簡述天然氣長輸管道外加電源陰極保護故障治理

單曉建 韓寶強 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)

天然氣是我國經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的重要能源，由于其特殊的物理化學性質，造成了自身開采運輸方面的局限性。截至目前，長輸管道是天然氣能源輸送的主要手段，具有提高輸送效率、降低運輸成本、提高安全性等諸多優(yōu)點；同時，天然氣長輸管道在運行中也要面臨各種復雜、惡劣的情況（如地震、滑坡、泥石流等），突然性自然災害容易造成管道破損形成泄漏事故，因此維護工作是相當重要的。

相比突發(fā)性自然災害而言，還有另外一項威脅是在潛移默化中進行的，這就是因為環(huán)境原因造成的輸送管道腐蝕。腐蝕性過程一般要經歷較長的時間，而且腐蝕問題不進行到一定程度是不明顯的，極難判斷發(fā)生泄漏的可能性，所以對于腐蝕性威脅的解決方案以預防和維護為主。

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

1 外加電源陰極保護原理分析

外加電源陰極保護是一種典型的電化學防腐蝕措施，這一方法利用了長輸管道設備與四周環(huán)境的電位差，來保護設備本身的電子不會流失，從而長時間地域環(huán)境電位，阻斷電化學腐蝕反應的發(fā)生。因此，要實現(xiàn)保護電子不會流失的目的，可以從兩方面入手，即：外加電源陰極保護和犧牲陽極陰極保護。

從實踐效果來看，犧牲陽極陰極保護的方法存在一些明顯的弊端，設備的金屬材質會在一定時期內積累大量的不導電硬殼（3-5年），導致陽極的電流無法持續(xù)流失，大大縮短了設備的使用年限。而要改變這現(xiàn)狀，就必須對施工的環(huán)境加以改造，如土壤中的電阻成分不能過高，環(huán)境保持一定的恒溫和干燥度等。而這些條件對于天然氣長輸管道建設而言，無疑增加了成本；如果從天然氣管道材料方面入手，其控制陽極的成分更難以達到要求，因此這技術存在較大的局限性。

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

以下通過分子式來詳細分析電源陰極保護的原理：

天然氣長輸管道暴露在潮濕的空氣中，管道材質自身的鐵（Fe）由于雜質的關系，與氧氣和水分子構成原電池形態(tài)。其中，鐵在吸氧作用下形成了負極（Fe-2e=Fe2+），而正極則有材質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在流失大量電子之后，就會形成與氫氧化鐵（三價Fe（OH）3），進而在空氣中反應失去水分子形成氧化鐵（三氧化二鐵），也就是鐵銹成分。

通過對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、水分子進一步結合。

2 外加電源陰極保護系統(tǒng)存在的故障問題及治理措施

2.1 故障問題分析

首先，主要的故障來源于電極保護裝置。

外加電源陰極保護系統(tǒng)是隨著天然氣長輸管道施工共同建立的，尤其是針對一些需要深埋的管線部分，需要穩(wěn)定的直流電作業(yè)，因此針對于電源保護裝置的要求很高。

就目前現(xiàn)狀而言，我國在外加電源陰極保護系統(tǒng)中的電源保護裝置模塊中，還存在一些落后情況。國外先進國家一般采用的設備是整流器，這種裝置的維護手段相對簡單，性能穩(wěn)定，一般定期選擇參數(shù)調整即可；國內由于外加電源陰極保護系統(tǒng)設計施工是問題，普遍采用的電源保護裝置是恒電位儀。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，其維護過程比較復雜，同時也加大了投資的成本。

電源保護裝置故障通常表現(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（非認為破壞），也可以理解為對環(huán)境的適應程度不強；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品，最大的故障表現(xiàn)在運行不穩(wěn)定方面，通常會造成參比電極電位數(shù)量誤差（幾十到幾百毫伏），過大的誤差會造成電源保護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，原本保護的天然氣管道兩端部分就會形成電流，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，電源保護裝置維護。電源保護裝置維護主要是針對恒電位儀，要防止可能出現(xiàn)的故障，最有效的辦法是采用備份手段，備份設備可以在發(fā)生故障之后立即啟用。同時，日常的維護工作主要針對損壞、元件松動、脫焊、雜質清理等方面。

第二，硫酸銅電極維護。硫酸銅電極的維護主要是從精確度、穩(wěn)定性入手，目前國內生產的硫酸銅電極設備質量有待提高，因此在維護程序中可以匹配一部分進口產品，同時對于經常使用的設備做好維護，自動矯正。

第三，絕緣法蘭是維護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，立即進行檢查，進行必要的干燥處理，同時定期刷漆、擦拭。

[1]閆勇,田光.天然氣長輸管道外加電源陰極保護故障治理[J].科技信息,2012,14:387-388.

[2]付俊玲.輸氣管道外加電源陰極保護故障的處理[J].煤氣與熱力,2007,06:10-11.

[3]劉勝.地下長輸管道外加電流陰極保護的電化學過程分析[J].連云港化工高等專科學校學報,2002,04:53-54.

[4]吳俊鋒.天然氣支干線長輸管道特點及安全問題探討[J].石油規(guī)劃設計,2010,04:29-31+52.