基于長輸天然氣埋地管道陰極保護系統檢測案例分析

王 俊，李靖博，李芳芳

（云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650000）

天然氣能源作為社會不可缺少的關鍵能源，其運輸效率、運輸質量都和社會發展、國民生活水平掛鉤。為滿足不同地區的經濟發展需求，很多地區進行了長輸天然氣管道的建設，但是長輸天然氣管道直接和土壤接觸，容易出現腐蝕問題。陰極保護系統是目前長輸天然氣管道防腐的主要措施，由于管道所處環境復雜，容易陰極保護系統也會出現失效問題，所以必須對長輸天然氣管道進行測試，并根據測試結果采取措施，保證陰極保護系統的有效性。

1 陰極保護原理分析

埋地鋼管為了防止出現電蝕問題，一般都會采用陰極保護的方式，該方法會直接利用外加電流使被保護的鋼管成為陰極，能避免鋼管的鋼結構內部電子向外遷移，從而達到控制腐蝕的目的，甚至可以避免腐蝕出現。常見的陰極保護方式包括外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種方式，用外加電流陰極保護是最為簡單的方式，在實際工作中比較容易控制，在小型金屬結構的保護中有比較好的效果。但是在對長輸管道進行保護時，還需要使用犧牲陽極保護法，利用犧牲陽極給金屬管道補充點子，維持金屬管道電子過剩，從而讓金屬管道始終處于負電位，避免管道受到腐蝕損害。

2 天然氣管道陰極保護的特點

（1）保護對象復雜性很高。陰極保護技術是一個經過長期使用的成熟技術，在實際工作中有著非常重要的作用。但是在天然氣管道的陰極保護中，要面向很多內容進行保護，包括排污管線保護、熱力管線、防空管線、埋地工藝管線等等，由于這些管線之間相互影響，因此技術應用中需要考慮現場情況進行綜合分析。

（2）條件限制多樣性。由于天然氣管道陰極保護具有比較強的特殊性，尤其在外部限制條件十分多樣，比如管道需要面對不同的土壤環境、周圍土壤會出現溫濕度、酸堿度變化，管道的接地方式不同等等，如果不能有效處理，將會導致電流大量流失，造成電流的合理流動受到限制，最終造成陰極防護工作難以滿足要求。

（3）絕緣設施完善性。陰極保護技術會盡可能根據天然氣管道的需求建立完善的保護措施，而且會針對關鍵部位進行重點防護，避免電流流失，能有效確保陰極保護的作用，也能提升實際應用效果。

（4）調度檢測經常性。由于天然氣埋地管道處于復雜的環境中，維護內容也比較復雜，為了能確保管道的維護效果，需要根據實際情況進行調節和分配，以保障天然氣管道電位的均衡性。同時，由于站內的陰極保護檢測復雜多元，在對保護有效性檢測的過程中為了能保證效果，以及確保檢測過程的安全，必須合理使用各類檢測技術。

3 影響天然氣管道陰極保護的因素

（1）防腐層受損。防腐層是天然氣管道中最基礎的、最關鍵的構成，如果防腐層受到破壞，會導致天然氣管道腐蝕性能嚴重下降，甚至不能滿足日常進行天然氣輸送的需求，還會造成陰極保護效果下降，以及造成防腐措施失效。為此，天然氣管道保護工作中，必須加強對防腐層受損情況的分析，避免影響陰極保護效果。日常工作中應該加強對防腐層效果的監測，針對電位異常及時進行防腐層受損狀態的檢查，以及根據管道埋入位置周邊狀況選擇合適的防腐層材料，減少環境對管道的不利影響。

（2）回路電阻因素。在天然氣輸送的過程中，會產生比較復雜的電流雜流，會對天然氣管道陰極保護產生損害，其他因素也會對恒定電流產生影響，導致陰極保護電流出現波動。對管道進行電位檢測時，可能出現管道內較長位置保護電位不達標的情況，導致這種問題出現的原因來自于腐蝕導致防腐層受到嚴重損壞。隨著腐蝕侵害問題增加，會導致更為嚴重的回路電阻故障，將會嚴重影響天然氣管道陰極保護的效果，會增加管道的腐蝕問題。

（3）恒電位儀影響。天然氣管道陰極保護技術的本質在于犧牲陽極，但是這種方法使用過程中，如果恒電位儀出現故障，會造成電路、電子元件受損。通過結合實際情況分析，天然氣管道陰極保護故障多數時候都有雨恒電位儀故障所引發，雖然處理故障比較簡單，但是依然需要專業人員排除故障，如果檢修人員缺少足夠經驗，將很難處理比較復雜的故障，還會影響陰極保護的效果。

