完整性管理技術(shù)在衢州壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

肖劍烽 張爭(zhēng)偉 唐振峰

1國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸分公司

2大慶市匯通建筑安裝工程有限公司

管道完整性管理作為一種確保長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行的現(xiàn)代化安全管理技術(shù)，受到國內(nèi)研究人員的廣泛重視，形成了以現(xiàn)有HSE 管理體制和相關(guān)管理制度為基礎(chǔ)，涵蓋建設(shè)期全生命周期的完整性管理技術(shù)體系[1-3]，帥義等還在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)了基于B/S 架構(gòu)的管道完整性管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了完整性管理技術(shù)的智能化[4]。近年來，管道完整性管理技術(shù)正在向油氣田生產(chǎn)管道拓展，并取得顯著降低管道失效率的良好效果[5-7]，而區(qū)域陰極保護(hù)是該體系中在凈化油氣管道及站場(chǎng)方面的主要工作內(nèi)容之一，其運(yùn)行過程中存在的問題及解決方法受到了業(yè)內(nèi)研究人員的普遍重視[8-12]。針對(duì)衢州壓氣站的陰極保護(hù)系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)施檢查、區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性測(cè)量、系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行三個(gè)方面論述了完整性管理技術(shù)在該站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并提出工作建議。

1 衢州壓氣站區(qū)域陰保系統(tǒng)

衢州壓氣站是華東地區(qū)重要的分輸壓氣站，承擔(dān)著為上海、浙江、江蘇地區(qū)的天然氣輸送任務(wù)，其輸送介質(zhì)為凈化后的天然氣。站場(chǎng)管道防腐主要為環(huán)氧底漆+冷纏帶外護(hù)，采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)進(jìn)行站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)設(shè)備設(shè)施的腐蝕控制。衢州壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)分為壓氣站、分輸站兩大保護(hù)系統(tǒng)：壓氣站陰保系統(tǒng)設(shè)有三個(gè)保護(hù)回路，分別保護(hù)壓縮機(jī)區(qū)域、收發(fā)球區(qū)、工藝區(qū)和實(shí)驗(yàn)站區(qū)；分輸站陰保系統(tǒng)設(shè)有二個(gè)保護(hù)回路，分別保護(hù)工業(yè)管道區(qū)域和地網(wǎng)區(qū)域。陽極地床采用伴行埋設(shè)MMO 柔性陽極及淺埋高硅鑄鐵陽極相結(jié)合形式，恒電位儀采用PS-3F 多路恒電位儀，規(guī)格為50 V/30 A。陰極保護(hù)系統(tǒng)于2015年與主體同步建設(shè)投產(chǎn)運(yùn)行。

2 常見故障及排查方法

站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)通常采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法，其結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)是由工作輸出回路和反饋控制回路組成。工作輸出回路由恒電位儀供電電路、陰極電纜、被保護(hù)對(duì)象、大地、陽極地床、陽極電纜構(gòu)成，用于提供直流電流；反饋控制回路由恒電位儀的自動(dòng)控制電路、參比電纜、參比電極、零位接線點(diǎn)、零位電纜構(gòu)成，用于控制工作輸出回路的輸出。

圖1 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of forced current cathodic protection system structure

其工作原理為：使用參比電極、零位電纜測(cè)量陰極接線點(diǎn)電位，該電位作為取樣信號(hào)與控制信號(hào)（設(shè)定的控制電位）進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)控制并調(diào)節(jié)恒電位儀的電流輸出，使通電點(diǎn)電位得以保持在設(shè)定的控制電位上。

針對(duì)站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行管理和維修維護(hù)工作中出現(xiàn)的各種系統(tǒng)故障表象和排查方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，結(jié)果如表1所示。

表1 陰極保護(hù)系統(tǒng)常見故障表象及排查方法Tab.1 Common fault symptoms and troubleshooting methods of cathodic protection system

3 完整性管理技術(shù)的應(yīng)用

3.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)主要設(shè)施完整性檢查

依據(jù)前述的站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)常見故障及排查方法，進(jìn)行衢州壓氣站區(qū)域陰保系統(tǒng)的完整性檢查。發(fā)現(xiàn)已建陰極保護(hù)系統(tǒng)的主要問題是陽極地床中少數(shù)陽極支線斷路，陽極支線電阻無窮大，判斷施工時(shí)此陽極支線與高硅鑄鐵陽極（或柔性陽極）連接處密封防水處理措施不到位，隨著陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行，陽極處產(chǎn)生的氯氣會(huì)腐蝕連接處密封不嚴(yán)的銅線，產(chǎn)生腐蝕斷裂，使陽極支線與陽極脫離，造成陽極支線電阻無窮大的現(xiàn)象。對(duì)陽極地床的各支線電阻要定期測(cè)試，及時(shí)維修陽極支線與高硅鑄鐵陽極（或柔性陽極）連接處并做好密封防水處理措施。

