埋地輸油管道陰極保護電位欠保護狀態的原因與對策

(中國石化銷售有限公司華南分公司川渝輸油管理處，四川 內江 641100)

埋地輸油管道具有輸送距離長、所經地區范圍廣、地形地貌變化大及沿線環境惡劣等特點，且土壤中含有大量的腐蝕性物質，即水分和能進行離子導電的鹽類，使土壤與金屬管道構成原電池，使金屬在土壤中發生電化學腐蝕，最終造成管道腐蝕穿孔、油氣泄漏。某成品油管道輸送的是高壓、易燃、易爆汽油和柴油，一旦輸油管道出現腐蝕穿孔就會造成油品泄漏，影響管道的安全穩定運行，污染環境，甚至導致爆炸、火災、人員傷亡等事故，嚴重危害當地群眾生命財產安全。

為有效抑制管道腐蝕，實現該工程管道全線達到應有的保護效果，對該埋地輸油管道采用防腐蝕涂層和陰極保護聯合防護方式，防腐蝕涂層作為控制腐蝕的第一道防線，將被保護金屬管道與周圍的電解質溶液隔離，阻止電化學腐蝕的發生，抑制了腐蝕過程，基本實現了對腐蝕的全面控制；防腐層的存在也為陰極保護提供了絕緣條件，減少埋地金屬管道裸露的面積，使陰極保護所需要的電流相對于未施加防腐蝕涂層的裸金屬所需要的電流大幅度減少，降低能耗和成本投入。作為腐蝕控制的第二道防線，陰極保護系統輸出的電流則進入涂層的缺陷損傷處，使這些薄弱部位可能發生的腐蝕過程得以控制，從而使管道得到保護。但在運行過程中由于各種影響因素，造成管道處于欠保護狀態，最終降低了管道的保護效果，導致部分管道腐蝕加重，造成巨大的安全隱患。

1 陰極保護系統簡介

該成品油管道于2017年投產運行，材質為X60鋼，管徑為355.6 mm，壁厚為8.7 mm。埋地輸油管道外防腐蝕涂層采用3PE，管道陰極保護采用強制電流方式，共設首站、末站各一座，分輸站兩座。根據陰極保護工藝計算，四座工藝站場、首站轄區內某座閥室、末站轄區內某座閥室各建有陰極保護站一座，共計6座。其中中間兩座工藝站場1號和2號站場尚未開工建設，站場陰極保護系統尚未建設投用。依據GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》的規定，除了管道敷設在特殊的土壤環境中以外，管道陰極保護電位范圍為-1.200～-0.850 V，該電位指的是斷電電位，不包含陰極保護電流流經土壤形成的IR降電位。在陰極保護系統投產以后，從初期的運行效果來看，管道的保護效果并不理想。根據每月該成品油管道保護電流電位測試數據初步分析，自1號站場上游35 km至2號站場下游35 km范圍內，連片保護電位偏低，管道陰極保護電位均處于欠保護狀態，其余地段管道保護電位均達到正常保護狀態。

1號站場和2號站場管道2017年6月陰極保護電位分布分別見圖1和圖2。

圖1 1號站場管道陰極保護電位情況

圖2 2號站場管道陰極保護電位情況

1號站場從樁號YC1161起，到樁號YN067止，保護電位均大于-0.85 V(相對Cu/飽和CuSO4參比電極);2號站場從樁號YN068起，到樁號NJ003止，保護電位均大于-0.85 V，全線約160 km管道陰極保護未達標。

2 原因分析及整改措施

針對管道保護電位欠保護的問題，從防腐蝕涂層狀況、管道絕緣不良及陽極地床斷路方面，以及陰極開路、零位接陰斷路、陽極接地故障及絕緣法蘭失效或漏電跨接電纜等方面進行分析排查，發現這些因素處于正常運行狀態，因此排除了這些可能造成保護電位欠保護的因素。分析其原因是1號站場和2號站場建設進度嚴重滯后，其陰極保護站的強制電流陰極保護系統無法正常投用。目前僅有首站、首站轄區內某座閥室、末站和末站轄區內某座閥室這四個陰極保護站的強制電流陰極保護系統正常投用，但不足以保護1號站場至2號站場段的管道。

