站內(nèi)外管道聯(lián)合陰極保護(hù)方法的原理及應(yīng)用效果

王磊磊,舒 亮,葉建豹,陳玉亮,王小虎,劉金福

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)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(hù)是一種對(duì)埋地鋼質(zhì)構(gòu)筑物行之有效的腐蝕防護(hù)方式，在油氣管道行業(yè)已成熟應(yīng)用，為埋地高壓管道的安全運(yùn)行發(fā)揮了巨大的作用。恒電位儀是目前最常用的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的電源設(shè)備。在運(yùn)行中，恒電位儀根據(jù)通電點(diǎn)附近長(zhǎng)效參比電極(銅/硫酸銅電極,CSE)測(cè)得的管道通電電位變化，自動(dòng)、實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出，將通電點(diǎn)管道電位控制在預(yù)置的電位數(shù)值。

近年來，國(guó)內(nèi)城市軌道交通的大力發(fā)展對(duì)埋地管道造成了越來越嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)直流干擾。在動(dòng)態(tài)直流干擾嚴(yán)重區(qū)段，由于通電點(diǎn)反饋給恒電位儀內(nèi)部控制單元的通電電位波動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)恒流輸出或者關(guān)機(jī)，由此對(duì)全線的陰極保護(hù)造成影響。

圖1 受地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾的通電電位波動(dòng)

管道上較高的交流電壓也可能對(duì)恒電位儀的運(yùn)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(jī)或無法以恒電位方式穩(wěn)定運(yùn)行；如果恒電位儀長(zhǎng)期在較高的交流干擾電壓下工作，其內(nèi)部元件會(huì)發(fā)熱、燒毀，引起安全事故或造成陰極保護(hù)系統(tǒng)癱瘓。國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)陰極保護(hù)電源設(shè)備的抗干擾基本要求是：抗電強(qiáng)度1 000 A，抗工頻干擾電壓30 V[1]。

站內(nèi)外管道聯(lián)合陰極保護(hù)(聯(lián)合陰極保護(hù))是近年來國(guó)內(nèi)管道界應(yīng)對(duì)恒電位儀受外部干擾問題的一種新方法。該聯(lián)合保護(hù)方式采用電纜或可調(diào)電阻對(duì)絕緣裝置進(jìn)行跨接，如圖2所示，將站場(chǎng)或閥室內(nèi)埋地金屬結(jié)構(gòu)及站外管道作為一個(gè)整體，由站內(nèi)和站外的陰極保護(hù)電源進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)。該方法利用站場(chǎng)內(nèi)接地網(wǎng)的低電阻通道，消減雜散電流干擾強(qiáng)度，令外管道陰極保護(hù)恒電位儀能正常開機(jī)運(yùn)行。

圖2 絕緣裝置跨接示意

1 聯(lián)合陰極保護(hù)方法的標(biāo)準(zhǔn)分析

對(duì)金屬構(gòu)筑物實(shí)施陰極保護(hù)的一個(gè)先決條件是被保護(hù)構(gòu)筑物需電絕緣。如果沒有實(shí)現(xiàn)電絕緣，即使對(duì)于覆蓋層良好的管道，陰極保護(hù)都可能是不經(jīng)濟(jì)或不實(shí)際的防腐蝕方法。為了防止陰極保護(hù)電流流入與大地電連接的非保護(hù)構(gòu)筑物上，應(yīng)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行電絕緣。國(guó)內(nèi)外關(guān)于陰極保護(hù)的幾個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)[2-6]都強(qiáng)調(diào)了陰極保護(hù)中構(gòu)筑物電絕緣的重要性。

NACE SP0286-2007標(biāo)準(zhǔn)[2]提出：實(shí)施陰極保護(hù)的管道必須與其他金屬結(jié)構(gòu)電絕緣，除非陰極保護(hù)系統(tǒng)預(yù)留了足夠的電流輸出余量來應(yīng)對(duì)其他金屬結(jié)構(gòu)所造成的電流泄漏。

ISO 15589-1:2015標(biāo)準(zhǔn)[4]提出：如果無法實(shí)現(xiàn)電絕緣，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案應(yīng)考慮向管道提供足夠的電流并使電流有效分布，且不會(huì)對(duì)其他構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。

GB/T 21448-2017標(biāo)準(zhǔn)[5]提出的關(guān)于電絕緣的要求如下：陰極保護(hù)管道應(yīng)與非陰極保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)和公共或場(chǎng)區(qū)接地系統(tǒng)電絕緣;對(duì)于雜散電流干擾影響區(qū)內(nèi)的陰極保護(hù)管道，安裝電絕緣裝置進(jìn)行分段隔離;當(dāng)電絕緣無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)為管道提供足夠的陰極保護(hù)電流和有效的電流分布。