3.2 區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性測(cè)量

陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性參數(shù)測(cè)量，應(yīng)將埋地被保護(hù)體消除IR 降時(shí)所測(cè)得的保護(hù)參數(shù)，作為管道實(shí)際達(dá)到的保護(hù)參數(shù)。IR 降引起的電位測(cè)量誤差有時(shí)高達(dá)數(shù)百上千毫伏，致使埋地管道陰極保護(hù)測(cè)量電位完全失真，影響陰極保護(hù)有效性的判斷。消除IR 降測(cè)量方法通常采用ON/OFF 斷送器+極化探頭（極化試片）+數(shù)據(jù)記錄儀的方法。這種測(cè)量方法可得到管道外覆蓋層破損漏鐵處與周圍電解質(zhì)（如土壤）形成的局部雙電層電位，有效消除了陰保測(cè)量IR 降，反映管道外覆蓋層破損漏鐵處的真實(shí)陰極保護(hù)電位。

（1）保護(hù)電位的測(cè)試分析。衢州壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)采用5回路的恒電位儀，較難同時(shí)加裝5 個(gè)同步ON/OFF 斷送器，所以采用了可以直接連接到檢測(cè)樁接線并內(nèi)置ON/OFF 斷送器的數(shù)據(jù)記錄儀UDL2 對(duì)保護(hù)電位進(jìn)行檢測(cè)。UDL2 數(shù)據(jù)記錄儀還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量記錄ON/OFF 電位的同時(shí)，還可以區(qū)分高頻率長(zhǎng)周期（≥24 h）測(cè)量記錄交直流干擾數(shù)據(jù)，即一次測(cè)量可同時(shí)得到埋地被保護(hù)體的消除IR 降的真實(shí)陰極保護(hù)電位測(cè)量數(shù)據(jù)和被保護(hù)體交直流干擾測(cè)量數(shù)據(jù)，使得測(cè)量更加簡(jiǎn)捷、方便。

采用數(shù)據(jù)記錄儀UDL2 和極化探頭（極化試片）進(jìn)行管道24 h 的通斷電電位和交直流干擾檢測(cè)，極化探頭的試片面積為6.5 cm2。具體檢測(cè)方法如下：在檢測(cè)樁處被保護(hù)埋地管道周圍埋設(shè)極化探頭（極化試片）和飽和硫酸銅參比電極，極化探頭與管道連接極化24 h。將數(shù)據(jù)記錄儀與檢測(cè)樁接線（被保護(hù)體）、參比電極和試片相連接，參比電極置于被保護(hù)體正上方或附近（圖2）。

圖2 UDL2數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)試接線示意圖Fig.2 UDL2 data recorder test wiring diagram

將數(shù)據(jù)記錄儀參數(shù)設(shè)置為每秒記錄一組數(shù)據(jù)，試片通斷周期設(shè)置為5 s，斷電時(shí)間設(shè)置為1 s，記錄管道的通電電位、斷電電位、測(cè)試時(shí)間以及測(cè)試的位置；測(cè)試24 h后，將數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管道通斷電直流電位曲線圖和交流電位曲線圖。

2021 年6 月衢州壓氣站在壓氣站壓縮機(jī)區(qū)域，壓氣站發(fā)球區(qū)、工藝區(qū)，壓氣站實(shí)驗(yàn)站，分輸站管道區(qū)域各選取一個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試數(shù)據(jù)見表2、表3。

從表2、表3直流斷電電位數(shù)據(jù)、交流電壓數(shù)據(jù)可看出：①對(duì)于區(qū)域內(nèi)被保護(hù)的管道及其他共同防護(hù)構(gòu)筑物，管地電位達(dá)到陰極保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)；②交流干擾電壓數(shù)據(jù)最大值為0.741 127 V，最大交流干擾電壓數(shù)據(jù)平均值在分輸站區(qū)域Qz-5 區(qū)域電位測(cè)試樁檢測(cè)點(diǎn)處，為0.147 219 8 V，遠(yuǎn)低于4 V。交直干擾判定為區(qū)域內(nèi)的防護(hù)構(gòu)筑物無干擾，符合GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中第7.0.1條規(guī)定、GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中第6.2 條規(guī)定，被保護(hù)體無需采取干擾防護(hù)措施。

