陳　波　李　果　林　濤　嵇　翔　楊甲強(qiáng)　譚新平

1. 中國石油塔里木油田公司塔里木能源分公司,　新疆　庫爾勒　841000; 2. 中國石油塔里木油田公司塔中油氣開發(fā)部,　新疆　庫爾勒　841000

0　前言

目前,金屬油氣管網(wǎng)面臨的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)不斷增加,引起了油氣管道管理者的廣泛重視,在管道腐蝕控制方面,陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。陰極保護(hù)技術(shù)的基本原理是對被保護(hù)的金屬表面施加一定的直流電流,使其產(chǎn)生陰極極化保護(hù),當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位時(shí),腐蝕過程就會得到有效抑制[1]。站場陰極保護(hù)技術(shù)在石油系統(tǒng)已經(jīng)全面推廣,已建站場也逐步增加了站場區(qū)域陰極保護(hù),并取得了顯著的防護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。陰極保護(hù)工程是一個集設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營為一體的系統(tǒng)工程,任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,都會造成保護(hù)系統(tǒng)癱瘓[4]。

1　接地系統(tǒng)造成陰極保護(hù)電流損耗

陰極保護(hù)總電流主要由土壤電阻率、含氧量、被保護(hù)設(shè)施防腐層形式以及設(shè)備接地方式等因素共同決定[5]。哈四聯(lián)合站建站初期未考慮扁鋼、角鋼組成的全裸接地網(wǎng)對陰保系統(tǒng)的影響,導(dǎo)致保護(hù)電流大量漏失,造成部分恒電位儀超負(fù)荷運(yùn)行(保持恒電流輸出狀態(tài)),恒電位儀僅起到類似整流器極化電源的作用,恒電位功能得不到發(fā)揮,設(shè)備處于欠保護(hù)狀態(tài)。后期將原扁鋼接地改造為鋅合金接地極,共計(jì)45處90支鋅合金陽極[6],采用鋅合金等具有比管道電位更負(fù)電位的金屬材料接地,石油瀝青防腐,有效阻止了保護(hù)電流流失,可以起到陰極保護(hù)和防雷接地的雙重作用[7-8],保護(hù)效果有所轉(zhuǎn)好。這說明陰極保護(hù)設(shè)計(jì)過程中,需要根據(jù)保護(hù)對象具體情況,合理確定陰極保護(hù)電流總量,防止恒電位儀輸出電流裕量過大或過小,造成設(shè)備浪費(fèi)或超功率損壞以及陽極生命周期縮短。

2　犧牲陽極與外加電流協(xié)同保護(hù)方案

3　加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)督與工程驗(yàn)收

雖然陰極保護(hù)系統(tǒng)方案、參數(shù)設(shè)計(jì)好壞與否是關(guān)鍵,但陰極保護(hù)作為一個系統(tǒng)工程,本身組成部件較多,并且大多數(shù)埋于地下,如參比電極、連接電纜、絕緣法蘭等,其中任何一個部位存在施工或質(zhì)量問題,都會影響整個系統(tǒng)的防腐效果,造成系統(tǒng)保護(hù)電位異常,甚至系統(tǒng)癱瘓。

3.1　長效參比電極現(xiàn)場校準(zhǔn)不到位

預(yù)埋長效參比電極質(zhì)量問題及工程施工質(zhì)量差,均會造成輸出電位異常,導(dǎo)致恒電位儀無法正常工作。如哈四聯(lián)合站陰極保護(hù)系統(tǒng)建設(shè)過程中,未對長效參比電極進(jìn)行校準(zhǔn)與準(zhǔn)確性確認(rèn)。后期陰極保護(hù)系統(tǒng)大檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)兩處恒電位儀參比電極過早損壞,硫酸銅大量溢出,導(dǎo)致電位漂移過大,出現(xiàn)恒電位儀超負(fù)荷運(yùn)行情況。通過測量發(fā)現(xiàn),其它長效硫酸銅參比電極測出來的電位值同樣存在不同程度的“正負(fù)漂移”現(xiàn)象,最大偏差達(dá)150 mV。參比電極提供假信號會使恒電位儀運(yùn)行異常,存在被保護(hù)設(shè)施發(fā)生陰極剝離、恒電位儀過流損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.2　電纜施工與設(shè)計(jì)不符影響調(diào)試

