油氣管道陰極保護系統常見問題及解決方法

李保平

(浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著社會的發展，能源需求呈現快速增長勢頭，管道運輸作為石油天然氣的主要運輸途徑得到了快速發展。埋地鋼質管道遭受土壤、微生物等因素腐蝕[1]，管道的安全運行直接關系到人民生命及財產安全。管道外防腐層和外加陰極保護是埋地鋼質管道的主要防腐手段，目前針對陰極保護故障問題進行系統分析的文章較少。本文分析總結了幾種典型的陰極保護系統運行過程中出現的問題及解決方法。

1 陰極保護常見故障及排除方法

1.1 犧牲陽極故障分析

犧牲陽極保護因無需外部電源、對外界干擾小、安裝維護費用低、無需征地或占用其他建筑物等優點[2]，常用于輸氣場站內管線及管線建設期的臨時保護。犧牲陽極的保護效果與陽極材料本身的性能有直接關系，目前常用的犧牲陽極材料有鋁合金、鋅合金和鎂合金三大類。犧牲陽極常見的故障有：

1)陽極輸出電流減小，達不到保護電位。造成這種現象的原因有陽極消耗、環境污染對陽極的影響、陽極/陰極連接線斷開、陽極周圍土壤干燥等。

2)陽極輸出電流增大，但保護物電位極化不上去。造成這種現象的原因有被保護體與相鄰金屬物體有搭接、絕緣裝置失效、絕緣層老化或破壞、環境改變引起迅速去極化或者水的含氧量、土的充氣量增大等。

3)陽極體腐蝕不嚴重，但陽極已不能工作。造成這種問題的原因有陽極成分不合理，在工作環境中造成鈍化；陽極局部腐蝕嚴重，陽極合金化不均勻，造成局部腐蝕；未達設計壽命，陽極失效；陽極雜質含量高，陽極效率降低；在交流干擾下，陽極發生極性逆轉。

以某天然氣輸氣站不同犧牲陽極測試數據進行具體分析，具體數據如表1所示。

表1 某天然氣輸氣站內犧牲陽極測試數據

從表1中看出，1、2、3、4號管道通電(或斷電)電位低于保護電位，不達標，陰極保護水平較差；5、6號管道電位合格。分析造成管道欠保護的主要原因是犧牲陽極投運時間較長。隨著犧牲陽極的不斷消耗，陽極表面產生腐蝕產物影響了陽極的輸出，同時土壤性質對犧牲陽極的保護效果影響較大。應根據環境合理選擇犧牲陽極，在土壤干燥的環境中更適合選用電位較負的合金犧牲陽極。

應定期對犧牲陽極陰保系統的服役參數進行系統分析，從犧牲陽極設計參數、土壤特性、陽極輸出參數等方面對犧牲陽極保護效果進行深入研究，及時排除犧牲陽極保護系統故障。

1.2 恒電位儀輸出異常

強制電流陰極保護系統由恒電位儀、載流電纜、測試電纜、參比電極、輔助陽極及附屬設備組成。強制電流陰極保護系統在運行中常發生故障，無法正常輸出，需要從陰極保護系統的各個組成部分排查故障原因。

1.2.1 輸出電壓突然增大，輸出電流為零

電流為零而電壓超高報警，說明陰極保護系統回路電阻過大，可能的原因有：陽極電纜中斷、陰極電纜中斷、輔助陽極消耗殆盡，可采用參比電極對陰陽極開路電位進行測量，使用接地電阻儀測量陰陽極回路電阻確定故障原因。

1.2.2 恒電位儀電流輸出超量程，管道保護電位降低

陰極保護電流輸出增大，說明陰極保護回路不存在短路問題，應首先校核參比電極工作狀態。若參比電極工作正常，則可以初步判斷管道存在漏電。可能的原因有管道防腐層破損、絕緣法蘭失效、管道與其他設施發生了搭接，造成陰極保護電流流失，使輸出電流增大。可以采用管中電流測繪法檢測管道中電流分布情況，確定電流流失點，排除故障。

1.2.3 恒電位儀輸出不穩定，自動轉為恒電流運行

恒電位儀可以輸出說明回路沒有問題，恒電位儀無法在恒電位下工作，說明長效參比電極反饋的管道電位不穩定，影響了恒電位儀的輸出。首先采用標準參比電極校核長效參比電極，如果長效參比電極工作正常，則可判斷可能遭受了雜散電流干擾，需要進一步測量確定干擾形式及干擾源，排除故障。

1.3 管道局部電位不達標

常規采用便攜式參比電極測量管道電位時，由于電流流過土壤時產生IR降，使得測量值與真實值之間存在偏差，測量值不能完全反映管道的陰極保護效果。由于絕緣防腐層的電屏蔽，管道剝離覆蓋層下的IR降主要集中在覆蓋層破損口附近。防腐層破損處現場測量的數據由于包含土壤介質電阻、覆蓋層缺陷電阻及接觸電阻等引起的IR降，測量值有時可高達 -1.5 V～8.0 V。CIPS以瞬間斷電法為基礎，可消除管道IR降，測量方便，在油氣管道陰極保護有效性評價中得到了廣泛應用。

