管道陰極保護技術國內外標準差異探討

王曉丹，羅衍濤，姚軍，吳京，馬偉平

1.國家管網集團北方管道有限責任公司 中原輸油氣分公司（山東 德州 253000）

2.國家管網集團北方管道有限責任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

長輸管道安全已成為社會關注的焦點問題，腐蝕是管道失效的最重要因素，減緩管道腐蝕、預防油氣泄漏至關重要[1]。陰極保護配合高質量防腐層，是預防管道腐蝕的可靠技術[2]。國際標準ISO 15589-1—2015《管道輸送系統陰極保護第1部分：陸上管道》是陰極保護領域綱領性文件，已發展為最廣泛、最權威的陰極保護準則。我國長輸管道陰極保護系統設計、運行、測試、維護和管理執行國家標準GB/T 21448—2017《埋地鋼制管道陰極保護技術規范》。GB/T 21448—2017 采用重新起草法參考國際標準ISO 15589-1—2015 制定，但與ISO 15589-1—2015一致性程度為非等效。結合我國管道陰極保護工程實踐，分別從陰極保護系統設計、運行及維護方面，研究了與國際標準的重要技術性差異，可為提升我國管道陰極保護工程設計運行水平提供參考。

1 陰極保護系統設計

1.1 陰極保護電位準則

陰極保護準則是評價管道受到腐蝕和陰極保護有效性的重要依據，中外標準針對無IR降陰極保護電位和限制臨界電位基本一致，差異如下：

1）特殊環境下的陰極保護電位。ISO 15589-1—2015新增高溫工況（大于60 ℃的土壤和水環境）下的最小保護電位-0.95 V。

我國慶鐵四線、鐵錦線、鐵撫線輸送大慶原油，采用加熱輸送工藝，出站溫度在40～50 ℃，鄯烏線輸氣管道出站溫度高于50 ℃；儲存稠油、重油、易凝原油儲罐加熱、操作、運行溫度超過60 ℃[3]，傳統的陰極保護電位準則不適用，因此研究應用高溫環境管道陰極保護電位準則[4]。

2）100 mV 陰極電位負向偏移準則。ISO 15589-1—2015 完善了100 mV 陰極電位負向偏移準則不適用情形，包括溫度大于40 ℃的環境，含硫酸鹽還原菌的土壤，存在干擾電流、平衡電流或大地電流的情形，存在外部應力腐蝕風險的情形，以及管道連接處或由多種金屬組成的部件。

針對防腐層性能較差或者裸露管道，傳統的陰極保護電位準則不適用，應采用管道電位較之自然電位負向極化100 mV，鑒于100 mV 極化電位的應用優越性，應借鑒國際標準ISO 15589-1—2015，補充完善100 mV極化電位準則的適用范圍。

1.2 陰極保護系統接地設計

管道干線閥室內的電氣系統接地導致管道接地搭接或絕緣失效，會造成管道處于欠保護狀態。針對接地系統與陰極保護系統之間的影響，GB/T 21448—2017 僅為原則性規定，即接地設施不應對陰極保護系統造成不利影響，但未提出具體解決措施。ISO 15589-1—2015 規定如陰極保護管道需要接地時，接地系統應與陰極保護系統兼容，可在接地回路中安裝去耦隔直裝置。當管道局部接地時，可采用鋅或鍍鋅接地極與管道直接連接，并指出接地系統影響管道陰極保護有效性的因素，例如局部大地電阻遠低于管道涂層缺陷處電阻，導致陰極保護電流減小；管道電位隨時間延長向負向偏移等。

針對接地系統與陰極保護系統兼容性的問題，國際標準ISO 15589-1—2015 提出安裝去耦隔直裝置，實現接地系統與陰極保護系統的兼容性，并分析了接地系統對陰極保護系統的影響因素。我國長輸管道RTU 閥室的電氣設備接地系統與管道干線未進行有效絕緣[5]，導致閥室內管道陰極保護電流流失嚴重，得不到有效保護，根本原因是未考慮接地系統與陰極保護兼容性的問題。建議參考國際標準ISO 15589-1—2015，應用去耦隔直裝置解決電絕緣接地系統與陰極保護兼容性的問題。

