李保平

(浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著社會的發(fā)展，能源需求呈現(xiàn)快速增長勢頭，管道運(yùn)輸作為石油天然氣的主要運(yùn)輸途徑得到了快速發(fā)展。埋地鋼質(zhì)管道遭受土壤、微生物等因素腐蝕[1]，管道的安全運(yùn)行直接關(guān)系到人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。管道外防腐層和外加陰極保護(hù)是埋地鋼質(zhì)管道的主要防腐手段，目前針對陰極保護(hù)故障問題進(jìn)行系統(tǒng)分析的文章較少。本文分析總結(jié)了幾種典型的陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題及解決方法。

1 陰極保護(hù)常見故障及排除方法

1.1 犧牲陽極故障分析

犧牲陽極保護(hù)因無需外部電源、對外界干擾小、安裝維護(hù)費(fèi)用低、無需征地或占用其他建筑物等優(yōu)點(diǎn)[2]，常用于輸氣場站內(nèi)管線及管線建設(shè)期的臨時(shí)保護(hù)。犧牲陽極的保護(hù)效果與陽極材料本身的性能有直接關(guān)系，目前常用的犧牲陽極材料有鋁合金、鋅合金和鎂合金三大類。犧牲陽極常見的故障有：

1)陽極輸出電流減小，達(dá)不到保護(hù)電位。造成這種現(xiàn)象的原因有陽極消耗、環(huán)境污染對陽極的影響、陽極/陰極連接線斷開、陽極周圍土壤干燥等。

2)陽極輸出電流增大，但保護(hù)物電位極化不上去。造成這種現(xiàn)象的原因有被保護(hù)體與相鄰金屬物體有搭接、絕緣裝置失效、絕緣層老化或破壞、環(huán)境改變引起迅速去極化或者水的含氧量、土的充氣量增大等。

3)陽極體腐蝕不嚴(yán)重，但陽極已不能工作。造成這種問題的原因有陽極成分不合理，在工作環(huán)境中造成鈍化；陽極局部腐蝕嚴(yán)重，陽極合金化不均勻，造成局部腐蝕；未達(dá)設(shè)計(jì)壽命，陽極失效；陽極雜質(zhì)含量高，陽極效率降低；在交流干擾下，陽極發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)。

以某天然氣輸氣站不同犧牲陽極測試數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某天然氣輸氣站內(nèi)犧牲陽極測試數(shù)據(jù)

從表1中看出，1、2、3、4號管道通電(或斷電)電位低于保護(hù)電位，不達(dá)標(biāo)，陰極保護(hù)水平較差；5、6號管道電位合格。分析造成管道欠保護(hù)的主要原因是犧牲陽極投運(yùn)時(shí)間較長。隨著犧牲陽極的不斷消耗，陽極表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物影響了陽極的輸出，同時(shí)土壤性質(zhì)對犧牲陽極的保護(hù)效果影響較大。應(yīng)根據(jù)環(huán)境合理選擇犧牲陽極，在土壤干燥的環(huán)境中更適合選用電位較負(fù)的合金犧牲陽極。

應(yīng)定期對犧牲陽極陰保系統(tǒng)的服役參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，從犧牲陽極設(shè)計(jì)參數(shù)、土壤特性、陽極輸出參數(shù)等方面對犧牲陽極保護(hù)效果進(jìn)行深入研究，及時(shí)排除犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)故障。

1.2 恒電位儀輸出異常

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀、載流電纜、測試電纜、參比電極、輔助陽極及附屬設(shè)備組成。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行中常發(fā)生故障，無法正常輸出，需要從陰極保護(hù)系統(tǒng)的各個組成部分排查故障原因。

1.2.1 輸出電壓突然增大，輸出電流為零

電流為零而電壓超高報(bào)警，說明陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻過大，可能的原因有：陽極電纜中斷、陰極電纜中斷、輔助陽極消耗殆盡，可采用參比電極對陰陽極開路電位進(jìn)行測量，使用接地電阻儀測量陰陽極回路電阻確定故障原因。

