長輸石油管道陰極保護(hù)技術(shù)分析

李世超

（中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100000）

1 陰極保護(hù)技術(shù)的分類與應(yīng)用原理

1.1 技術(shù)分類

陰極保護(hù)技術(shù)在正式使用時(shí)可分成強(qiáng)制電流法與犧牲陽極法。將電源系統(tǒng)負(fù)極與保護(hù)性目標(biāo)金屬相連接，電源可對(duì)目標(biāo)金屬增加一定量的陰極保護(hù)電流，使金屬表面電位出現(xiàn)負(fù)向偏移現(xiàn)象，對(duì)金屬進(jìn)行規(guī)范性保護(hù)，該類保護(hù)性原理為強(qiáng)制電流法。在使用強(qiáng)制電流法時(shí)可連續(xù)調(diào)整輸出電壓，降低外界環(huán)境的影響，增強(qiáng)保護(hù)方式的可靠性[1]。對(duì)于犧牲陽極法來說，將自腐蝕電位比中的被保護(hù)構(gòu)筑物陽極金屬連接到被保護(hù)結(jié)構(gòu)上時(shí)，可采取犧牲陽極法，將被保護(hù)構(gòu)筑物連接到陰極系統(tǒng)中，對(duì)目標(biāo)金屬腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行針對(duì)性控制，擴(kuò)展陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1.2 應(yīng)用原理

石油輸送管道在正式運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到多重要素影響，管道會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕問題，而該類腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)原因?yàn)榻饘倥c外界形成一定的電化學(xué)反應(yīng)。系統(tǒng)內(nèi)部要存有陰陽極，陰極多為獲取電子后還原的一側(cè)；陽極為失去電子氧化的一側(cè)。陰陽極在正式出現(xiàn)后，將出現(xiàn)數(shù)值相偏離的電位差，產(chǎn)生電位差后，可快速促成電化學(xué)反應(yīng)。陰陽極若處在連通以后的電解液內(nèi)，而電解液內(nèi)部可存在自由移動(dòng)性較強(qiáng)的活化離子，加速陰陽極中的電化學(xué)反應(yīng)。在控制電子與離子的流通時(shí)，要觀察電化學(xué)反應(yīng)的流通狀態(tài)，確保其始終處在流通形式中。出現(xiàn)上述狀態(tài)后，石油管道內(nèi)部的金屬將產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，金屬表面電位與金屬自腐蝕電位值相符，加快腐蝕速度。若能科學(xué)使用陰極保護(hù)技術(shù)，則表面電位會(huì)與原有的平衡性電位相偏離，終止金屬腐蝕進(jìn)度。

2 陰極保護(hù)裝置產(chǎn)生的故障危害與形成故障的原因2.1 故障危害

石油長輸管道在正式運(yùn)行時(shí)，要合理保護(hù)管道，而該類管道建設(shè)使用中又存在漏電、絕緣不良的故障。使用陰極保護(hù)裝置時(shí)，可發(fā)現(xiàn)該類設(shè)備在運(yùn)行期間常產(chǎn)生管道保護(hù)距離縮減、輸出電流增大的問題。在犧牲陽極系統(tǒng)內(nèi)，犧牲陽極組會(huì)快速增加輸出電流，且該電流超出電流保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。引發(fā)陰極保護(hù)裝置問題的主要原因?yàn)槲幢槐Ｗo(hù)的構(gòu)筑物與已被保護(hù)的金屬管道形成“短路”，也被稱為“接地故障”。若想判斷強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)陽極地床與電纜器的連接狀態(tài)，可使用輸出電流檢測(cè)法，率先開啟恒電位儀，再在恒電位儀內(nèi)部的陽極輸出側(cè)連接電流表，若該類電流值為0，可說明該區(qū)域存在斷路問題。在出現(xiàn)斷路現(xiàn)象后，陰極保護(hù)系統(tǒng)難以正常工作，石油長輸管道的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生較大問題，嚴(yán)重縮減陰極保護(hù)技術(shù)的使用狀態(tài)。