在SY/T 0086-2012標(biāo)準(zhǔn)[6]中，關(guān)于電絕緣有如下描述：對(duì)存在雜散電流干擾的地區(qū)，可采用適當(dāng)規(guī)格的可調(diào)電阻將絕緣接頭或絕緣法蘭兩端跨接，來減緩雜散電流對(duì)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(hù)的保證，沒有良好的電絕緣就難以實(shí)現(xiàn)良好的陰極保護(hù)。如果無法實(shí)現(xiàn)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物與非保護(hù)結(jié)構(gòu)物的電絕緣(比如長(zhǎng)輸管道與站場(chǎng))，則應(yīng)確保陰極保護(hù)電流分布的合理性以及陰極保護(hù)電位達(dá)標(biāo)。

以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聯(lián)合陰極保護(hù)的方式提供一定的支撐，即聯(lián)保時(shí)，外管道陰極保護(hù)必須達(dá)標(biāo)。此外，有些標(biāo)準(zhǔn)也明確提出，對(duì)于存在雜散電流干擾的地區(qū)可采用適當(dāng)規(guī)格的可調(diào)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(lián)合陰極保護(hù)方法的原理

在國(guó)內(nèi)外主要的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中，跨接絕緣接頭的聯(lián)合陰極保護(hù)方法沒有作為推薦方法提出，但從標(biāo)準(zhǔn)的分析解讀可以看到，該方法實(shí)施的關(guān)鍵前提是要確保被保護(hù)結(jié)構(gòu)物上陰極保護(hù)電流足夠且分布均勻。

根據(jù)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的長(zhǎng)效參比電極測(cè)得的管道電位是管道防腐蝕層破損點(diǎn)處的混合電位。防腐蝕層破損點(diǎn)處吸收或排放的電流以及其電位，與該處對(duì)地電阻有很大的關(guān)系。假定防腐蝕層破損點(diǎn)為圓形，直徑為D，土壤電阻率為ρ。則防腐蝕層破損點(diǎn)處對(duì)遠(yuǎn)地的電阻為ρ/2D。假定土壤電阻率為100 Ω·m，破損點(diǎn)面積為1 cm2(D=0.011 3 m)，計(jì)算得到破損點(diǎn)處對(duì)遠(yuǎn)地電阻為4 424 Ω。該電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于站場(chǎng)地網(wǎng)的對(duì)地電阻。

當(dāng)根據(jù)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的長(zhǎng)效參比電極測(cè)得的管道通電電位受到外界強(qiáng)烈雜散電流干擾時(shí)，如果在管道的通電點(diǎn)附近連接一個(gè)低電阻通道，比如跨接站內(nèi)外絕緣接頭將外管道與站內(nèi)接地體連接，那么大部分雜散電流將通過站內(nèi)地網(wǎng)低電阻通道流入、流出(見圖3)。

站場(chǎng)內(nèi)接地網(wǎng)的電阻非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于防腐蝕層破損點(diǎn)處的對(duì)地電阻。在圖3的并聯(lián)回路中，路徑中的電流反比于路徑電阻。所以,此時(shí)通過管道防腐蝕層破損點(diǎn)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(dòng)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(fù)正常運(yùn)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(jìn)行緩解。站內(nèi)的接地網(wǎng)對(duì)地電阻很低，相當(dāng)于一個(gè)龐大的交流干擾緩解地床，可以有效降低外管道的對(duì)地交流電壓。

圖3 聯(lián)合陰極保護(hù)下站內(nèi)外雜散電流導(dǎo)通電路

采用接地的方式緩解雜散電流干擾在管道界已經(jīng)有成熟的應(yīng)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(dòng)態(tài)直流干擾方面也有廣泛應(yīng)用。

在實(shí)施聯(lián)合陰極保護(hù)時(shí)，通過管道防腐蝕層破損點(diǎn)流進(jìn)/流出的外界動(dòng)態(tài)雜散電流減少，這也意味著，如果僅對(duì)該管道實(shí)施陰極保護(hù)，陰極保護(hù)電流也更傾向于從低電阻通道(站內(nèi)接地)導(dǎo)通。這是聯(lián)合陰極保護(hù)方法的一個(gè)重大負(fù)面影響，也是諸多標(biāo)準(zhǔn)中提到“如果無法確保電絕緣則應(yīng)確保陰極保護(hù)效果”的原因。

此外，在聯(lián)合陰極保護(hù)狀態(tài)下，直流雜散電流通過站內(nèi)接地網(wǎng)的低電阻通道流入，這可能造成距離站場(chǎng)較遠(yuǎn)的管道流出的雜散電流增加，該處管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)升高。圖4為采用聯(lián)合陰極保護(hù)措施前后24 h內(nèi)管道斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則[7]規(guī)定的-0.85 V的比例。在該案例中，聯(lián)合陰極保護(hù)跨接絕緣裝置位置為770號(hào)測(cè)試樁，采取聯(lián)保措施后，750號(hào)至764號(hào)段管道的斷電電位正于-0.85 V的比例明顯上升。