1.2.2 恒電位儀電流輸出超量程，管道保護(hù)電位降低

陰極保護(hù)電流輸出增大，說明陰極保護(hù)回路不存在短路問題，應(yīng)首先校核參比電極工作狀態(tài)。若參比電極工作正常，則可以初步判斷管道存在漏電?？赡艿脑蛴泄艿婪栏瘜悠茡p、絕緣法蘭失效、管道與其他設(shè)施發(fā)生了搭接，造成陰極保護(hù)電流流失，使輸出電流增大?？梢圆捎霉苤须娏鳒y繪法檢測管道中電流分布情況，確定電流流失點(diǎn)，排除故障。

1.2.3 恒電位儀輸出不穩(wěn)定，自動轉(zhuǎn)為恒電流運(yùn)行

恒電位儀可以輸出說明回路沒有問題，恒電位儀無法在恒電位下工作，說明長效參比電極反饋的管道電位不穩(wěn)定，影響了恒電位儀的輸出。首先采用標(biāo)準(zhǔn)參比電極校核長效參比電極，如果長效參比電極工作正常，則可判斷可能遭受了雜散電流干擾，需要進(jìn)一步測量確定干擾形式及干擾源，排除故障。

1.3 管道局部電位不達(dá)標(biāo)

常規(guī)采用便攜式參比電極測量管道電位時(shí)，由于電流流過土壤時(shí)產(chǎn)生IR降，使得測量值與真實(shí)值之間存在偏差，測量值不能完全反映管道的陰極保護(hù)效果。由于絕緣防腐層的電屏蔽，管道剝離覆蓋層下的IR降主要集中在覆蓋層破損口附近。防腐層破損處現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)由于包含土壤介質(zhì)電阻、覆蓋層缺陷電阻及接觸電阻等引起的IR降，測量值有時(shí)可高達(dá) -1.5 V～8.0 V。CIPS以瞬間斷電法為基礎(chǔ)，可消除管道IR降，測量方便，在油氣管道陰極保護(hù)有效性評價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1為某輸氣管道CIPS測試結(jié)果。該段管道采用強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)方式，從圖1中看出，管道前220 m位置由于土壤IR降的影響，管道通斷電位存在差異，且通斷電位低于管道保護(hù)電位，管道的到較好的保護(hù)；在220 m位置處管道的通斷電電位存在突變，突變前管道通斷電位差較大，突變后管道通斷電位基本相等，且高于管道保護(hù)電位。由于土壤IR降主要由陰極保護(hù)電流和土壤電阻決定的，可能的原因?yàn)橥蛔兒蠊艿罌]有受到強(qiáng)制電流的保護(hù)。分析發(fā)現(xiàn)，突變點(diǎn)(220 m位置)距離閥室較近，雖然該管道干線采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，但閥室管線采用犧牲陽極保護(hù)，管道進(jìn)出閥室均設(shè)有絕緣法蘭。進(jìn)一步對閥室附近測試樁進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，進(jìn)出閥室絕緣法蘭跨接線斷開，造成閥室下游輸氣干線未施加陰極保護(hù)電流，造成電位不達(dá)標(biāo)。

圖1 某天然氣輸氣管道CIPS測試結(jié)果

1.4 雜散電流干擾

雜散電流強(qiáng)度大，集中產(chǎn)生在電阻小、易放電的局部位置[3]，如涂層破損處，破壞性很強(qiáng)，在短時(shí)間內(nèi)即可導(dǎo)致腐蝕穿孔。雜散電流會嚴(yán)重干擾陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使測量電位值失真，引起犧牲陽極的極性逆轉(zhuǎn)，加速防腐層剝離，危及人身安全。

1.4.1 直流雜散電流干擾

直流雜散電流的來源有直流電氣化鐵路、其他陰極保護(hù)系統(tǒng)、地電流和高壓直流電力線等。在直流雜散電流的流入點(diǎn)，管道受到保護(hù)，在直流雜散電流的流出點(diǎn)，管道加速腐蝕，但如果電流過大，電流流入點(diǎn)會發(fā)生防腐層剝離、鼓泡或氫脆等損壞管道的現(xiàn)象。

根據(jù)SY/T0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，管道直流干擾程度一般按管地電位較自然電位正向偏移值判定，當(dāng)管地電位較自然電位正向偏移值難以測量時(shí)，按土壤電位梯度確定雜散電流強(qiáng)弱程度。直流雜散電流的排除方法有:1)為干擾電流提供金屬回路；2)對管道原有陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行極性改造，應(yīng)用陰極保護(hù)來抵消干擾電流的影響；3)移走或重置干擾電流源，預(yù)防干擾電流的流入或限制其流動等。