2.2 故障形成原因

引發(fā)陰極保護(hù)裝置出現(xiàn)質(zhì)量問題的主要原因?yàn)榻^緣法蘭漏電與施工規(guī)范程度不佳。絕緣法蘭產(chǎn)生漏電或失效現(xiàn)象后，石油管道的陰極保護(hù)裝置會(huì)產(chǎn)生較大故障。當(dāng)絕緣法蘭的質(zhì)量不佳時(shí)，運(yùn)用一段時(shí)間后，其內(nèi)部的絕緣零部件將產(chǎn)生變質(zhì)或受損，降低法蘭器件的絕緣性。漏電位置多發(fā)生在非保護(hù)管道與保護(hù)管道的交叉處，絕緣法蘭位置也較易產(chǎn)生漏電問題[2]。由于地下管網(wǎng)的復(fù)雜程度較高，多條線路會(huì)與被保護(hù)管道形成交叉狀態(tài)，要依照石油長輸管道的實(shí)際建設(shè)情況，多方位檢查與反復(fù)測(cè)量，精準(zhǔn)確認(rèn)漏電故障位置。施工規(guī)范程度不佳也會(huì)引起管道故障。比如，在兩條管道中，若一條為未保護(hù)管道，另一條為陰極保護(hù)管道，進(jìn)行兩條管道的交叉施工時(shí)，兩條管道之間的凈垂直距離要保持在0.3 m 左右，并在交叉點(diǎn)附近安置合適的絕緣裝置。相關(guān)人員未依照上述標(biāo)準(zhǔn)開展施工操作時(shí)，相應(yīng)管道在完成埋設(shè)后，受土壤應(yīng)力影響，內(nèi)部管道將會(huì)相互搭接，使絕緣層產(chǎn)生破損現(xiàn)象，即各金屬間緊密相連，生成漏電點(diǎn)，增加石油管道應(yīng)用的危險(xiǎn)性。在明確長輸石油管道的運(yùn)行過程后，為增強(qiáng)管道運(yùn)行安全，在管道系統(tǒng)中采用陰極保護(hù)技術(shù)，安置保護(hù)性裝置，強(qiáng)化石油管道運(yùn)輸?shù)恼w安全。

3 陰極保護(hù)技術(shù)在長輸石油管道中的實(shí)踐運(yùn)用

3.1 安裝恒電位儀

完成了陰極保護(hù)技術(shù)的準(zhǔn)備性工作后，要率先安裝恒電位儀。為加強(qiáng)對(duì)長輸石油管道的保護(hù)性，要根據(jù)該類管道系統(tǒng)的實(shí)際情況開展恒電位儀安裝工作。相關(guān)人員須科學(xué)觀察石油管道的運(yùn)輸位置，明確該運(yùn)輸位置周圍的具體情況，及時(shí)提取天氣、溫度、濕度等外部環(huán)境指標(biāo)，在各項(xiàng)數(shù)值的規(guī)范下，適時(shí)確認(rèn)石油管道的位置設(shè)計(jì)效果。若想提升石油管道運(yùn)輸?shù)陌踩?，安裝恒電位儀時(shí)需合理設(shè)置裝置的安裝使用數(shù)量，利用對(duì)使用過程與運(yùn)用數(shù)量的規(guī)劃，全面增強(qiáng)石油管道運(yùn)輸?shù)陌踩浴Ｍ瓿墒凸艿篮汶娢粌x的安裝后，要及時(shí)檢測(cè)該類設(shè)備的內(nèi)部數(shù)據(jù)參數(shù)，利用對(duì)該項(xiàng)數(shù)值的合理規(guī)劃，提升設(shè)備儀器的使用安全，確保石油管道的整體運(yùn)輸質(zhì)量。使用恒電位儀前，要對(duì)該類裝置開展試運(yùn)行工作，適時(shí)提取裝置內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的變化過程進(jìn)行合理規(guī)劃，增強(qiáng)長輸管道的整體運(yùn)行質(zhì)量。

