長輸管道陰極保護電流流失解決措施研究與應用

李佳軒 劉 濤 楊晨璐 汪怡心 李 虎 宋華榮

（塔里木油田分公司油氣運銷事業部，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

電絕緣是陰極保護系統得以正常運行的前提條件，因此對于采用陰極保護的長輸管道，當沿線站場、閥室進出端絕緣接頭失效時，一旦站場、閥室內設備的防雷防靜電接地與管道連通，將導致陰極保護電位發生異常波動，而長期處于欠保護狀態的管道腐蝕速率會大幅增加。對于無法停輸進行絕緣接頭更換的管道，李立冬[1]通過在電氣、機械設備和接地網間加裝防爆型火花間隙，同時實現防雷接地和陰極保護需求；劉文會[2]使用電流環和鉗型電流表測量管道及設備部位的電流大小及方向，通過開挖確定搭接點位置，進行絕緣處理；袁柱[3]通過在閥室接地設施中串入固態耦合器，導出感應高電壓、阻擋陰極保護電流泄漏。

1 問題分析

南疆利民管網阿克蘇片區管線全長約為585公里，其間設立有10座場站和19座閥室。管道被劃分為英喀干線、大北支線、大橋鄉支線、烏什支線、阿瓦提支線、一團支線、二團三團支線和柯坪支線。管網采用強制電流陰極保護系統，系統投用于2013年，包含恒電位儀、測試樁、輔助陽極和參比電極，系統設置情況如圖1所示。

圖1 南疆利民管網阿克蘇片區陰保系統圖

GB/T 21448-2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中規定：一般土壤和水環境下，最小保護電位Ep為-0.85V，管道限制臨界電位E1不應比-1.20V更負[4]。所以南疆利民管網極化電位應滿足-1.20V≤EIRfree≤-0.85V的要求。

在利用陰極保護數據對南疆利民阿克蘇片區2022年輸氣管道陰極保護效果進行分析評估的過程中，根據極化電位-850mV準則和數據分析結果，發現管道極化電位處于-1.20V≤EIRfree≤-0.85V范圍的比率為86.7%，不滿足GB/T 21447-2018 《鋼質管道外腐蝕控制規范》中“管道線路陰極保護系統的保護率應達到100%”[5]的要求，保護率求取見式（1）。

表1為2022年南疆利民管網極化電位統計表，數據顯示現存欠保護點分布在烏什支線和阿瓦提支線。以下通過對雜散電流干擾和陰極保護電流流失兩項可能導致電位異常的因素，排查造成保護電流不足的原因。

1.1 雜散電流干擾

SY/T 0017-2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》中規定：“當管道任意點上的管地電位較自然電位偏移20mV時，確認為直流干擾。[6]”；GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中規定：“當管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流干擾防護措施[7]”。依照于此，使用直流電位梯度法（DCVG）和交流電位梯度法（ACVG），對烏什支線和阿瓦提支線站場閥室開展測試，管線直流及交流電位監測趨勢如圖2、圖3所示。

圖2 管線直流電位監測趨勢圖

圖3 管線交流電位監測趨勢圖

經現場對管線測試樁數據進行交直流干擾測試，所得管線直流電位梯度較自然電位偏移量均＜20mV，管線交流電位梯度測試結果均＜4V，符合標準，故雜散電流干擾不是導致保護電流不足的原因。

1.2 陰極保護電流流失

1.2.1 施加電流測試

選取管道保護電位正常的大北支線3#閥室和管道保護電位異常的烏什支線E1#閥室作為測試對象，選取32#測試樁、74#測試樁作為信號加入點，輸出300mA電流信號，檢測電流通過兩閥室的走勢波動情況如表2、表3及圖4、圖5所示。

表2 3#閥室前后電流統計表

表3 E1#閥室前后電流統計表

圖4 3#閥室前后電流趨勢圖

圖5 E1#閥室前后電流趨勢圖

如圖4、圖5對比可得：3#閥室前后陰極保護電流在不同電流施加下呈平穩趨勢，E1#閥室前后陰極保護電流出現瞬時衰減情況，存在陰極保護電流流失，因此確認其為造成管道保護電位異常的主要原因。

1.2.2 電流流失點確認

確認部分站場、閥室存在陰極保護電流流失情況后，考慮到南疆利民沿線站場、閥室內設備均有防雷防靜電接地，故對阿克蘇片區管網的防雷防靜電接地進行專項檢查確認，接地拆除前后電位參數如表4所示。

表4 接地拆除前后電位參數比對表

經測試防雷防靜電接地拆除前后的電位數據，發現其中部分測試點兩組數據間存在差值，證明其發生了不同程度的電流流失，且電流流失點均位于站場/閥室進出口氣液聯動閥處。最終確認站場/閥室進出口氣液聯動閥防靜電接地是造成管線達不到最小保護電位的直接原因。