通過對該成品油管道全線通電電位進行測量，初步掌握了陰極保護系統的運行狀況。根據該成品油管道每月的保護電位測試數據、沿線閥室分布情況進行綜合分析，結合現場實際情況，初步判斷：目前如果對全線管道約160 km陰極保護未達標區域進行正常保護，需在1號站場轄區內的通信中繼閥室和2號站場轄區內的2號遠控閥室增加臨時陰極保護站，代替還未建成的1號站場和2號站場陰極保護站。即對1號站場上游35 km至2號站場下游35 km范圍共約160 km陰極保護電位未達標的外線路管道進行強制電流陰極保護。臨時陰極保護站的選址綜合考慮了保護距離、管理因素、工程地質條件、交流電源、運行成本、管道周圍埋地金屬構筑物、便于維護管理及規劃影響等多種因素，確保項目建設順利進行，保證保護電流分布盡量均勻，使陰極保護系統提供理想的保護效果。

2.1 輔助陽極地床埋設位置的選取

輔助陽極地床位置的正確選擇對于降低陽極接地電阻、減少陽極的消耗、降低運行成本、防止陰極保護系統對鄰近金屬構筑物的影響、保障陰極保護有效性以及便于安裝施工都是很重要的。輔助陽極地床距管道越遠，管道上的保護電流分布越均勻，但距離太遠會增加電纜的壓降。當陽極地床距離管道不大于200 m時，對管道上的電流分布影響較大，當大于等于300 m時，其影響程度就會降低，因此很多長輸管道的陽極地床一般設在距管道300～500 m之間。由于通信中繼閥室所處地理位置的限制，閥室位于河流與省道之間，管道采用定向鉆的敷設方式穿越河流和省道，河流與省道之間的管道采用直埋的敷設方式。由于其特殊的地理條件，陽極地床最終選在閥室東北角距管道約120 m的河邊低洼地帶，潮濕低洼處四周土壤電阻率較低，利于陽極地床的埋設。2號遠控閥室位于較開闊的地方，雖然閥室附近有高壓電線，但陽極地床的位置完全能夠避開高壓電線接地體，陽極地床選在閥室西南角下坡距離管道垂直距離200 m的低洼莊稼地。

2.2 陰極保護電源選用

強制電流陰極保護電源的選用基本要求：長期不間斷供電；應優先使用市電或使用各類站場穩定可靠的交流電源；當電源不可靠時，應裝有備用電源或不間斷供電專用設備[1]。交流電源是最經濟的，有交流電網的地區，陰極保護首選電源為交流市電，當無交流市電或交流市電不穩定(如農用電)時應選用其他電源，通常可供選擇的有太陽能電池、風力發電機、TEG和CCVT等，有時兩個或兩個以上聯合。通信中繼閥室和2號遠控閥室這兩座線路截斷閥室，是具有自動遠控功能的閥室，閥室的交流電可以作為外加電流陰極保護系統恒電位儀的電源，恒電位儀電源線接入房間內的配電箱中，為陰極保護系統提供電源。恒電位儀布置在儀表間，電氣設備的安裝符合《電氣設備安裝規程》的規定。

2.3 輔助陽極材料的選擇

輔助陽極是強制電流陰極保護系統中不可缺少的重要組成部分，對陰極保護的效果和成本、經濟性影響很大。輔助陽極材料應有良好的導電性能，在土壤或地下中有穩定的接地電阻，即使在高電流密度下，表面的極化較小；化學穩定性好，在惡劣環境中腐蝕率小；有一定的機械強度并便于加工和安裝；價格低、來源方便。

