關于航煤管道陰極保護系統故障的排查與處理

李紅文(海南太平洋石油實業股份有限公司，海南 三亞 572000)

0 引言

三亞鳳凰機場航油管道工程項目于2016 年5 月開建，2017年1 月建成投用，截止2019 年12 月系統運行期間，因外部雜散電流干擾、恒電位儀設備故障、陽極床接地電阻增大、雷電入侵等因素引起管道陰極保護系統多次出現異常。本文通過對管道陰極保護系統的故障分析及處理，比較全面的找到故障原因，故障全部排除后恒電位儀輸出參數明顯優化，管道得到有效陰極保護。

1 引起管道陰極保護系統故障的因素

(1)外部雜散電流干擾

由于管道埋設距離較長，存在多處與高壓輸電線路和環島高鐵電氣化鐵路交叉或者平行敷設的情況。因此，金屬管道長期存在由于高壓輸電線或電氣化鐵路電磁感應產生的感應電壓情況，因瞬間故障狀態(如短路、開關沖擊等)下，管道上產生瞬間感應電壓，容易引起管道陰極保護電位波動。

(2)感應雷入侵

恒電位儀參比電纜和零位接陰電纜未采用埋地敷設，易受感應電壓和雷電過電壓侵入，造成設備損壞，這種損壞發生頻率較高，海南省三亞市區域屬于雷電頻發地區，對電器設備而言防雷是重點也是難點。

(3)陽極床接地電阻輸出不符合要求

恒電位儀運行犧牲陽極床采用淺埋方式敷設，且安裝的位置于海邊，土質基本上為砂粒，三亞天氣少雨，造成土壤電阻率較高，特別是旱季更易導致陽極床電阻升高，影響恒電位儀正常運行。

2 故障分析排查

三亞鳳凰國際機場航煤管道，于2017 年1 月建成并投入使用。管道全長6.7km，管道設計壓力2.4MPa,一般直管段管材D273×7.0，熱煨彎管及火車站段管材為管道規格為D273×8.0，材質為L245 無縫鋼管，全線采用埋地敷設。直管段管道外防腐采用3PE 加強級防腐層。管道采用強制電流陰極保護系統，采用1 臺規格為 30V/10A 兩回路的交流供電恒電位儀，恒電位儀為一用一備(一體機)，主機與備用機相互間通過恒電位儀控制臺連接、轉換。陰極保護站設在首站，全管段設有26 個陰極保護電位測試樁。

(1)感應雷入侵

2017 年10 月、2018 年2 月、2018 年11 月和2019 年1 月，發生過4 次雷擊故障。進一步分析4 次故障，電源防雷端防雷壓敏電阻損壞0 次；輸入輸出端1 級防雷壓模塊損壞0 次，輸入輸出端2 次防雷壓敏電阻損壞3 次；參比零位1 級防雷模塊1 次，參比零位2 次防雷壓敏電阻損壞4 次；恒電位儀電路板損壞2 次。

從故障的頻率和嚴重程度分析，每次故障有零位參比端防雷壓敏電阻燒損的現象，輸入輸出端防雷壓敏電阻損壞的頻次次之，其中2 次較為嚴重的故障導致恒電位儀電路板損壞，可以判斷是外部異常電壓入侵所致。

恒電位儀器設有5 處防雷器，其中電源1 處1 級(防雷壓敏電阻標稱電壓：470V)，輸入輸出2 處2 級(1 級防雷壓敏電阻標稱電壓：200V)，參比零位2 處2 級。

電源壓敏電阻標稱電壓471V；防雷箱內置防雷板，標稱電壓：240V，壓敏電阻標稱電壓200V；參比零位1 級防雷設備也是防雷箱，標稱電壓：240V，2 級防雷也是壓敏電阻，內置于恒電位儀零位參比接線端子內，壓敏電阻標稱電壓：82V。

圖1 埋地管道陰極保護系統圖

從圖1 可以看出，輸恒電位儀的接線由5 組電纜組成，分別為：①輸入電源、②輸入陰極、③輸出陽極、④零位接陰、⑤參比電極。輸入電源是由配電線路輸入的恒電位儀工作電源，由市電電源供電，輸出陰極是恒電位儀輸出的負端子，接至被保護物的通電點，輸出陽極是恒電位儀的正端子，接至輔助陽極床；零位接陰是恒電位儀電路的地端，接于被保護物通電點附近，參比電極是取樣信號輸入端，于埋設在通電點附近的參比電極相連接。