（4）電纜和輔助陽極故障。由于陰極管道需要提供電子，所以需要有電纜進行輸電，在運行中電纜如果出現短路、斷路等問題，會影響電力的正常傳輸，整個保護系統的效果會受到影響，如果不能及時排出故障，管道運行就會出現嚴重損害。輔助陽極的作用在于將保護電流引入到土壤電導體中，其性能也決定了能否有效避免電化學腐蝕。如果陰極保護系統質量不合格，或者選擇的陽極金屬材料存在明顯質量問題，就會由于腐蝕物的增加導致系統電阻增加，會影響管道的保護效果。

4 天然氣陰極保護法測試概述

（1）陰極保護系統檢測目的。如前文所述，陰極保護系統是地下鋼管保持穩定運行的重要措施，通過抑制電子遷移有效抑制金屬管道腐蝕，或者降低腐蝕嚴重性。隨著管道的大量建設，很多管道都出現了和交流電線路、電氣化鐵路、變電站等電氣設施交叉的情況，導致雜散電流對長輸管道的影響增加，雜散電流所導致的危害也越來越嚴重。由于更為復雜的外界環境影響，使得陰極保護系統容易出現失效的情況。通過檢測工作，能夠及時發現管道運行過程中陰極保護系統的問題，發現雜散電流對陰極保護的干擾情況，方便及時采取措施對管道的陰極保護進行優化處理，提升管道的陰極保護效果，滿足管道保護要求，避免管道出現腐蝕對民生和企業造成的損害。

（2）陰極保護系統檢測意義。通過對管道的陰極保護進行檢查，可以發現管道保護系統的故障，通過對解決保護系統的問題，確保陰極保護能滿足需求。通過測量陰極保護參數，能確定保護系統是否能滿足控制長輸管道腐蝕要求，利用對管道的綜合測試，能確定陰極保護方式是否正確合理，及時進行管道保護的修正工作。對管道的測試結果也可以利用到其他管道陰極保護系統的設計工作中，在對管道進行保養時，同樣可以使用檢測結果確定保養重點內容，相關部門利用陰極保護系統檢測結果作為基礎資料，可以制定更具有長期性、穩定的管道管理模式。通過特定的檢測技術和檢測方法，能對管道防腐的綜合質量進行檢測，分析各種防護方法在陰極保護系統中的意義，也能在出現事故后，加快對防腐問題的調查速度。

（3）陰極保護有效性測試依據。對管道陰極保護有效性測試的評價中，通過對管道各處保護電位是否處于合理范圍，就可以判斷管道是否處于被保護狀態。通常管道的電位應該在-0.85~1.20 V，如果低于-0.85 V，則管道處于欠保護狀態，若高于1.20 V則管道處于過保護狀態。無論處于欠保護還是過保護狀態，都需要控制和消除雜散電流在管道和土壤中的流動，避免電位的改變導致極化電位。目前，使用電位法判斷陰極保護系統的有效性困難也比較高，還可以使用試片法判斷管道的通斷電位，分析管道電位是否滿足要求。

5 長輸天然氣埋地管道陰極保護系統檢測實例分析

5.1 檢驗準備

某管道的陰極保護系統共35 km，利用強制電流保護配合埋地陽極的保護方式，對管道的穿越段專門使用犧牲陽極進行防護。管道的設計壓力4.0 MPa，使用L290管材。管道外側添加三層聚乙烯防護結構，防腐層的厚度在2.9 mm以上，閉關使用加強級防護。管線所處位置以丘陵為主，地勢的起伏非常大，所經地區屬于二、三、四級地區，經過長期運營管道依然保持穩定，并沒有出現過事故。

（1）檢驗資料審查。管道檢驗工作開始之前，進行資料審查工作。包括進行管道設計資料、管道制造資料、安裝施工資料等審查，以及管道的竣工記錄；還需要審查管道完成建設后的使用記錄，管道運行期間的各項數據是否存在異常，包括壓力、流量、溫度等等。針對管道的陰極保護系統，專門查看其是否存在運行故障，管道投入使用后的改造記錄，各項改造施工的方案、改造施工過程記錄等。對管道投入使用后的失效記錄進行檢查，總結管道陰極保護出現失效的主要原因，失效后的管道運行狀況，發現失效之后對管道的管理和保護措施，以及管道運行后的日常檢驗記錄。經過檢查，該管道的資料完整。