2 問題解決

隔直排流[8]保護方式通常用于受交流干擾影響的埋地鋼質管道交流排流保護中，因其“阻直通交”的特殊性能，在此將其拓展用來解決電氣設備接地與陰極保護產生的矛盾。隔直排流裝置包括極化電池、鉗位式排流器、固態去耦合器等[9]，起到導通穩態交流干擾電流，防止陰極保護電流沿電氣接地流失的效果，還具備抗雷擊及故障電流沖擊的功能。

2.1 鉗位式排流器

鉗位式排流器由兩部分組成：正臂和負臂。如圖，正臂上串聯一只二極管，負臂上串聯兩只方向相反與正臂相反的二極管。正、負臂兩端壓降分別為0.7V和-1.4V[10]，電壓界于-1.4～0.7V的電流無法通過回路，利民管網正常管道陰極保護運行電位為-1.2～-0.85V，因此能防止陰極保護電流流失，同時當管道受到交流干擾電流影響時還能為管道提供額外的陰極保護電流。圖6、圖7為鉗位式排流器原理及安裝示意圖。

圖6 鉗位式排流器原理圖

圖7 鉗位式排流器安裝示意圖

2.2 固態去耦合器

固態去耦合器由電解電容、晶閘管、電感器和浪涌保護器組成[11]，其中晶閘管作為關鍵元件，決定直流電流通過的閾值，當管道或設備和接地網兩端之間的電壓差達到該閾值時，固態去耦合器轉為直流短路狀態，及時排出故障電流避免設備受損。當電壓差低于閾值時，固態去耦合器直流電流阻抗增大，起到防止陰極保護電流流失的作用。圖8、圖9為固態去耦合器原理及安裝示意圖。

圖8 固態去耦合器原理圖

圖9 固態去耦合器安裝示意圖

2.3 使用效果評價

為保證陰極保護效果，在已驗證存在陰極保護電流流失的E1閥室和C1閥室處，分別安裝應用較為廣泛的鉗位式排流器和固態去耦合器進行對比測試，測試數據如表5、表6所示，兩者斷電電位及通電電位測試數據對比如圖10所示。

表5 鉗位式排流器運行效果數據表

表6 固態去耦合器運行效果數據表

圖10 斷電電位及通電電位測試數據對比圖

由表5、表6和圖10分析可得，鉗位式排流器和固態去耦合器運行后，管地電位均由不保護狀態提升至正常保護范圍內，能夠發揮防止陰極保護電流流失的作用。在鉗位式排流器運行時，管道的通電電位與同支線測試樁采集數據平均值最大差值達169mV，斷電電位最大差值達166mV。表明加裝鉗位式排流器后對通電、斷電電位測試數據均有明顯影響，而固態去耦合器運行時所測量的通電電位和斷電電位無明顯誤差。

管道及接地極直流電位和直流泄漏電流是評價直流隔離效果最直觀的測量參數[12]。在正常工作狀態時，管道和接地極的直流電位變化越小，直流泄漏電流越小，隔離性能越好，試驗測量數據如表7所示。

表7 直流隔離性能參數對比表

如表7和圖11所示，在額定電壓下，鉗位式排流器和固態去耦合器的最大直流電流漏流量分別為32.6mA、0.076mA，因此在正常運行狀態下，固態去耦合器對陰極保護電流的防泄漏性更好。

圖11 直流漏流量對比圖

由于南疆利民陰極保護效果評估主要通過通電電位及斷電電位測試進行，在固態去耦合器和鉗位式排流器都能實現防止陰極保護電流流失的條件下，固態去耦合器對通斷電位測試的影響更小且保護效果更好。因此，選用固態去耦合器更符合現場實際應用。

3 結語

（1）輸氣管道站場、閥室中的設備電氣接地和絕緣失效均可能導致陰極保護電位異常現象的發生，常見流失點包括：與管道連接形式為焊接的氣液聯動閥、壓力變送器等現場儀表以及調壓撬等設備的接地，絕緣法蘭或絕緣接頭失效的放空管線，絕緣墊片缺失的儀表金屬撓性管。可通過依次斷開上述流失點連接的方式，觀察管道極化電位變化，排查確定陰極保護電流流失點；

（2）經過實際測試，在設備接地線和接地網中間增設鉗位式排流器和固態去耦合器，均能在既保證站場、閥室內設備電氣接地達到要求的同時，還可確保陰極保護系統的正常運行；

（3）接地極為鋅或鍍鋅扁鋼時，排流裝置兩端電壓差較小，斷電電位測試時固態去耦合器內的電容放電量低，對斷電電位測試結果影響較小。此外，鉗位式排流器中的二極管由于存在伏安特性，直流漏流量相對較大。因此，相較于鉗位式排流器，固態去耦合器的直流隔離性能更好，更適合用于解決陰極保護電流流失的情況，也與主要通過測試樁直接測量斷電電位的陰極保護系統契合度更高。