壓敏電阻的作用：壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，當電源超出壓敏電阻的保護電壓，壓敏電阻會被擊穿，從而實現對后級電路的保護。

每次故障都找到參比零位的壓敏電阻燒損可以說明此路收到外來電壓入侵，電源端的防雷從未出現損壞，可以排除電源電壓的原因，根據各級防雷電阻的防護電壓等級和損壞頻次，可以得出外部入侵電壓基本上大于240V 的范圍，這種范圍的電壓是感應雷的可能性很大。

實測恒電位儀接地網電阻為6Ω，根據防雷要求小于10Ω，說明接地電阻符合要求。由于設備安裝于雷電頻發環境，雷電入侵損壞因素一直存在且根本無法消除，只能在原有設備防雷的基礎上，增加同更高防護等級的防雷設備，根治辦法為重新選址搬移重建。

(2)陽極床接地電阻輸出不符合要求

2019 年3 月14 日，管道陰保系統恒電位儀輸出電壓超出額定電壓(額定電壓30V)，設備報警并自動切到“恒電流”模式運行，人工切換回2 號機同樣存在設備輸出電壓超出額定電壓而無法正常工作情況。

比對分析設備運行記錄(見圖2)，2016 年12 月，新陽極床接地電阻驗收值為7Ω，在同為旱季的情況下，2019 年3 月，陽極床電阻最大值達16.4Ω，陽極床電阻逐漸在增大； 2016 年12月恒電位儀的輸出電壓電流為3.824V/0.498A，2017 年12 月輸出電壓電流為9.488V/0.773A，2018 年12 月輸出電壓電流22.178V/1.692A，恒電位儀的輸出電壓逐漸在增大。

圖2 陰極保護系統運行數據圖

斷開陽極床電纜，將犧牲陽極棒投入海水里作為臨時陽極床，用電纜接入恒電位儀，恒電位儀投入運行平穩，顯示電壓電流為3.487V/2.337A，理論推算出臨時陽極床電阻1.49Ω，這個阻值小于標準值4 歐姆。 當陽極床接地電阻降低，符合恒電位儀廠家設計參數要求時，恒電儀輸出參數平穩，運行正常。

咨詢恒電位儀生產廠家、陰保系統安裝單位及行業內相關專家，初步認為設備選型、材料選擇、安裝施工等基本按設計圖紙及說明書進行，根本原因是陽極床選址存在不足，陽極床安裝位置地下2 米以下全部為砂子，水分流失嚴重，陽極床電阻相對偏高，特別在旱季電阻更高。且陽極床距離海邊不足100米，鹽分較大，氯離子對陽極床高硅鑄鐵陽極表面容易造成腐蝕，影響接地性能。

分析排查結論，輸出電壓超標原因主要是陽極床接地電阻過高，恒電位儀輸出電壓超出額定電壓導致設備無法正常工作，根本原因是陽極床安裝位置選址存在問題。

3 故障處置

為解決恒電位儀安裝環境雷電入侵頻繁，以及陽極床輸出電阻過高影響恒電位儀正常工作等問題，公司委托有資質的設計單位對管道陰極保護系統進行重新選址，經多次測試比對安裝位置的土壤電阻率，最終批準將安裝于管道首端(碼頭)的恒電位儀搬遷至管道末端(機場油庫機房)，在庫區西側綠化用地內新建陽極床、敷設陰極保護電纜及系統綜合調試等內容的設計方案。

陰保站陽極床遷改項目于2019 年8 月9 日進場施工，歷時13 天，共完成30 支預包裝高硅鑄鐵陽極安裝、1 處通電點安裝、1 座陰保站投產測試，于2019 年8 月21 日完成初步驗收，并開始進行試運行，施工過程情況見圖3、圖4 和圖5。

圖3 匯流點安裝

圖4 輔助陽極安裝

圖5 管道陰極保護系統遷改安裝示意圖

4 遷改后效果分析

(1)防雷措施有效，恒電位儀運行正常。

1)恒電位儀現安裝機房建筑物防雷措施有效，機房建筑物東西兩側接地電阻均低于6Ω，并機房且向南20 米，向北40米，各安裝1 支25 米高專用避雷塔(原有)，避雷塔接地電阻低于4Ω，能夠防范一般直擊雷和感應雷的入侵危害。

