簡(jiǎn)述天然氣長(zhǎng)輸管道外加電源陰極保護(hù)故障治理

單曉建 韓寶強(qiáng) 楊海鋒(中石油東部管道有限公司 蘇浙滬管理處,江蘇 南京 210000)

天然氣是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的重要能源，由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，造成了自身開(kāi)采運(yùn)輸方面的局限性。截至目前，長(zhǎng)輸管道是天然氣能源輸送的主要手段，具有提高輸送效率、降低運(yùn)輸成本、提高安全性等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，天然氣長(zhǎng)輸管道在運(yùn)行中也要面臨各種復(fù)雜、惡劣的情況（如地震、滑坡、泥石流等），突然性自然災(zāi)害容易造成管道破損形成泄漏事故，因此維護(hù)工作是相當(dāng)重要的。

相比突發(fā)性自然災(zāi)害而言，還有另外一項(xiàng)威脅是在潛移默化中進(jìn)行的，這就是因?yàn)榄h(huán)境原因造成的輸送管道腐蝕。腐蝕性過(guò)程一般要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間，而且腐蝕問(wèn)題不進(jìn)行到一定程度是不明顯的，極難判斷發(fā)生泄漏的可能性，所以對(duì)于腐蝕性威脅的解決方案以預(yù)防和維護(hù)為主。

長(zhǎng)輸管道發(fā)生腐蝕的原因有很多，其中電化學(xué)腐蝕是最為普遍的一種情況，尤其在潮濕的酸性環(huán)境中。外加電源陰極保護(hù)措施正是基于電化學(xué)腐蝕的原理而設(shè)計(jì)出的一種陰極保護(hù)手段，其特點(diǎn)就是便于在大型設(shè)備中開(kāi)展使用。

1 外加電源陰極保護(hù)原理分析

外加電源陰極保護(hù)是一種典型的電化學(xué)防腐蝕措施，這一方法利用了長(zhǎng)輸管道設(shè)備與四周環(huán)境的電位差，來(lái)保護(hù)設(shè)備本身的電子不會(huì)流失，從而長(zhǎng)時(shí)間地域環(huán)境電位，阻斷電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。因此，要實(shí)現(xiàn)保護(hù)電子不會(huì)流失的目的，可以從兩方面入手，即：外加電源陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。

從實(shí)踐效果來(lái)看，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的方法存在一些明顯的弊端，設(shè)備的金屬材質(zhì)會(huì)在一定時(shí)期內(nèi)積累大量的不導(dǎo)電硬殼（3-5年），導(dǎo)致陽(yáng)極的電流無(wú)法持續(xù)流失，大大縮短了設(shè)備的使用年限。而要改變這現(xiàn)狀，就必須對(duì)施工的環(huán)境加以改造，如土壤中的電阻成分不能過(guò)高，環(huán)境保持一定的恒溫和干燥度等。而這些條件對(duì)于天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)而言，無(wú)疑增加了成本；如果從天然氣管道材料方面入手，其控制陽(yáng)極的成分更難以達(dá)到要求，因此這技術(shù)存在較大的局限性。

相應(yīng)地，外加電源陰極保護(hù)的方法，采用外部配置輔助陽(yáng)極的手段，加上直流電源，確保電流的流向是從土壤面對(duì)管道金屬，而不是管道金屬向外部擴(kuò)散，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是將要保護(hù)的天然氣管道金屬材質(zhì)的電位保持低于環(huán)境電位的水平。

以下通過(guò)分子式來(lái)詳細(xì)分析電源陰極保護(hù)的原理：

天然氣長(zhǎng)輸管道暴露在潮濕的空氣中，管道材質(zhì)自身的鐵（Fe）由于雜質(zhì)的關(guān)系，與氧氣和水分子構(gòu)成原電池形態(tài)。其中，鐵在吸氧作用下形成了負(fù)極（Fe-2e=Fe2+），而正極則有材質(zhì)本身含有的碳元素以及土壤中的其他成分提供（2H2O+O2+4e-=4OH-）。