均壓線、陰陽極通電線等連接電纜是陰極保護(hù)系統(tǒng)信號和電流的傳輸紐帶。如果各連接電纜出現(xiàn)施工問題或者實(shí)際連接點(diǎn)與設(shè)計(jì)圖紙不相符合,會給站內(nèi)調(diào)試、電位均衡帶來不確定因素,無法調(diào)節(jié)保護(hù)電位,甚至出現(xiàn)“南轅北轍”的結(jié)果。如哈四聯(lián)合站早期3#與4#兩臺恒電位儀,與原來設(shè)計(jì)保護(hù)對象的深井陽極正好接反,當(dāng)調(diào)大3#恒電位儀的輸出電流時(shí),實(shí)際上3#恒電位儀所轄的保護(hù)對象保護(hù)電流并未增大,造成受4#恒電位儀保護(hù)的設(shè)備保護(hù)電位過負(fù),最低時(shí)達(dá)到-1.53 V,極易誘發(fā)管線鋼的氫脆和防腐層的陰極剝離。與此類似,在哈四聯(lián)合站后期陰極保護(hù)系統(tǒng)大調(diào)查中先后發(fā)現(xiàn)6處均壓線搭接點(diǎn)、陰極通電點(diǎn)的絕緣處理不合格以及搭接點(diǎn)位置與相關(guān)設(shè)計(jì)不符,造成陰極電流損失嚴(yán)重,保護(hù)區(qū)域交叉,不符合陽極井與陰保區(qū)域就近保護(hù)的原則,恒電位儀做功大小相差甚遠(yuǎn),調(diào)節(jié)不便。出現(xiàn)這種錯誤的關(guān)鍵在于施工時(shí)各環(huán)節(jié)沒銜接好，且缺乏必要的檢查。

3.3　絕緣法蘭絕緣性能差造成系統(tǒng)干擾

目前輸氣管網(wǎng)中大多采用絕緣接頭裝置來實(shí)現(xiàn)電絕緣,以達(dá)到提高管道陰極保護(hù)效率和隔斷雜散電流干擾的目的。作為陰極保護(hù)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)備之一,絕緣接頭質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定相關(guān)陰極保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。對站內(nèi)13處絕緣法蘭進(jìn)行絕緣性能測試,發(fā)現(xiàn)11處絕緣法蘭的2個法蘭片均處于導(dǎo)通狀態(tài),絕緣法蘭兩側(cè)的電位很接近,絕緣性能差。絕緣法蘭性能差,造成陰極保護(hù)電流的散失,給站內(nèi)陰極保護(hù)電位達(dá)標(biāo)增加難度。多處絕緣法蘭在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)失去良好絕緣性能,說明絕緣法蘭本身存在嚴(yán)重質(zhì)量問題。這一教訓(xùn)提示我們,需要重視每一個環(huán)節(jié),嚴(yán)格抽檢。

陰極保護(hù)是一個系統(tǒng)工程,保護(hù)效果的好壞不僅與工藝方案有關(guān),與施工質(zhì)量也存在密切關(guān)系,一定要嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān),對已建站場宜采用分步施工、分步投運(yùn)的方法。施工過程中,每道工序檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行下一道工序,將質(zhì)量隱患最大限度地消除在建設(shè)期間,從源頭消除施工質(zhì)量問題,避免回填后調(diào)試期間出現(xiàn)問題而疲于整改。

4　流程改造影響陰極保護(hù)穩(wěn)定運(yùn)行

根據(jù)工藝生產(chǎn)需要,常對相關(guān)流程進(jìn)行搭接改造。管線的搭接經(jīng)常會使本該獨(dú)立的兩個或多個陰極保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電流上的連通,造成互相干擾。需對系統(tǒng)進(jìn)行全面測試才能確定干擾程度及是否需要添加絕緣法蘭,并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。如哈四聯(lián)合站根據(jù)油田生產(chǎn)需要,將萬方罐改造為水罐使用,使萬方罐水出口管線直接與污水匯管連接。改造完畢后對系統(tǒng)進(jìn)行全面的電位測試,發(fā)現(xiàn)萬方罐區(qū)域保護(hù)電位過負(fù),某些點(diǎn)電位低至-1.5 V左右,控制萬方罐區(qū)域的恒電位儀輸出僅為1 A,而污水保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀電流較以往增加10 A。通過分析可知,萬方罐水出口管線直接與污水匯管連接,造成陰極系統(tǒng)的互相干擾,最后在連接點(diǎn)加裝絕緣法蘭,電位恢復(fù)正常。

5　高電阻降IR影響保護(hù)電位評價(jià)