圖4 聯(lián)合陰極保護(hù)前后管道斷電電位正于-0.85 V的比例

3 站內(nèi)接地網(wǎng)接地電阻的影響

聯(lián)合陰極保護(hù)方法對(duì)進(jìn)出站絕緣接頭跨接的目的是利用站內(nèi)龐大接地網(wǎng)的低電阻通道將通電點(diǎn)附近的電位波動(dòng)緩解，令恒電位儀正常運(yùn)行。圖5顯示的是西氣東輸某站場(chǎng)在聯(lián)合陰極保護(hù)前后通電點(diǎn)處通電電位波動(dòng)情況，在實(shí)施了聯(lián)合陰極保護(hù)后，通電點(diǎn)位置的通電電位波動(dòng)得到明顯的緩解。

圖5 聯(lián)合陰極保護(hù)前后某站場(chǎng)通電點(diǎn)處通電電位波動(dòng)的緩解

外界雜散電流更傾向于從站內(nèi)低電阻的接地網(wǎng)流進(jìn)流出，站外管道陰極保護(hù)電流也會(huì)更多的流向站內(nèi)的接地網(wǎng)，再通過跨接線回到電源負(fù)極。雖然借用站內(nèi)低電阻接地網(wǎng)可降低通電點(diǎn)的電位波動(dòng)，但是站內(nèi)低電阻通道也會(huì)吸收陰極保護(hù)電流，令站外管道陰極保護(hù)效果降低。圖6顯示某站場(chǎng)采取聯(lián)合陰極保護(hù)后通電點(diǎn)的通電電位發(fā)生了明顯的正向偏移，這表明外管道的陰極保護(hù)電流減少了。

圖6 聯(lián)合陰極保護(hù)前后某站場(chǎng)通電點(diǎn)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(hù)電流進(jìn)入了站內(nèi)接地網(wǎng)，影響了站外管道的保護(hù)效果。統(tǒng)計(jì)了七條管線采取聯(lián)合陰極保護(hù)后，站外陰極保護(hù)電流的分配比例，結(jié)果列于表1中。從表1可以看到，除了站場(chǎng)2外，其他站場(chǎng)的外管道陰極保護(hù)電流都有很大一部分流入了站內(nèi)，最高比例達(dá)到92.41%。

表1 采取聯(lián)合陰極保護(hù)后站外管道陰極保護(hù)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(chǎng)絕緣接頭時(shí)，站外通電點(diǎn)的通電電位波動(dòng)以及跨接線中的電流大小。此處用跨接電阻來模擬接地網(wǎng)對(duì)地電阻的變化。比較可見，站內(nèi)接地網(wǎng)的接地電阻越小，站外通電點(diǎn)的電位波動(dòng)越小，跨接線中的電流(站外陰極保護(hù)電流流入站內(nèi)接地網(wǎng))越大。保持站內(nèi)接地網(wǎng)低電阻對(duì)聯(lián)合陰極保護(hù)的實(shí)施具有重要的作用，但站內(nèi)接地網(wǎng)的低電阻也會(huì)導(dǎo)致站外陰極保護(hù)電流大量流入站內(nèi)。

圖7 某站場(chǎng)絕緣接頭跨接電阻對(duì)通電點(diǎn)通電電位的影響

圖8 某站場(chǎng)絕緣接頭跨接電阻對(duì)跨接電流的影響

4 結(jié)論

(1)跨接管道進(jìn)出站絕緣接頭對(duì)內(nèi)部和外部管道進(jìn)行聯(lián)合陰極保護(hù)的方法，從管道防腐標(biāo)準(zhǔn)中得到了一定支撐，但一個(gè)重要的前提條件是陰極保護(hù)電流分布合理、陰極保護(hù)電位有效。

(2)在跨接管道進(jìn)出站絕緣接頭后，站內(nèi)低電阻接地網(wǎng)被納入到站外陰極保護(hù)系統(tǒng)范圍內(nèi)。該低電阻接地網(wǎng)令站外管道通電點(diǎn)的電位波動(dòng)情況得到緩解；但低電阻接地網(wǎng)會(huì)吸收大量的站外陰極保護(hù)電流，有可能影響站外管道的陰極保護(hù)效果；同時(shí)雜散電流通過站內(nèi)接地網(wǎng)的低電阻通道流入，可能造成距離跨接絕緣接頭較遠(yuǎn)的管段流出的雜散電流增加，管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)升高。

(3)在確保外管道陰極保護(hù)有效的情況下，聯(lián)合陰極保護(hù)的方法可以用于解決強(qiáng)干擾地區(qū)陰極保護(hù)恒電位儀無法運(yùn)行的問題。聯(lián)合陰極保護(hù)方法對(duì)外管道陰極保護(hù)的影響取決于多個(gè)因素，對(duì)這些影響因素還需深入研究以優(yōu)化該保護(hù)方法。