2)2019 年8 月遷改完成后，截至2019 年12 月，未發現恒電位儀相關壓敏電阻遭受雷電入侵現象，恒電位儀運行正常。

(2)恒電位工作參數明顯優化，達到項目改造要求。

1)2019 年3 月，舊陽極床故障期間，陽極床接地電阻最大值為16.4Ω，恒電位儀輸出電壓超過額定電壓30V,設備無法正常啟動。

2)2019 年8 月，舊陽極床遷改后，陽極床接地電阻為2.6Ω，恒電位儀輸出電壓和電流為4.37V/1.377A,設備運行正常，輸出參數滿足生產廠家該型號(30V/10A)恒電位儀說明書要求。

(3)全線通電電位波動幅度平穩，管道陰極保護得到改善。

SONG Shao-hua, XU Chun-yang, GUO Meng, LIU Fang, DING Guo-shan, WANG Quan-xing, FU Zhi-ren

1)對比通電電位趨勢圖(見圖6)，整條管道的保護電位較為平均，無明顯突變現象。

圖6 通電電位曲線圖

2)遷改后，組織3 次全線通電電位測試，管道保護電位平均最大電位差為0.3615V 左右，保護電流沒有嚴重流失現象，說明陰極保護得到較大改善。

(4)斷電保護電位結果明顯優化，可以判斷管道全線電位處于陰保系統有效保護范圍內。

1)2019 年9 月，在預置電壓為1.5V，設備自動斷電測試條件下，測試結果為，26 個電位測試點均高于-0.85V,變化幅度明顯收窄(見圖7)。

圖7 斷電電位曲線圖

2)為下一步需規范斷電電位測試工作，預置電壓為1.5V，設備自動斷電等測試條件不得隨意變更，測試儀表必須完好并合格有效，每個測試樁測試位置相對固定，測試人員相對固定，對出現明顯電位波動的測試樁應組織重測并重點分析產生原因。

5 管道陰保系統管理注意事項

長輸管道通常采用埋地方式敷設，穿越地段地形復雜，土壤會對管道造成不同程度的腐蝕，腐蝕是管道長期損傷的主要方式，會造成管道強度降低，嚴重威脅其安全運行，通常采用管道外防腐和陰極保護系統聯合保護措施防范管道腐蝕。要確保管道陰極保護系統起到保護作用，應注意以下幾點：

(1)設計過程

1)在長輸管道項目可研階段，應采取地質勘探、土壤電阻率比對等措施，科學選擇陰保系統陽極床安裝位置。

2)分析當地歷史雷電危害情況，對恒電位儀安裝場所采取有效防雷措施。

(2)施工過程

1)焊接安裝前應對管道防腐層測試驗收，確保符合設計要求；

2)對熱煨彎管、管道支管等非一般管段，除對管道防腐層測試驗收外，還應進行鋼管材質、焊接質量等專項檢查；

3)埋設回填前，必須用電火花檢測儀進行全面分段復檢驗收合格，特別應關注焊接補口段的絕緣效果，回填過程應全程監控，防止堅硬物質(石塊、金屬等)損傷管道防腐層。

4)管道陰保系統調試期間，重點測試陽極床接地電阻和全線保護電位，確保各項參數達到設計要求，管道得到有效保護。

(3)運行過程自檢維護

1)定期對恒電位儀、保護電壓、保護電流、絕緣接頭等設備設施檢查測試。

2)對測試數據及時匯總分析，發現數據波動異常，各級技術管理人員應具有一定的敏感性和警惕性，一旦出現異常，應盡早組織測試及處置，消除管道可能存在的腐蝕風險，確保管道運行正常。

(4)管道完整性體系管理

1)建立符合本公司管道實際情況的管道完整性管理體系。

2)運行維護好管道完整性管理體系，切實控制好管道第三方損壞、管道內外腐蝕等主要風險，確保體系運行有效。

6 結語

長輸管道運行過程中，應每天檢查并記錄恒電位儀運行參數，定期測量管道陰極保護電位，若發現保護電位等運行參數異常波動，應盡早查明原因，并采取處理措施，及時消除管道可能存在的腐蝕風險，確保管道陰保系統運行正常，管道得到有效保護。