陰極保護(hù)電位測量中的電阻降IR會影響電位測量結(jié)果,測得的電位包括電流流過金屬和土壤時(shí)產(chǎn)生的電阻降IR,且IR降有的幾十甚至高達(dá)幾百毫伏,難以準(zhǔn)確判斷管道的欠保護(hù)或過保護(hù)情況[12-13]。對哈四聯(lián)合站的電阻率進(jìn)行選點(diǎn)測試,共選取26個測量點(diǎn),平均電阻率達(dá)到43.1 Ω·m,部分測量點(diǎn)電阻率甚至超高至188 Ω·m。高電阻降IR給管線保護(hù)電位的準(zhǔn)確測量帶來麻煩。如哈一聯(lián)合站至哈四聯(lián)合站的原油輸送管線,沿線7個測試樁保護(hù)電位一直介于-2 290～-2 370 mV(CSE)之間。為分析電位過負(fù)是由外界電流干擾引起還是測試方式不妥造成,特委托北京安科管道工程科技有限公司對該管線7#測試樁進(jìn)行近參比斷電測試,發(fā)現(xiàn)7#測試樁的實(shí)際電位為-1 180 mV,尚在SY/T 6964-2013 《石油天然氣站場陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的允許范圍內(nèi)[14];而用常規(guī)的便攜式參比電極直接測量,其值為-2 290 mV。以上誤差均由沙土過干、電阻率過大,造成測量中的電阻降IR過大所致,針對電阻率過高的鹽漬土環(huán)境,需要充分考慮土壤高電阻率對便攜式參比電極測量帶來的測量誤差。系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí),盡可能采用埋地長效硫酸銅參比電極,減少各個監(jiān)測點(diǎn)的測量誤差,從而合理調(diào)整恒電位儀的電流輸出,盡量防止管道出現(xiàn)欠保護(hù)工況。

6　加強(qiáng)后期運(yùn)營維護(hù)及故障處理

與管道干線陰極保護(hù)相比,區(qū)域陰極保護(hù)回路復(fù)雜,需經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,后期應(yīng)分區(qū)域、分裝置、分設(shè)備進(jìn)行調(diào)整[15-16],后期的管理維護(hù)是陰極保護(hù)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的保障。哈四聯(lián)合站一期工程初期投運(yùn)保護(hù)效果不是太好,加上后期的運(yùn)行維護(hù)不到位、不夠重視,運(yùn)行工況進(jìn)一步惡化,造成系統(tǒng)癱瘓,完全無法正常使用。哈四聯(lián)合站不斷總結(jié)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn),制定并實(shí)施陰極保護(hù)管理技術(shù)規(guī)程,對保護(hù)電位、絕緣法蘭、土壤電阻率、接地電阻進(jìn)行周期性檢測,及時(shí)調(diào)整陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)電位,發(fā)現(xiàn)需維護(hù)特殊管段、識別防護(hù)層破損情況。哈四聯(lián)合站通過嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)程,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理4處欠保護(hù)點(diǎn)、更換絕緣法蘭1對以及處理恒電位故障3次,為設(shè)備全面保護(hù)提供了有力保障。

另外,當(dāng)參比電極處于沙漠、戈壁、荒灘等土壤干燥環(huán)境時(shí),其參比電極內(nèi)溶液中的水分易流失,溶液干涸,硫酸銅結(jié)晶,內(nèi)部無電解液,無法形成電極,造成長效參比電極的作用失效[17]。失效參比電極會導(dǎo)致恒電位儀的反饋保護(hù)電位信號大幅度波動,使得恒電位儀過多出力,或者功能失效。哈四聯(lián)合站采取給長效參比電極定期通灌水的方式合理解決此類問題。

通過以上措施,哈四聯(lián)合站陰極保護(hù)效果得到實(shí)質(zhì)

表1哈四聯(lián)測試點(diǎn)腐蝕電位與保護(hù)電位測量結(jié)果

單位:V

7　結(jié)論

1)合理確定保護(hù)電流密度等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),制定具有針對性的陰極保護(hù)方案消除屏蔽效應(yīng)是建設(shè)經(jīng)濟(jì)高效的站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)要求進(jìn)行工程施工,確保施工質(zhì)量,減少質(zhì)量隱患,控制陰極保護(hù)系統(tǒng)施工質(zhì)量是提高后期系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行效果的關(guān)鍵所在。

3)站場工藝流程改造會對陰極保護(hù)系統(tǒng)造成潛在威脅,工藝流程的設(shè)計(jì)改造必須與陰極保護(hù)系統(tǒng)同時(shí)分析、同時(shí)施工、同時(shí)投運(yùn),減少系統(tǒng)的干擾與后期再次改造的困難。

4)對于土壤電阻率較高的干燥地區(qū),通電電位測量中包含了高土壤電阻降IR,陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果的測試分析過程中,應(yīng)消除高土壤電阻降IR的影響,以此獲得真實(shí)的測試數(shù)據(jù),便于獲得準(zhǔn)確可信的保護(hù)效果評價(jià)結(jié)果。

5)對陰極保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測、跟蹤與分析,及時(shí)判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況,并采取合理的調(diào)整與故障處理措施,后期的精心運(yùn)行維護(hù)為陰極保護(hù)系統(tǒng)的全面達(dá)標(biāo)運(yùn)行提供有力保障,保持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

6)哈四聯(lián)陰極保護(hù)系統(tǒng)遇到的問題,是站場區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)的普遍問題,其解決方案可為同行提供借鑒。