1.3 絕緣接頭防雷保護

在雷電頻發地區或電力線影響范圍內，管道上可能產生超過絕緣接頭擊穿電壓的電涌沖擊，絕緣接頭和陰極保護設備應當安裝防雷保護裝置[6]。GB/T 21448—2017 規定絕緣接頭和絕緣法蘭應設置防電涌保護器。防電涌保護器設置不應影響絕緣接頭或絕緣法蘭的性能。防電涌保護器可采用固態去耦合器、避雷器、火花間隙、電解接地電池、極化電池、等電位連接器等。ISO 15589-1—2015規定為保護管道絕緣接頭可能受到雷擊或輸電線路故障造成的過電壓和電流沖擊的影響，應在絕緣接頭兩側連接隔離火花間隙。為了緩解電氣沖擊或電氣干擾的影響，需要在管道和一個接地系統之間安裝絕緣火花間隙、電涌保護器（SPD）或直流去耦合裝置。并指出影響保護器有效性的因素（電纜類型、長度和橫截面積）。對于電火花間隙的選型進行了詳細的規定，并給出了供電頻率50 Hz 情況下可參照的陰極保護系統典型適用參數（雷電放電沖擊過電壓、雷電放電電流、短時耐受電壓、額定放電電流等）。

GB/T 21448—2017 要求安裝防雷保護裝置，可采用電涌保護器，并對保護器類型進行了介紹，并未給出實質性選用原則。國外標準ISO 15589-1—2015中給出了首選電火花間隙，并指出了其他可用的兩種防雷保護裝置，對影響防雷保護裝置的有效性因素進行了分析，對電火花間隙的選型給出了可參照的典型參數。建議參考國際標準增加陰極保護設備防雷保護選用原則和性能參數要求。

1.4 陰極保護系統電纜規格

我國管道管理過程中第三方人為破壞電力電纜、通信電纜、陰極保護電纜現象十分嚴重[7]。2010年大連油庫7.16事故中初期火災并不嚴重，但站場供電電纜遭到破壞，導致無備用電力供應的消防系統癱瘓，造成火災蔓延擴大和嚴重損失[8]。GB/T 21448—2017 規定陰極保護電纜應采用銅芯電纜，測試電纜的截面不宜小于4 mm2；采用多股連接導線時，每股導線的截面不宜小于2.5 mm2。用于強制電流陰極保護的陰極電纜和陽極電纜截面不宜小于16 mm2；用于犧牲陽極陰極保護的銅芯電纜的截面不宜小于4 mm2。ISO 15589-1 規定電纜橫截面應滿足下列規定：

1）強制電流系統。與被保護管道的連接電纜10 mm2；連接輔助陽極的電纜4×2.5 mm2或10 mm2。

2）犧牲陽極系統。與被保護管道的連接電纜4 mm2；連接犧牲陽極的電纜2.5 mm2。

3）用于其他裝置。電位測量電纜2×2.5 mm2或6 mm2；電流跨界測量電纜4×2.5 mm2；電氣連接電纜4×2.5 mm2或10 mm2。

針對強制電流陰極保護電纜規格，國內標準更嚴格；針對犧牲陽極陰極保護電纜規格，國內標準和國際標準基本一致；針對電位測試電纜規格，國際標準更嚴格。鑒于管道運行管理面臨的嚴峻形勢，對電纜產品可靠性和質量都提出了更高要求。建議國內標準進一步提高陰極保護電位測試電纜的產品規格參數。

2 陰極保護系統運行

2.1 陰極保護人員資質

由于人員知識、技能或能力欠缺的人為失誤是造成管道事故的重要原因。ISO 15589-1—2015 規定從事陰極保護系統的設計、安裝及監理、調試、操作、測量、監控和維護的工作人員應具備完成相應工作的能力。歐盟標準EN 15257—2017《陰極保護人員能力水平認證》構建了評估和鑒定陰極保護人員工作能力的方法體系。陰極保護人員應具有滿足其歐盟標準或等效規范的資質證書。除歐盟標準EN 15257—2017，美國腐蝕工程師協會NACE 建立了完善的腐蝕工程技術人員培訓體系。