圖1為某輸氣管道CIPS測試結果。該段管道采用強制電流的陰極保護方式，從圖1中看出，管道前220 m位置由于土壤IR降的影響，管道通斷電位存在差異，且通斷電位低于管道保護電位，管道的到較好的保護；在220 m位置處管道的通斷電電位存在突變，突變前管道通斷電位差較大，突變后管道通斷電位基本相等，且高于管道保護電位。由于土壤IR降主要由陰極保護電流和土壤電阻決定的，可能的原因為突變后管道沒有受到強制電流的保護。分析發現，突變點(220 m位置)距離閥室較近，雖然該管道干線采用強制電流陰極保護，但閥室管線采用犧牲陽極保護，管道進出閥室均設有絕緣法蘭。進一步對閥室附近測試樁進行測試發現，進出閥室絕緣法蘭跨接線斷開，造成閥室下游輸氣干線未施加陰極保護電流，造成電位不達標。

圖1 某天然氣輸氣管道CIPS測試結果

1.4 雜散電流干擾

雜散電流強度大，集中產生在電阻小、易放電的局部位置[3]，如涂層破損處，破壞性很強，在短時間內即可導致腐蝕穿孔。雜散電流會嚴重干擾陰極保護系統的正常運行，使測量電位值失真，引起犧牲陽極的極性逆轉，加速防腐層剝離，危及人身安全。

1.4.1 直流雜散電流干擾

直流雜散電流的來源有直流電氣化鐵路、其他陰極保護系統、地電流和高壓直流電力線等。在直流雜散電流的流入點，管道受到保護，在直流雜散電流的流出點，管道加速腐蝕，但如果電流過大，電流流入點會發生防腐層剝離、鼓泡或氫脆等損壞管道的現象。

根據SY/T0017-2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》，管道直流干擾程度一般按管地電位較自然電位正向偏移值判定，當管地電位較自然電位正向偏移值難以測量時，按土壤電位梯度確定雜散電流強弱程度。直流雜散電流的排除方法有:1)為干擾電流提供金屬回路；2)對管道原有陰極保護系統進行極性改造，應用陰極保護來抵消干擾電流的影響；3)移走或重置干擾電流源，預防干擾電流的流入或限制其流動等。

1.4.2 交流雜散電流干擾

隨著大量基礎設施的建設，交流腐蝕問題日益突出，交流腐蝕的主要來源是高速鐵路和高壓輸電線路等。交流雜散電流在管道與土壤之間流動時，由于電流的大小和方向隨時間變化，交流雜散電流對管道腐蝕的影響要比直雜散流電流的影響復雜的多。

GB/T 50698-2010《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》規定，當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4 V時，應采用交流電流密度進行評估。一般采用特征參數作為評價交流腐蝕風險的依據，交流干擾參數的檢測主要包括交流干擾電壓、交流干擾密度、交直流電流密度之比和土壤電阻率，其中交流感應電壓易于測量，是表征交流干擾強度最直接的參數。

埋地管道遭受交流干擾，交流電壓隨干擾源呈現類周期變化。圖2是某天然氣長輸管道交流電壓與通電電位隨時間的變化曲線。從圖2中看出，交流電壓是有時間變化性的，對測試樁長時間監測可以采集到電壓峰值，對交流干擾情況進行全面評估。該段管線的管線交流干擾電壓峰值達到70 V時，管道的通電電位發生劇烈變化，通電電位發生劇烈變化的點對應交流電壓峰值的出現，當交流電壓較小時(低于30 V)，管道通電電位較穩定。

圖2 某天然氣長輸管道管道交流電壓與通電電位變化曲線

因此采用傳統的地表電位法測量管道陰保電位，即使管道遭受了嚴重的交流干擾腐蝕，測量值也可能在有效范圍內，不能反映管道陰極保護的真實情況。

為避免管道遭受交流干擾腐蝕，油氣管道應遠離高壓輸電線路布置，對于存在交流干擾腐蝕風險的管道應采取必要的交流腐蝕緩解措施，常用的措施有安裝絕緣接頭、接地排流和安裝梯度控制線。其中最常見的方法是安裝梯度控制線，梯度控制線是在管道周圍等間距安裝鋅帶，起到排流和陰極保護的雙重作用，能夠使周圍土壤電位升高，使管道與周圍土壤電位差降低。使用梯度控制線緩解交流腐蝕需要綜合考慮土壤電阻率、接地形式，設計較為復雜，主要依靠經驗和簡單的公式進行計算，由于影響因素多，設計結果經常達不到預期的緩解效果。隨著計算機技術的發展，數值模擬成為交流干擾緩解設計的發展趨勢，但是數值模擬的參數設置、模型建立如何更準確地反映現場實際仍需要進一步研究。

2 結論

本文總結了陰極保護系統運行中經常遇到的典型問題，通過理論和案例分析，闡述了典型陰保問題的解決辦法。

1)犧牲陽極陰保系統作為區域陰極保護的主要手段，它的正常運行對于保障站內管線設備安全發揮了重要作用，應加強犧牲陽極的維護和管理工作，對犧牲陽極服役情況定期進行系統測試和研究，掌握犧牲陽極運行狀況和保護效果。

2)恒電位儀作為強制電流陰極保護系統的電源設備，運行中故障率較高，恒電位儀故障問題帶有一定的規律性，應從陰極保護系統的各個組成單元入手排查故障原因。

3)管道在建設施工、運行過程中防腐層破損情況時有發生，破損處管道成為陽極遭受腐蝕。應定期進行防腐層檢測，及時修復防腐層破損點，同時應定期對陰保系統的附屬設施進行檢測，確保管道陰極保護系統正常運行。

4)雜散電流腐蝕是目前油氣管道面臨的主要危害之一，管道遭受雜散電流腐蝕能影響陰保系統的正常運行，使管地電位測量值出現偏差，通過定期交流雜散電流檢測可以及時發現雜散電流干擾，采取相應的保護措施使管道免受腐蝕。