1.4.2 交流雜散電流干擾

隨著大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，交流腐蝕問題日益突出，交流腐蝕的主要來源是高速鐵路和高壓輸電線路等。交流雜散電流在管道與土壤之間流動時(shí)，由于電流的大小和方向隨時(shí)間變化，交流雜散電流對管道腐蝕的影響要比直雜散流電流的影響復(fù)雜的多。

GB/T 50698-2010《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4 V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評估。一般采用特征參數(shù)作為評價(jià)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的依據(jù)，交流干擾參數(shù)的檢測主要包括交流干擾電壓、交流干擾密度、交直流電流密度之比和土壤電阻率，其中交流感應(yīng)電壓易于測量，是表征交流干擾強(qiáng)度最直接的參數(shù)。

埋地管道遭受交流干擾，交流電壓隨干擾源呈現(xiàn)類周期變化。圖2是某天然氣長輸管道交流電壓與通電電位隨時(shí)間的變化曲線。從圖2中看出，交流電壓是有時(shí)間變化性的，對測試樁長時(shí)間監(jiān)測可以采集到電壓峰值，對交流干擾情況進(jìn)行全面評估。該段管線的管線交流干擾電壓峰值達(dá)到70 V時(shí)，管道的通電電位發(fā)生劇烈變化，通電電位發(fā)生劇烈變化的點(diǎn)對應(yīng)交流電壓峰值的出現(xiàn)，當(dāng)交流電壓較小時(shí)(低于30 V)，管道通電電位較穩(wěn)定。

圖2 某天然氣長輸管道管道交流電壓與通電電位變化曲線

因此采用傳統(tǒng)的地表電位法測量管道陰保電位，即使管道遭受了嚴(yán)重的交流干擾腐蝕，測量值也可能在有效范圍內(nèi)，不能反映管道陰極保護(hù)的真實(shí)情況。

為避免管道遭受交流干擾腐蝕，油氣管道應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線路布置，對于存在交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的管道應(yīng)采取必要的交流腐蝕緩解措施，常用的措施有安裝絕緣接頭、接地排流和安裝梯度控制線。其中最常見的方法是安裝梯度控制線，梯度控制線是在管道周圍等間距安裝鋅帶，起到排流和陰極保護(hù)的雙重作用，能夠使周圍土壤電位升高，使管道與周圍土壤電位差降低。使用梯度控制線緩解交流腐蝕需要綜合考慮土壤電阻率、接地形式，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，主要依靠經(jīng)驗(yàn)和簡單的公式進(jìn)行計(jì)算，由于影響因素多，設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)常達(dá)不到預(yù)期的緩解效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為交流干擾緩解設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，但是數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置、模型建立如何更準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實(shí)際仍需要進(jìn)一步研究。

2 結(jié)論

本文總結(jié)了陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常遇到的典型問題，通過理論和案例分析，闡述了典型陰保問題的解決辦法。

1)犧牲陽極陰保系統(tǒng)作為區(qū)域陰極保護(hù)的主要手段，它的正常運(yùn)行對于保障站內(nèi)管線設(shè)備安全發(fā)揮了重要作用，應(yīng)加強(qiáng)犧牲陽極的維護(hù)和管理工作，對犧牲陽極服役情況定期進(jìn)行系統(tǒng)測試和研究，掌握犧牲陽極運(yùn)行狀況和保護(hù)效果。

2)恒電位儀作為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的電源設(shè)備，運(yùn)行中故障率較高，恒電位儀故障問題帶有一定的規(guī)律性，應(yīng)從陰極保護(hù)系統(tǒng)的各個組成單元入手排查故障原因。

3)管道在建設(shè)施工、運(yùn)行過程中防腐層破損情況時(shí)有發(fā)生，破損處管道成為陽極遭受腐蝕。應(yīng)定期進(jìn)行防腐層檢測，及時(shí)修復(fù)防腐層破損點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)定期對陰保系統(tǒng)的附屬設(shè)施進(jìn)行檢測，確保管道陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4)雜散電流腐蝕是目前油氣管道面臨的主要危害之一，管道遭受雜散電流腐蝕能影響陰保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使管地電位測量值出現(xiàn)偏差，通過定期交流雜散電流檢測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)雜散電流干擾，采取相應(yīng)的保護(hù)措施使管道免受腐蝕。