我國管道企業建立了培訓管理程序和職業技能鑒定程序，編制《管道工程師》《管道維搶修》培訓教材，但缺少管道從業人員資質認定技術標準[9]，應制訂符合我國管道特點、與國際接軌的陰極保護人員資質認定標準。

2.2 陰極保護電位監測

由于長輸管道敷設環境復雜性，針對準確測試陰極保護電位提出更高要求[10]。GB/T 21448—2017規定陰極保護系統監測要求，即在與外部管道交叉、金屬套管處、絕緣接頭處、排流點處和匯流點處設置監控設施。ISO 15589-1—2015 規定當管道穿越無人地區或很難接近的地方，應采用遠程監測、遙感技術或其他數據傳輸系統，同時配合使用長效參比電極、計劃探頭或檢查片。遠程監測裝置應具備自動采集、儲存和遠傳功能，采集參數的范圍及誤差應滿足要求。

自動測量和傳輸是陰極保護技術和智能化管道的發展方向[11]。國外管道通過集成衛星時鐘同步技術、計算機技術和陰極保護測量技術，研發集成式陰極保護系統。國內相關單位也進行了初步探索，例如在陜京管道、廣東大鵬液化天然氣管道進行了應用。建立國內標準補充陰極保護電位遠程監測做法及要求。

3 陰極保護系統維護

3.1 電絕緣接頭腐蝕

由于制造缺陷、機械應力以及現場安裝不規范等因素，導致絕緣裝置滲漏或失效，造成陰極保護電流漏失，管道電位不滿足規范要求[12]。GB/T 21448—2017 規定了管道陰極保護電絕緣要求，但未涉及絕緣接頭內腐蝕的問題，僅規定絕緣裝置不應設置在易形成導電凝析液或游離水積聚的位置，絕緣法蘭安裝時宜采取防塵防水密封措施。ISO 15589-1—2015新增“電絕緣接頭內部腐蝕風險”章節，認為絕緣接頭腐蝕風險主要取決于輸送介質導電性和絕緣接頭兩側電壓差值，為減緩腐蝕風險，可在管道內表面涂覆含電絕緣材料的內涂層，管道內涂層管段長度應考慮介質電導率、管道直徑、絕緣接頭電壓等因素。

國內標準針對絕緣接頭內腐蝕的問題較簡略。輸送導電介質管道的絕緣接頭非保護側極易產生內腐蝕問題。例如某管道在出站的絕緣接頭處發生嚴重的腐蝕[13]，根本原因是在設計階段未考慮絕緣接頭非保護側的內腐蝕問題，導致管道嚴重腐蝕泄漏。建議參考國際標準ISO 15589-1—2015規定中絕緣接頭內腐蝕控制措施。

3.2 套管內管道腐蝕

為防止管道不受地基影響，管道在公路、鐵路以及河流穿越時，安裝鋼質套管對管道進行保護。如管道防腐層破壞、套管進水或者套管與管道短路，陰極保護電流無法流入被保護管道表面[14]。GB/T 21448—2017 規定采用套管穿越時，套管內的輸送管應具有完好的防腐層，且套管與輸送管間應安裝絕緣支撐隔離；套管端部應密封。ISO 15589-1—2015 將套管分為屏蔽陰極保護電流的套管和導通陰極保護電流的套管，列舉出兩種套管對應的套管類型，并對兩種套管的防腐措施進行了規定。

國家標準GB/T 21448—2017 僅規定套管內管道應保證防腐層完好，但實際建設施工過程中，防腐層不可避免會發生劃傷等缺陷，國家標準的要求不能完全保證。國際標準ISO 15589-1—2015 將套管分為陰極保護電流屏蔽的套管和能通過陰極保護電流的套管，并提出了兩種類型套管內管道防腐層施工質量控制措施，指導現場管道工程。故建議參考國際標準補充套管內管道防腐層施工質量控制措施。