（2）制定檢驗方案。通過對資料的審查，初步確定管道的基本情況，已經了解管道的使用年限、運行狀況，管道運行過程中的危險狀況，最后根據管道防護系統暴露出的故障和問題，制定改善和修理方案。

（3）人員和設備準備。管道的檢查需要保證人員滿足需求，所以對人員開展資格審查工作，通過資格審查的人員需要繼續接受相關的安全教育，以及學習檢驗計劃，明確自身責任。所以檢驗設備在投入使用之前需要進行檢查和校對，確保設備的精確性，并確保設備在使用壽命內。

5.2 檢驗設備

該條管線的檢驗工作中，主要使用以下設備：探管儀，有效確定管道的位置和走向；數字接地電阻測量儀，能夠檢查犧牲陽極的電阻值；標準電阻和數字萬用表，能夠測量管道的地電位、犧牲陽極的輸出電流；銅-飽和硫酸銅參比電極；檢測工具車輛、通信設備。

5.3 檢查項目

經過資料檢查，該管道的施工竣工資料、設計資料都十分齊全，總共35 km的管線，設置了35個外加強制電流樁，以及5個犧牲陽極。從投入運營以來，始終保持穩定的運營狀態，運行狀態十分穩定，并沒有出現過事故。本次管道是管道投入使用之后的首次檢驗工作，主要進行管道陰極保護狀況的檢查。通過地管道的外觀、各類參數進行檢查，查看陰極保護是否滿足要求。

（1）陰極保護系統測試樁外觀檢查2對35個外加強制電流測試樁、5個犧牲陽極測試樁進行檢查，有一處外加電流測試樁被埋，并發現一處外加電流測試樁損壞。

（2）外加強制電流參數測試。使用地表參比法、遠參比法、近參比法、輔助電極法檢查管道的電位、保護電位。通過對管道的防腐結構進行檢查，確定管道的三層聚乙烯防腐層具有非常好的防腐效果，并且地表參比法也很好地滿足測試需求。監測工作中，必須要確保電極和土壤之間的有效接觸，并且根據需要合理調整量程，嚴格進行各項測試參數的記錄。

（3）陰極保護系統參數測試。使用數字接地電阻測量儀，使用三角形布極法進行測試犧牲陽極的接地電阻。測試接地電阻之前，需要切斷犧牲陽極和管道之間的聯系，之后沿著垂直于管線的方向設置一條電極，進行接地電阻阻值的測量。

管地電位的測試中，需要測試管道的自然電位、犧牲陽極開路電位、管道保護電位等參數，在本次測試中，使用了數字萬用表結合參比電極CSE測試上述電位，獲得管道的電位數據。

測試犧牲陽極輸出電流時，使用數字萬用表結合標準電阻的測試方式，所使用的標準電阻阻值為0.1Ω，滿足準確度0.02 的要求。標準電阻的兩個點和管道、犧牲陽極接線柱相連，兩個電位接線柱分別使用數字萬用表進行電位測試，需要將數字萬用表設置為DC200 mV的量程，控制接線長度在1 m以內，接線的截面積要在2.5 mm2以上，計算犧牲陽極的輸出電流。

5.4 檢驗結果討論

經過對該廠長輸天然氣管道的資料審查，確定設計、制造、安裝等資料完整，管道運行過程中也有完整的記錄。在對陰極保護進行外觀檢查時，存在一個外加強制電流測試樁被埋，機器強制電流測試樁損壞的情況。通過對該管道進行參數測試，該管道的各項參數都滿足運行要求、管道埋地檢驗規程要求，5個犧牲陽極測試樁的電阻也滿足管道運行需要；通過對犧牲陽極測試樁進行檢查，確定犧牲陽極的電流也滿足規范需要。因此該系統運行正常，能夠保護天然氣管道的穩定，埋地管道的陰極保護系統運行正常。但是為了保證管道的穩定，仍然需要每年對管道進行一次檢測。

6 結束語

長輸天然氣埋地管線是我國天然氣管線的主要運輸途徑，隨著我國社會發展，對能源需求逐漸提高，對天然氣管道的穩定運行、安全管理都有著更高的要求。陰極防腐系統作為當前長輸天然氣管道的主要防腐方式，其有效性是管道穩定運行主要決定因素，必須通過陰極保護的有效性檢測，確定陰極保護的作用發揮效果。檢測過程中，應做好準備工作，檢查長輸管道相關資料，合理選擇檢測設備，對電位、陽極輸出電流等項目進行全面檢測，根據檢測結果加強防護，保障長輸天然氣管道的安全。