李紅文(海南太平洋石油實(shí)業(yè)股份有限公司,海南 三亞 572000)
三亞鳳凰機(jī)場(chǎng)航油管道工程項(xiàng)目于2016 年5 月開(kāi)建,2017年1 月建成投用,截止2019 年12 月系統(tǒng)運(yùn)行期間,因外部雜散電流干擾、恒電位儀設(shè)備故障、陽(yáng)極床接地電阻增大、雷電入侵等因素引起管道陰極保護(hù)系統(tǒng)多次出現(xiàn)異常。本文通過(guò)對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的故障分析及處理,比較全面的找到故障原因,故障全部排除后恒電位儀輸出參數(shù)明顯優(yōu)化,管道得到有效陰極保護(hù)。
(1)外部雜散電流干擾
由于管道埋設(shè)距離較長(zhǎng),存在多處與高壓輸電線路和環(huán)島高鐵電氣化鐵路交叉或者平行敷設(shè)的情況。因此,金屬管道長(zhǎng)期存在由于高壓輸電線或電氣化鐵路電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓情況,因瞬間故障狀態(tài)(如短路、開(kāi)關(guān)沖擊等)下,管道上產(chǎn)生瞬間感應(yīng)電壓,容易引起管道陰極保護(hù)電位波動(dòng)。
(2)感應(yīng)雷入侵
恒電位儀參比電纜和零位接陰電纜未采用埋地敷設(shè),易受感應(yīng)電壓和雷電過(guò)電壓侵入,造成設(shè)備損壞,這種損壞發(fā)生頻率較高,海南省三亞市區(qū)域?qū)儆诶纂婎l發(fā)地區(qū),對(duì)電器設(shè)備而言防雷是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。
(3)陽(yáng)極床接地電阻輸出不符合要求
恒電位儀運(yùn)行犧牲陽(yáng)極床采用淺埋方式敷設(shè),且安裝的位置于海邊,土質(zhì)基本上為砂粒,三亞天氣少雨,造成土壤電阻率較高,特別是旱季更易導(dǎo)致陽(yáng)極床電阻升高,影響恒電位儀正常運(yùn)行。
三亞鳳凰國(guó)際機(jī)場(chǎng)航煤管道,于2017 年1 月建成并投入使用。管道全長(zhǎng)6.7km,管道設(shè)計(jì)壓力2.4MPa,一般直管段管材D273×7.0,熱煨彎管及火車站段管材為管道規(guī)格為D273×8.0,材質(zhì)為L(zhǎng)245 無(wú)縫鋼管,全線采用埋地敷設(shè)。直管段管道外防腐采用3PE 加強(qiáng)級(jí)防腐層。管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng),采用1 臺(tái)規(guī)格為 30V/10A 兩回路的交流供電恒電位儀,恒電位儀為一用一備(一體機(jī)),主機(jī)與備用機(jī)相互間通過(guò)恒電位儀控制臺(tái)連接、轉(zhuǎn)換。陰極保護(hù)站設(shè)在首站,全管段設(shè)有26 個(gè)陰極保護(hù)電位測(cè)試樁。
(1)感應(yīng)雷入侵
2017 年10 月、2018 年2 月、2018 年11 月和2019 年1 月,發(fā)生過(guò)4 次雷擊故障。進(jìn)一步分析4 次故障,電源防雷端防雷壓敏電阻損壞0 次;輸入輸出端1 級(jí)防雷壓模塊損壞0 次,輸入輸出端2 次防雷壓敏電阻損壞3 次;參比零位1 級(jí)防雷模塊1 次,參比零位2 次防雷壓敏電阻損壞4 次;恒電位儀電路板損壞2 次。
從故障的頻率和嚴(yán)重程度分析,每次故障有零位參比端防雷壓敏電阻燒損的現(xiàn)象,輸入輸出端防雷壓敏電阻損壞的頻次次之,其中2 次較為嚴(yán)重的故障導(dǎo)致恒電位儀電路板損壞,可以判斷是外部異常電壓入侵所致。
恒電位儀器設(shè)有5 處防雷器,其中電源1 處1 級(jí)(防雷壓敏電阻標(biāo)稱電壓:470V),輸入輸出2 處2 級(jí)(1 級(jí)防雷壓敏電阻標(biāo)稱電壓:200V),參比零位2 處2 級(jí)。
電源壓敏電阻標(biāo)稱電壓471V;防雷箱內(nèi)置防雷板,標(biāo)稱電壓:240V,壓敏電阻標(biāo)稱電壓200V;參比零位1 級(jí)防雷設(shè)備也是防雷箱,標(biāo)稱電壓:240V,2 級(jí)防雷也是壓敏電阻,內(nèi)置于恒電位儀零位參比接線端子內(nèi),壓敏電阻標(biāo)稱電壓:82V。