3.2 設(shè)計(jì)參比電極

進(jìn)行恒電位儀設(shè)計(jì)的過程中，要進(jìn)行參比電極與匯流點(diǎn)的設(shè)計(jì)。設(shè)置參比電極與匯流點(diǎn)時(shí)，要將匯流點(diǎn)安裝在管線出站的位置，匯流點(diǎn)設(shè)置在絕緣接頭的外側(cè)，借助對(duì)絕緣接頭的科學(xué)性使用，有效增強(qiáng)匯流點(diǎn)設(shè)計(jì)使用的安全性。進(jìn)行匯流點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，要在該位置適當(dāng)增設(shè)參比電極與防爆炸接線箱，利用對(duì)該類裝置的持續(xù)性使用，有效延長該類裝置的使用時(shí)間，確保裝置運(yùn)用的安全性。一般來講，參比電極帶有極強(qiáng)的長效機(jī)制。安裝防爆炸接線箱時(shí)，要適時(shí)檢測(cè)已完成安裝的陰極保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的裝置位置進(jìn)行合理規(guī)劃，并將處在匯流點(diǎn)附近的參比導(dǎo)線連接到對(duì)應(yīng)的設(shè)備中。完成防爆炸接線箱的安裝后，要及時(shí)檢測(cè)該裝置附近的電纜安裝情況，確保零位接陰電纜與陰極電纜全都處在防爆炸接線箱中，提升該項(xiàng)裝置使用的科學(xué)性、安全性。為加強(qiáng)不同匯流點(diǎn)的應(yīng)用安全，在完成參比電極與匯流點(diǎn)的整體安裝設(shè)計(jì)后，還要在匯流點(diǎn)處適當(dāng)修補(bǔ)絕緣材料，完善整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)。

3.3 設(shè)置陽極地床

陽極地床分為深井陽極和淺埋陽極。輔助陽極地床為電流陰極報(bào)站中的重要構(gòu)成，要利用陰極保護(hù)設(shè)備將被保護(hù)管道內(nèi)的陰極極化流輸送到土壤中，受到土壤內(nèi)部導(dǎo)電離子與水分的傳輸后可將其傳導(dǎo)至管道表面，使陰極保護(hù)導(dǎo)電回路變得更為完整。當(dāng)前陽極地床共存在深井陽極地床與淺埋陽極地床兩種形式，前者埋深多在15 m 以下，后者埋設(shè)在冰土層深度下。深井陽極地床多運(yùn)用在地表土壤高電阻率與存在金屬構(gòu)筑物的附近，可利用對(duì)電流分布的持續(xù)性控制，最大化縮減電壓梯度變化。設(shè)置淺埋陽極地床前，要明確該項(xiàng)裝置的內(nèi)部構(gòu)成，即包括存在對(duì)應(yīng)長度電纜的硅鑄鐵陽極或者混合金屬氧化物陽極，該類材料的數(shù)量由陰極保護(hù)電流計(jì)算，完成材料的準(zhǔn)備后，要將材料埋藏在地床中，該地床與管線的距離在200 m 以上，且呈現(xiàn)垂直狀態(tài)。淺埋陽極在進(jìn)行填埋過程中，要對(duì)深度提出較高要求，即陽極頂部和地面的距離要遠(yuǎn)離2.5 m 左右，各陽極間的距離也要保持在5 m 左右[4]。完成輔助陽極的填埋工作后，要利用填包料完成包裹工作，填包料內(nèi)部多帶有直徑在15 mm 左右的焦炭粉，其包裹厚度要保持在100 mm 上下。埋設(shè)陽極地床期間，要科學(xué)挑選埋設(shè)位置，對(duì)該項(xiàng)位置進(jìn)行合理規(guī)劃，不可選擇存有構(gòu)筑物的區(qū)域，無論地上還是地下，要盡量挑選在潮濕且地勢(shì)較洼的區(qū)域，實(shí)際施工時(shí)還要依照實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。日常運(yùn)用陽極地床期間，還要對(duì)該類裝置開展定期維護(hù)和檢查工作，專業(yè)人員可對(duì)操作期間的電阻變化進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，在發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化幅度較大的區(qū)域后，要及時(shí)分析引發(fā)數(shù)值變大的原因，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行切實(shí)完善，使設(shè)備內(nèi)部電壓始終處在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。日常應(yīng)用陽極地床裝置時(shí)，要對(duì)該類設(shè)備進(jìn)行合理檢測(cè)，使裝置內(nèi)部的各項(xiàng)系數(shù)處在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，全面增強(qiáng)設(shè)備使用效果。

