干擾在可接受范圍內(nèi)。

4 處理對策

（1）將1#管道廉江站的兩處陽極地床關(guān)閉，消除對2#、3#管道的直流雜散電流干擾。

（2）將3#管道廉江站內(nèi)的原深井陽極地床關(guān)停，接通原1#管道西北側(cè)的淺埋陽極地床，并對該地床進(jìn)行改造，將接地電阻降至1 Ω以下。

（3）在1#管道MS33#、MS49#測試樁附近各設(shè)置一處陰極保護(hù)站，當(dāng)新建廉茂線投用后，斷開廉江站內(nèi)現(xiàn)管道電跨接，單獨(dú)保護(hù)湛江至廉江站管段。

（4）對原受干擾管道（雜散電流流入?yún)^(qū)域）重新進(jìn)行特加強(qiáng)級防腐處理[5]。

5 具體實(shí)施情況

5.1 新建MS33陰極保護(hù)站

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地勘查，新建MS33陰極保護(hù)站的陽極地床位置如圖2所示。

圖2 新建MS33陰極保護(hù)站的陽極地床位置

5.2 新建MS49陰極保護(hù)站

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地勘查，新建MS49陰極保護(hù)站的陽極地床位置如圖3所示。

圖3 新建MS49陰極保護(hù)站的陽極地床位置

5.3 改建湛北管道廉江站陽極地床

3#管道廉江站陰極保護(hù)系統(tǒng)接通原1#管道西北側(cè)的淺埋陽極地床，并對該地床進(jìn)行改造，接地電阻要求小于1 Ω。改建湛北管道廉江站陽極地床位置如圖4所示。

圖4 改建湛北管道廉江站陽極地床位置

6 結(jié)語

新建MS33陰極保護(hù)站、MS49陰極保護(hù)站和改建3#管道廉江站陽極地床后，對3套陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，各系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行正常，各管段保護(hù)電位均為-0.850～1.500 V，滿足相關(guān)保護(hù)準(zhǔn)則要求。