圖1 埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)圖
從圖1 可以看出,輸恒電位儀的接線由5 組電纜組成,分別為:①輸入電源、②輸入陰極、③輸出陽(yáng)極、④零位接陰、⑤參比電極。輸入電源是由配電線路輸入的恒電位儀工作電源,由市電電源供電,輸出陰極是恒電位儀輸出的負(fù)端子,接至被保護(hù)物的通電點(diǎn),輸出陽(yáng)極是恒電位儀的正端子,接至輔助陽(yáng)極床;零位接陰是恒電位儀電路的地端,接于被保護(hù)物通電點(diǎn)附近,參比電極是取樣信號(hào)輸入端,于埋設(shè)在通電點(diǎn)附近的參比電極相連接。
壓敏電阻的作用:壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性,當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間,壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值,當(dāng)電源超出壓敏電阻的保護(hù)電壓,壓敏電阻會(huì)被擊穿,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。
每次故障都找到參比零位的壓敏電阻燒損可以說(shuō)明此路收到外來(lái)電壓入侵,電源端的防雷從未出現(xiàn)損壞,可以排除電源電壓的原因,根據(jù)各級(jí)防雷電阻的防護(hù)電壓等級(jí)和損壞頻次,可以得出外部入侵電壓基本上大于240V 的范圍,這種范圍的電壓是感應(yīng)雷的可能性很大。
實(shí)測(cè)恒電位儀接地網(wǎng)電阻為6Ω,根據(jù)防雷要求小于10Ω,說(shuō)明接地電阻符合要求。由于設(shè)備安裝于雷電頻發(fā)環(huán)境,雷電入侵損壞因素一直存在且根本無(wú)法消除,只能在原有設(shè)備防雷的基礎(chǔ)上,增加同更高防護(hù)等級(jí)的防雷設(shè)備,根治辦法為重新選址搬移重建。
(2)陽(yáng)極床接地電阻輸出不符合要求
2019 年3 月14 日,管道陰保系統(tǒng)恒電位儀輸出電壓超出額定電壓(額定電壓30V),設(shè)備報(bào)警并自動(dòng)切到“恒電流”模式運(yùn)行,人工切換回2 號(hào)機(jī)同樣存在設(shè)備輸出電壓超出額定電壓而無(wú)法正常工作情況。
比對(duì)分析設(shè)備運(yùn)行記錄(見(jiàn)圖2),2016 年12 月,新陽(yáng)極床接地電阻驗(yàn)收值為7Ω,在同為旱季的情況下,2019 年3 月,陽(yáng)極床電阻最大值達(dá)16.4Ω,陽(yáng)極床電阻逐漸在增大; 2016 年12月恒電位儀的輸出電壓電流為3.824V/0.498A,2017 年12 月輸出電壓電流為9.488V/0.773A,2018 年12 月輸出電壓電流22.178V/1.692A,恒電位儀的輸出電壓逐漸在增大。
圖2 陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)圖
斷開(kāi)陽(yáng)極床電纜,將犧牲陽(yáng)極棒投入海水里作為臨時(shí)陽(yáng)極床,用電纜接入恒電位儀,恒電位儀投入運(yùn)行平穩(wěn),顯示電壓電流為3.487V/2.337A,理論推算出臨時(shí)陽(yáng)極床電阻1.49Ω,這個(gè)阻值小于標(biāo)準(zhǔn)值4 歐姆。 當(dāng)陽(yáng)極床接地電阻降低,符合恒電位儀廠家設(shè)計(jì)參數(shù)要求時(shí),恒電儀輸出參數(shù)平穩(wěn),運(yùn)行正常。
咨詢恒電位儀生產(chǎn)廠家、陰保系統(tǒng)安裝單位及行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家,初步認(rèn)為設(shè)備選型、材料選擇、安裝施工等基本按設(shè)計(jì)圖紙及說(shuō)明書(shū)進(jìn)行,根本原因是陽(yáng)極床選址存在不足,陽(yáng)極床安裝位置地下2 米以下全部為砂子,水分流失嚴(yán)重,陽(yáng)極床電阻相對(duì)偏高,特別在旱季電阻更高。且陽(yáng)極床距離海邊不足100米,鹽分較大,氯離子對(duì)陽(yáng)極床高硅鑄鐵陽(yáng)極表面容易造成腐蝕,影響接地性能。