3.4 控制鋅接地電池

完成陽極地床裝置的安裝工作后，要根據(jù)陽極保護(hù)技術(shù)操作原理，適當(dāng)控制鋅接地電池，使該類電池的安裝使用處在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。比如，在當(dāng)前的陰極保護(hù)手段中，要明確設(shè)置鋅接地電池的主要目的，利用該項(xiàng)裝置來加強(qiáng)電絕緣接頭使用的科學(xué)性。電絕緣接頭在使用過程中，受多重要素影響，極易出現(xiàn)更大風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅該類接頭使用的安全性，而在安裝了鋅接地電池后，電絕緣接頭的安全性得到了保證，無論在使用中還是使用后，都增強(qiáng)了該類接頭的安全性、穩(wěn)定性。在完成鋅接地電池的設(shè)置后，還要將該類裝置放置在管線與電池內(nèi)部電纜的連接處，并借助防爆接線箱來增強(qiáng)該項(xiàng)裝置使用的科學(xué)性。日常操作時(shí)，合理確認(rèn)鋅接地電池的用途與使用方法，將該類電池的內(nèi)在隱患控制在一定的場(chǎng)地范圍內(nèi)，提升電池使用的科學(xué)性，并對(duì)各絕緣位置進(jìn)行針對(duì)性控制，增強(qiáng)陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用安全。

3.5 安置測(cè)試箱

測(cè)試箱的安裝是陰極保護(hù)技術(shù)運(yùn)用的重點(diǎn)內(nèi)容。進(jìn)行石油管道傳輸建設(shè)期間，應(yīng)適時(shí)確認(rèn)石油管道的建設(shè)位置、傳輸狀態(tài)，科學(xué)控制管道系統(tǒng)的各項(xiàng)裝置設(shè)施，根據(jù)當(dāng)前項(xiàng)目的施工順序，在完成了新接地電池的安裝后，要進(jìn)行防爆接線箱與測(cè)試箱的安裝工作[5]。進(jìn)行各項(xiàng)裝置的安裝與埋設(shè)時(shí)，合理確認(rèn)防爆接線箱與測(cè)試箱的安設(shè)位置，盡量將其安置在絕緣位置附近，增強(qiáng)該類設(shè)備的使用頻率與運(yùn)用效果。要將防爆接線箱與測(cè)試箱安置在石油管道的左側(cè)，盡量與管道邊緣保持恰當(dāng)距離，間隔長度多維持在1 km 左右。還要在石油管道長輸管處安置電位測(cè)試樁，該項(xiàng)裝置也需沿管道間距維持在1 km 的距離，并在沒間距5 km 處安置測(cè)試電流的測(cè)試樁。正式安裝使用防爆炸接線箱時(shí)，要科學(xué)規(guī)劃該類裝置的流經(jīng)范圍，即該裝置須處在絕緣接頭、匯流點(diǎn)附近。埋設(shè)防爆炸接線箱前，合理設(shè)置該項(xiàng)裝置的內(nèi)部參數(shù)，將各項(xiàng)參數(shù)適當(dāng)把控在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，全面增強(qiáng)設(shè)備埋設(shè)質(zhì)量，增強(qiáng)防爆炸接線箱與測(cè)試樁的應(yīng)用安全，高效擴(kuò)展該類裝置的應(yīng)用范圍。完成陰極保護(hù)技術(shù)的設(shè)備安裝后，還要在多個(gè)管線破損處進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆栏幚?，即修補(bǔ)使用不同類型的補(bǔ)傷防腐材料，全面增強(qiáng)設(shè)備裝置的安裝使用質(zhì)量，保障長輸石油管道的運(yùn)行安全。

完成測(cè)試箱的安裝以后，若想增強(qiáng)陰極保護(hù)技術(shù)的運(yùn)用效果，還要合理規(guī)范陰極保護(hù)測(cè)量技術(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)電阻法與雙電流表法運(yùn)用到測(cè)量工作中。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)電阻法時(shí)，測(cè)試導(dǎo)線的長度要在1 m 以內(nèi)，且截面積不低于4 mm2，在該類數(shù)值的保證下，縮減導(dǎo)線內(nèi)阻中形成的測(cè)量誤差。實(shí)際操作中要將電阻串聯(lián)至陰極保護(hù)的回路內(nèi)，并借助電壓表來測(cè)試電阻兩側(cè)電壓。而對(duì)于雙電流表法而言，要在正式使用該方式前選擇型號(hào)相同的2個(gè)數(shù)字萬用表，保證其在相同量程中的內(nèi)阻值相同。首先，將電流表串聯(lián)到測(cè)量回路中，獲取電流值。其次，要將另一個(gè)電流表串聯(lián)到此前電流表所在的測(cè)量回路中，該階段兩個(gè)電流表的電流與電流量程相同。最后，要合理記錄兩個(gè)電流表中電流數(shù)據(jù)的運(yùn)行變化，將平均值當(dāng)成陰極保護(hù)電流的標(biāo)準(zhǔn)值。