表2 衢州壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)UDL2測(cè)試第一組數(shù)據(jù)Tab.2 1st set of data of regional cathodic protection UDL2 test in Quzhou Compressor Station

表3 衢州壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)UDL2測(cè)試第二組數(shù)據(jù)Tab.3 2nd set of data of regional cathodic protection UDL2 test in Quzhou Compressor Station

（2）IR 降的測(cè)試分析。測(cè)量埋地管道周圍埋設(shè)的極化探頭（極化試片）和飽和硫酸銅參比電極之間的直流電位，數(shù)據(jù)記錄儀UDL2測(cè)試的直流通電電位(on)和直流斷電電位(off)之間的差值可以認(rèn)為是陰保測(cè)量IR 降，直流斷電電位反映管道外覆蓋層破損漏鐵處的真實(shí)陰極保護(hù)電位，根據(jù)此數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀的輸出電流（表4）。

從表4 得出，四個(gè)區(qū)域4 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處陰極保護(hù)測(cè)量IR 降在34.0～647.5 mV 之間，應(yīng)該是埋設(shè)測(cè)試飽和硫酸銅參比電極周圍埋地管道防腐絕緣狀況越好，土壤電阻率愈大，IR降越大。表4中四個(gè)區(qū)域4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處的真實(shí)陰極保護(hù)管地電位均在-0.85～-1.20 V(CSE)，符合GB/T 21448—2008 《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的4.3.1 條款的規(guī)定，也說明整個(gè)場(chǎng)站區(qū)域的5路陰極保護(hù)分別輸出的電流大小是合理的。

3.3 區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試

以表3、表4數(shù)據(jù)為參考，對(duì)區(qū)域陰極保護(hù)的5路輸出電流進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，對(duì)整個(gè)場(chǎng)站區(qū)域陰極保護(hù)的測(cè)試樁進(jìn)行測(cè)試，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5、表6。

表4 衢州壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)測(cè)量IR降及真實(shí)陰極保護(hù)管地電位數(shù)據(jù)Tab.4 IR drop measured by cathodic protection in Quzhou Compressor Station and real cathodic protection tube ground potential data

表5 優(yōu)化后的區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的5路輸出數(shù)據(jù)Tab.5 5 set of output data of the optimized regional cathodic protection system

表6中四個(gè)區(qū)域11個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處的真實(shí)陰極保護(hù)管地電位（斷電電位）均在-0.85～-1.20 V(CSE)，符合GB/T 21448—2008 《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的4.3.1條款的規(guī)定。

表6 優(yōu)化后的區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)樁電位數(shù)據(jù)Tab.6 Test pile potential data of the optimized regional cathodic protection system

4 結(jié)論及建議

（1）埋地被保護(hù)體陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性測(cè)量參數(shù)應(yīng)是消除IR 降及交直流干擾后的真實(shí)電位數(shù)值，將IR 降及交直流干擾等因素消除后測(cè)量的數(shù)值才能反映被保護(hù)體是否在有效的陰極保護(hù)范圍、是否達(dá)到真正保護(hù)。

（2）采用數(shù)據(jù)記錄儀UDL2 和極化探頭（極化試片）進(jìn)行管道24 h的通斷電電位和交直流干擾檢測(cè)，一次測(cè)量可同時(shí)得到埋地被保護(hù)體消除IR 降的真實(shí)陰極保護(hù)電位測(cè)量數(shù)據(jù)和被保護(hù)體交直流干擾測(cè)量數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)捷方便。

（3）對(duì)陽極地床的各支線電阻要定期測(cè)試，及時(shí)維修陽極支線與高硅鑄鐵陽極（或柔性陽極）連接處并做好密封防水處理措施。

（4）建議結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，確立實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)為工作目標(biāo)的完整性管理體系，其主要工作內(nèi)容至少包括如下幾個(gè)方面：對(duì)照設(shè)計(jì)文件，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行完整性檢查，使系統(tǒng)各部分符合設(shè)計(jì)要求；按照本文表1陰極保護(hù)系統(tǒng)常見故障表象及排查方法，消除運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題；定期開展陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果的測(cè)試；依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化，確保系統(tǒng)運(yùn)行效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)。