分析排查結(jié)論,輸出電壓超標(biāo)原因主要是陽(yáng)極床接地電阻過(guò)高,恒電位儀輸出電壓超出額定電壓導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作,根本原因是陽(yáng)極床安裝位置選址存在問(wèn)題。
為解決恒電位儀安裝環(huán)境雷電入侵頻繁,以及陽(yáng)極床輸出電阻過(guò)高影響恒電位儀正常工作等問(wèn)題,公司委托有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重新選址,經(jīng)多次測(cè)試比對(duì)安裝位置的土壤電阻率,最終批準(zhǔn)將安裝于管道首端(碼頭)的恒電位儀搬遷至管道末端(機(jī)場(chǎng)油庫(kù)機(jī)房),在庫(kù)區(qū)西側(cè)綠化用地內(nèi)新建陽(yáng)極床、敷設(shè)陰極保護(hù)電纜及系統(tǒng)綜合調(diào)試等內(nèi)容的設(shè)計(jì)方案。
陰保站陽(yáng)極床遷改項(xiàng)目于2019 年8 月9 日進(jìn)場(chǎng)施工,歷時(shí)13 天,共完成30 支預(yù)包裝高硅鑄鐵陽(yáng)極安裝、1 處通電點(diǎn)安裝、1 座陰保站投產(chǎn)測(cè)試,于2019 年8 月21 日完成初步驗(yàn)收,并開(kāi)始進(jìn)行試運(yùn)行,施工過(guò)程情況見(jiàn)圖3、圖4 和圖5。
圖3 匯流點(diǎn)安裝
圖4 輔助陽(yáng)極安裝
圖5 管道陰極保護(hù)系統(tǒng)遷改安裝示意圖
(1)防雷措施有效,恒電位儀運(yùn)行正常。
1)恒電位儀現(xiàn)安裝機(jī)房建筑物防雷措施有效,機(jī)房建筑物東西兩側(cè)接地電阻均低于6Ω,并機(jī)房且向南20 米,向北40米,各安裝1 支25 米高專用避雷塔(原有),避雷塔接地電阻低于4Ω,能夠防范一般直擊雷和感應(yīng)雷的入侵危害。
2)2019 年8 月遷改完成后,截至2019 年12 月,未發(fā)現(xiàn)恒電位儀相關(guān)壓敏電阻遭受雷電入侵現(xiàn)象,恒電位儀運(yùn)行正常。
(2)恒電位工作參數(shù)明顯優(yōu)化,達(dá)到項(xiàng)目改造要求。
1)2019 年3 月,舊陽(yáng)極床故障期間,陽(yáng)極床接地電阻最大值為16.4Ω,恒電位儀輸出電壓超過(guò)額定電壓30V,設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)。
2)2019 年8 月,舊陽(yáng)極床遷改后,陽(yáng)極床接地電阻為2.6Ω,恒電位儀輸出電壓和電流為4.37V/1.377A,設(shè)備運(yùn)行正常,輸出參數(shù)滿足生產(chǎn)廠家該型號(hào)(30V/10A)恒電位儀說(shuō)明書(shū)要求。
(3)全線通電電位波動(dòng)幅度平穩(wěn),管道陰極保護(hù)得到改善。
SONG Shao-hua, XU Chun-yang, GUO Meng, LIU Fang, DING Guo-shan, WANG Quan-xing, FU Zhi-ren
1)對(duì)比通電電位趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖6),整條管道的保護(hù)電位較為平均,無(wú)明顯突變現(xiàn)象。
圖6 通電電位曲線圖
2)遷改后,組織3 次全線通電電位測(cè)試,管道保護(hù)電位平均最大電位差為0.3615V 左右,保護(hù)電流沒(méi)有嚴(yán)重流失現(xiàn)象,說(shuō)明陰極保護(hù)得到較大改善。
(4)斷電保護(hù)電位結(jié)果明顯優(yōu)化,可以判斷管道全線電位處于陰保系統(tǒng)有效保護(hù)范圍內(nèi)。
1)2019 年9 月,在預(yù)置電壓為1.5V,設(shè)備自動(dòng)斷電測(cè)試條件下,測(cè)試結(jié)果為,26 個(gè)電位測(cè)試點(diǎn)均高于-0.85V,變化幅度明顯收窄(見(jiàn)圖7)。
圖7 斷電電位曲線圖