4 陰極保護(hù)技術(shù)在長輸石油管道建設(shè)中的維護(hù)管理措施

4.1 科學(xué)維護(hù)陰極保護(hù)設(shè)施

日常工作中，要定期開展陰極保護(hù)設(shè)施的維護(hù)檢查工作。①精準(zhǔn)檢測(cè)陰極保護(hù)恒電位儀的避雷器，判斷其是否處在接地狀態(tài)中，恒電位儀接地電阻要始終保持在10 Ω 左右。②根據(jù)陰極保護(hù)設(shè)施的運(yùn)行情況，適當(dāng)判斷電氣儀表的應(yīng)用狀態(tài)，科學(xué)檢測(cè)儀表內(nèi)部的通電點(diǎn)電位數(shù)、電流與電壓值的變化，若存有變化，在完成位置記錄后，要及時(shí)查明原因并加以解決。③檢測(cè)配電盤中熔斷器保險(xiǎn)絲的連接情況，科學(xué)判斷各項(xiàng)元件的使用情況，若某元件在運(yùn)用時(shí)存有機(jī)械障礙，則要立即更換該類元件。④適時(shí)觀察電氣設(shè)備內(nèi)部電路安裝與接觸的牢固性，明確陰極保護(hù)技術(shù)下各通電點(diǎn)、陽極地床與電源導(dǎo)線的接頭牢固程度，提升陰極保護(hù)技術(shù)的安裝應(yīng)用效果。

4.2 合理檢修陰極保護(hù)管道

針對(duì)陰極保護(hù)管道的應(yīng)用狀態(tài)，要對(duì)陰極保護(hù)管道的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)與使用范圍進(jìn)行合理探究，并在日常工作中科學(xué)檢修各項(xiàng)設(shè)備裝置。①定期檢查通電點(diǎn)電位，填寫運(yùn)行日志，明確各項(xiàng)裝置的實(shí)際運(yùn)行情況。②不可隨時(shí)更換電氣設(shè)備的內(nèi)部接線，若該接線在質(zhì)量檢測(cè)中出現(xiàn)問題，才能及時(shí)更換設(shè)備接線，確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。③開展陰極保護(hù)管道的設(shè)備維修時(shí)，要及時(shí)檢查管道周圍的建設(shè)環(huán)境，找出設(shè)備內(nèi)部帶有的安全隱患，再借助管道應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)來開展相應(yīng)的設(shè)備維修工作。④在日常檢查中適當(dāng)控制設(shè)備接地狀態(tài)，避免出現(xiàn)管道接地故障，使整條線路都能獲得陰極保護(hù)。

4.3 維護(hù)絕緣法蘭與測(cè)試樁

在維護(hù)絕緣法蘭的過程中，要對(duì)絕緣法蘭管地電位進(jìn)行定期測(cè)試，若該項(xiàng)數(shù)值與原有數(shù)值存在差異，要合理分辨性能的優(yōu)劣性，并增加對(duì)漏電情況的精準(zhǔn)控制。在完成絕緣情況的檢測(cè)后，若該數(shù)值超出區(qū)域電阻標(biāo)準(zhǔn)，則要進(jìn)行恰當(dāng)維修；低于該標(biāo)準(zhǔn)則說明存在接地情況。在維護(hù)測(cè)試樁期間，要及時(shí)檢查管線與接線柱的連接情況，科學(xué)檢測(cè)測(cè)試樁的電位值和電流值。還要對(duì)測(cè)試樁的編號(hào)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，科學(xué)記錄測(cè)試樁中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化。

5 結(jié)束語

長輸油氣管道的鋪設(shè)帶有極強(qiáng)的復(fù)雜性，管道外部的環(huán)境較為復(fù)雜，無論是管道防腐還是管道鋪設(shè)，都存在較高要求。使用陰極保護(hù)技術(shù)后，可對(duì)管道的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行合理控制，既能縮減管道運(yùn)營成本，還能增強(qiáng)管道資源運(yùn)用效率，使陰極保護(hù)手段的使用范圍變得更為廣泛。