以上天然氣管道材質(zhì)在流失大量電子之后，就會(huì)形成與氫氧化鐵（三價(jià)Fe（OH）3），進(jìn)而在空氣中反應(yīng)失去水分子形成氧化鐵（三氧化二鐵），也就是鐵銹成分。

通過(guò)對(duì)以上的原理分析不難發(fā)現(xiàn)，造成腐蝕的原因主要在于鐵元素失去了電子并與氧分子、水分子進(jìn)一步結(jié)合。

2 外加電源陰極保護(hù)系統(tǒng)存在的故障問(wèn)題及治理措施

2.1 故障問(wèn)題分析

首先，主要的故障來(lái)源于電極保護(hù)裝置。

外加電源陰極保護(hù)系統(tǒng)是隨著天然氣長(zhǎng)輸管道施工共同建立的，尤其是針對(duì)一些需要深埋的管線部分，需要穩(wěn)定的直流電作業(yè)，因此針對(duì)于電源保護(hù)裝置的要求很高。

就目前現(xiàn)狀而言，我國(guó)在外加電源陰極保護(hù)系統(tǒng)中的電源保護(hù)裝置模塊中，還存在一些落后情況。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家一般采用的設(shè)備是整流器，這種裝置的維護(hù)手段相對(duì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，一般定期選擇參數(shù)調(diào)整即可；國(guó)內(nèi)由于外加電源陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工是問(wèn)題，普遍采用的電源保護(hù)裝置是恒電位儀。相比整流器而言，恒電位儀只能控制一部分區(qū)域的電位數(shù)值，一旦出現(xiàn)故障，其維護(hù)過(guò)程比較復(fù)雜，同時(shí)也加大了投資的成本。

電源保護(hù)裝置故障通常表現(xiàn)為電流、電壓、電位的指示數(shù)據(jù)停止或者失靈，即在一定程度上的損壞率較高（非認(rèn)為破壞），也可以理解為對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度不強(qiáng)；其次，為了提高靈敏度，也容易造成電壓不穩(wěn)燒壞的故障。

其次，硫酸銅電極故障。硫酸銅電極主要是指便攜式的硫酸銅參比電極產(chǎn)品，最大的故障表現(xiàn)在運(yùn)行不穩(wěn)定方面，通常會(huì)造成參比電極電位數(shù)量誤差（幾十到幾百毫伏），過(guò)大的誤差會(huì)造成電源保護(hù)裝置燒毀的可能性增加。

再次，絕緣法蘭失效故障。絕緣法蘭一旦失效，原本保護(hù)的天然氣管道兩端部分就會(huì)形成電流，造成腐蝕性現(xiàn)象。絕緣法蘭失效的原因很多，如缺乏外部包裹、縫隙雜質(zhì)形成短路、絕緣接頭脫落等。

2.2 治理措施分析

第一，電源保護(hù)裝置維護(hù)。電源保護(hù)裝置維護(hù)主要是針對(duì)恒電位儀，要防止可能出現(xiàn)的故障，最有效的辦法是采用備份手段，備份設(shè)備可以在發(fā)生故障之后立即啟用。同時(shí)，日常的維護(hù)工作主要針對(duì)損壞、元件松動(dòng)、脫焊、雜質(zhì)清理等方面。

第二，硫酸銅電極維護(hù)。硫酸銅電極的維護(hù)主要是從精確度、穩(wěn)定性入手，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的硫酸銅電極設(shè)備質(zhì)量有待提高，因此在維護(hù)程序中可以匹配一部分進(jìn)口產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)于經(jīng)常使用的設(shè)備做好維護(hù)，自動(dòng)矯正。

第三，絕緣法蘭是維護(hù)主要是做好日常的清理工作，在發(fā)生突發(fā)性自然氣候之后，立即進(jìn)行檢查，進(jìn)行必要的干燥處理，同時(shí)定期刷漆、擦拭。

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