2)為下一步需規(guī)范斷電電位測(cè)試工作,預(yù)置電壓為1.5V,設(shè)備自動(dòng)斷電等測(cè)試條件不得隨意變更,測(cè)試儀表必須完好并合格有效,每個(gè)測(cè)試樁測(cè)試位置相對(duì)固定,測(cè)試人員相對(duì)固定,對(duì)出現(xiàn)明顯電位波動(dòng)的測(cè)試樁應(yīng)組織重測(cè)并重點(diǎn)分析產(chǎn)生原因。
長(zhǎng)輸管道通常采用埋地方式敷設(shè),穿越地段地形復(fù)雜,土壤會(huì)對(duì)管道造成不同程度的腐蝕,腐蝕是管道長(zhǎng)期損傷的主要方式,會(huì)造成管道強(qiáng)度降低,嚴(yán)重威脅其安全運(yùn)行,通常采用管道外防腐和陰極保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)合保護(hù)措施防范管道腐蝕。要確保管道陰極保護(hù)系統(tǒng)起到保護(hù)作用,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)設(shè)計(jì)過(guò)程
1)在長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目可研階段,應(yīng)采取地質(zhì)勘探、土壤電阻率比對(duì)等措施,科學(xué)選擇陰保系統(tǒng)陽(yáng)極床安裝位置。
2)分析當(dāng)?shù)貧v史雷電危害情況,對(duì)恒電位儀安裝場(chǎng)所采取有效防雷措施。
(2)施工過(guò)程
1)焊接安裝前應(yīng)對(duì)管道防腐層測(cè)試驗(yàn)收,確保符合設(shè)計(jì)要求;
2)對(duì)熱煨彎管、管道支管等非一般管段,除對(duì)管道防腐層測(cè)試驗(yàn)收外,還應(yīng)進(jìn)行鋼管材質(zhì)、焊接質(zhì)量等專項(xiàng)檢查;
3)埋設(shè)回填前,必須用電火花檢測(cè)儀進(jìn)行全面分段復(fù)檢驗(yàn)收合格,特別應(yīng)關(guān)注焊接補(bǔ)口段的絕緣效果,回填過(guò)程應(yīng)全程監(jiān)控,防止堅(jiān)硬物質(zhì)(石塊、金屬等)損傷管道防腐層。
4)管道陰保系統(tǒng)調(diào)試期間,重點(diǎn)測(cè)試陽(yáng)極床接地電阻和全線保護(hù)電位,確保各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,管道得到有效保護(hù)。
(3)運(yùn)行過(guò)程自檢維護(hù)
1)定期對(duì)恒電位儀、保護(hù)電壓、保護(hù)電流、絕緣接頭等設(shè)備設(shè)施檢查測(cè)試。
2)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)及時(shí)匯總分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)異常,各級(jí)技術(shù)管理人員應(yīng)具有一定的敏感性和警惕性,一旦出現(xiàn)異常,應(yīng)盡早組織測(cè)試及處置,消除管道可能存在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn),確保管道運(yùn)行正常。
(4)管道完整性體系管理
1)建立符合本公司管道實(shí)際情況的管道完整性管理體系。
2)運(yùn)行維護(hù)好管道完整性管理體系,切實(shí)控制好管道第三方損壞、管道內(nèi)外腐蝕等主要風(fēng)險(xiǎn),確保體系運(yùn)行有效。
長(zhǎng)輸管道運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)每天檢查并記錄恒電位儀運(yùn)行參數(shù),定期測(cè)量管道陰極保護(hù)電位,若發(fā)現(xiàn)保護(hù)電位等運(yùn)行參數(shù)異常波動(dòng),應(yīng)盡早查明原因,并采取處理措施,及時(shí)消除管道可能存在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn),確保管道陰保系統(tǒng)運(yùn)行正常,管道得到有效保護(hù)。