高硅鑄鐵陽極是目前應用范圍最廣的輔助陽極，硅質量分數為14%～18%，是一種低溶解性陽極，有一定的消耗率，輸出電流大，在正常條件下工作的高硅鑄鐵，表面會生成二氧化硅膜，滲透性很好，是良好的電子導體。高硅鑄鐵陽極的主要應用介質是土壤、淡水、半咸水和海水，適用于高電阻率介質的條件，還可以應用在不便于填加填充料的地區，如沼澤地或流沙地區。高硅鑄鐵耐鹵素的性能差，為了改善耐Cl-的腐蝕能力，可在高硅鑄鐵中添加1%～3%的鉻，在含氯較高的地區，應選用含鉻高硅鑄鐵。在海水和半咸水中，高硅鑄鐵表面形成的膜層是不完整的，這使它們耐蝕性較差。為了改善耐蝕性，往往添加一些合金元素，含4.5%Cr的高硅鉻鐵的耐蝕性比含Mo硅鐵更高，更為經濟，廣泛應用在鹽水和土壤中[2]。

加鉻高硅鑄鐵陽極性能較為全面，適用范圍廣，且價格低，使用年限長，在陰極保護中是技術成熟、使用廣泛的輔助陽極材料。輔助陽極地床采用淺埋陽極類型，安裝方式采用淺埋立式，輔助陽極材料采用加鉻高硅鑄鐵陽極，規格采用φ75×1 500 mm，技術性能符合GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》規定，每個陽極地床埋設20支加鉻高硅鑄鐵陽極，用焦炭作填包料，焦炭粒徑為3～15 mm，焦炭裝完后夯實，并澆水浸透。

2.4 輔助陽極地床埋設

輔助陽極地床應安裝在閥室外土壤電阻率較低、附近沒有埋地金屬構筑物的地方，填包料埋設前應用水浸泡24 h，以確保填包料充分浸潤。每個陽極通過陽極主電纜連接在一起，陽極自帶電纜和陽極主電纜用銅管壓接，陽極電纜連接到恒電位儀的陽極接線端。電纜的敷設深度不小于800 mm，并保證置于凍土層以下。敷設時應留有一定的裕量，以適應回填土的沉降，焦炭回填厚度為300 mm，上面埋設細砂，再回填土。回填焦炭應確保密實，并且焦炭中沒有其他雜質，焦炭回填后，必須用水濕潤后，再進行細砂和土壤的回填。

2.5 通電點、參比電極的安裝

通電點安裝包括陰極電纜、零位接陰電纜安裝。陰極電纜、零位接陰電纜、參比電纜分別采用YJV22-0.6/1kV 1×16 mm2,YJV22-0.6/1kV 1×10 mm2,YJV22-0.6/1kV 1×10 mm2電纜，分別從恒電位儀的相應輸入、輸出端子接線，同溝敷設至各管道通電點處。陰極電纜、零位接陰電纜與管道的連接采用鋁熱焊，兩焊點之間的間距為800 mm，目測和電火花檢測合格后方可回填，焊點距管道焊縫的距離大于100 mm。

參比電極采用預包裝長效硫酸銅參比電極，參比電極安裝于通電點附近的凍土層以下，參比電極埋設前應在凈水中浸泡24 h以上，以確保參比電極充分浸潤。

3 陰極保護效果的檢測

通信中繼閥室和2號遠控閥室兩個臨時陰極保護站建成后，對恒電位儀進行調試，保證恒電位儀穩定有效運行，陰極保護系統管道通電極化三天后，現場測試沿線測試樁處的管道保護電位，測試結果表明：在通電情況下，測得的管道保護電位均負于-850 mV，為消除IR降，采用瞬間斷電后測得的管道真實保護電位均負于-850 mV，達到陰極保護電位標準的要求。輸出電壓和輸出電流維持在1.5 V和1.2 A，均達到技術指標要求，恒電位儀運行穩定。

4 結 語

根據整改后的陰極保護系統運行情況來看，保護效果非常顯著，使管道完全得到保護，提高了管道的使用壽命，通過增加臨時陰極保護站，縮短陰極保護站的站間距，合理地選擇臨時陰極保護站的地理位置、陽極地床埋設位置和埋設方式、輔助陽極的材料和數量，保證陰極保護系統正常運行，有效地解決了管道保護電位欠保護的問題。