3.3 臨時陰極保護

原則上陰極保護工程應與管道主體工程同步勘察、設計、施工和投運，但由于油源供應、下游市場規劃和建管分離體制，新建管道可能存在投產延遲問題；管道改線、油氣站場改造可能存在暫時閑置管道，相對正常運行管道，延遲投產管道和閑置管道的管理屬于短板，甚至造成安全隱患和油氣泄漏事故[15]。GB/T 21448—2017規定臨時陰極保護可采用犧牲陽極方式，在陰極保護系統調試期間及調試后，犧牲陽極和管道應通過測試樁連接。應安裝測試裝置測試臨時性陰極保護效果，并與管道同時安裝。ISO 15589-1—2015 規定為預防管道外腐蝕風險，在管溝回填和完成永久性陰極保護系統期間，應采用臨時性陰極保護措施。存在下列情形的，應設置臨時性陰極保護設施：管道敷設在低電阻率土壤中（小于100 Ω·m）；管道開始施工距離永久性陰極保護系統安裝完成時間超過3 個月；管道敷設在高腐蝕風險區域。ISO 15589-1—2015 規定臨時性陰極保護設施除考慮永久性陰極報系統施工節點時間，還應預留足夠的使用時間。臨時性陰極保護設施采用鋅或者鎂犧牲陽極，為避免影響永久性陰極保護系統，犧牲陽極采用地上連接到管道。

國家標準GB/T 21448—2017 中由于臨時性陰極保護方式非首選，要求較簡略，但實際存在應用臨時性陰極保護設施的需求。國際標準規定了臨時性陰極保護設施的應用條件、運行時間要求和安裝方式，建議國內標準補充完善。

4 ISO 15589-1—2015編輯性修改

除上述中外標準技術性內容差異分析，以下列出了ISO 15589-1—2015 編輯性修改內容，國家標準GB/T 21448—2017修訂時可予以考慮。

1）適用范圍。ISO 15589-1—2015 適用于陸上埋地管道，輸送介質包括氣體、水和漿體；適用于碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、鍍鋅鋼和銅質管道；不適用于混凝土鋼結構；不適用涂層剝離、絕熱涂層和巖石土壤層等可能導致陰極保護屏蔽或失效的情形。GB/T 21448—2017規定了陸上埋地鋼質管道陰極保護系統的設計、施工、測試、管理和維護，適用于陸上埋地鋼質油、氣、水管道。ISO 15589-1—2015 規定的陰極保護準則適用輸送介質范圍更廣，并且明確指出準則不適用陰極保護屏蔽或失效的情形。

2）術語和定義。ISO 15589-1—2015 新增下列術語，涂層衰減系數（coating breakdown factor）、絕緣火花間隙（isolating spark gap）、局部接地（local earth?ing）、測試點（measuring point）、管道-電解質電位（pipe-to-electrolyte potential）、遠接地點（remote earth）、電涌保護器（surge protective device）、大地電流（telluric current）和巖石穿越護套涂層（rock jack?et coating）。上述術語GB/T 21448—2017未涵蓋，應補充完善。

5 建議

為提升我國長輸管道安全管理水平，促進陰極保護工作專業化和規范化，為GB/T 21448—2017修訂工作提供參考依據，建議如下：

1）選擇補充重要術語和定義。

2）制訂符合我國管道特點、與國際接軌的陰極保護人員資質認定標準。

3）研究應用高溫環境長輸管道陰極保護電位準則，完善100 mV極化電位準則適用范圍。

4）增加管道電絕緣接頭的內腐蝕控制措施。

5）增加應用去耦隔直裝置實現接地系統與陰極保護系統兼容性的措施。

6）增加陰極保護設備防雷保護選用原則和性能參數要求。

7）增加套管內管道防腐施工質量控制措施。

8）提高陰極保護電位測試電纜的產品規格參數。

9）完善臨時性陰極保護設施的應用條件、運行時間余量和安裝方式。

10）補充陰極保護電位遠程監測做法及要求。