吳 斌

(中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司,青島 266499)

從管道受交流雜散電流干擾時,一般采用固態(tài)去耦合器+接地極的方式進(jìn)行緩解[1-5],固態(tài)去耦合器一端連接管道,另一端連接接地極。隨著電力線路和交流電氣化鐵路的快速發(fā)展,管道遭受交流干擾的問題日益嚴(yán)重[6-7]。目前,管道上安裝的交流排流設(shè)施日益增多,有數(shù)據(jù)顯示我國管道上平均每10 km 就有一處交流排流設(shè)施。固態(tài)去耦合器是交流排流設(shè)施的重要組成部分,其主要功能是隔直流通交流,即允許交流電流通過,而在一定范圍內(nèi)阻止直流電流通過,實(shí)現(xiàn)緩解交流干擾的同時,避免對管道陰極保護(hù)效果產(chǎn)生影響[8-12]。

管道陰極保護(hù)評價(jià)的重要內(nèi)容是測試管道的瞬間斷電電位[13-14]。目前,埋地油氣管道主要采用防腐蝕層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù),防腐蝕層是腐蝕控制的第一道防線,可對管道表面99%的面積進(jìn)行腐蝕防護(hù),剩余大概1%面積的防腐蝕層會產(chǎn)生破損或針孔缺陷,則需依靠陰極保護(hù)進(jìn)行防護(hù)。陰極保護(hù)的有效性取決于電位測試的準(zhǔn)確性,電位測試的最大誤差來自于歐姆(IR)降,因此,標(biāo)準(zhǔn)要求使用管道瞬間斷電電位來評價(jià)管道的陰極保護(hù)效果[15-16]。

由管道斷電電位現(xiàn)場測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在固態(tài)去耦合器安裝位置附近測得的管道瞬間斷電電位存在較大誤差,通過對比固態(tài)去耦合器連接和不連接管道時管道的斷電電位曲線,發(fā)現(xiàn)固態(tài)去耦合器在管道陰極保護(hù)斷電瞬間釋放了較強(qiáng)的沖擊電流,此沖擊電流導(dǎo)致管道斷電電位測量產(chǎn)生較大的誤差。

本工作通過分析固態(tài)去耦合器結(jié)構(gòu)、電容放電特性和放電回路等影響因素,研究了固態(tài)去耦合器對管道陰極保護(hù)斷電電位測試結(jié)果的影響規(guī)律。

1 基本原理

1.1 陰極保護(hù)斷電電位測試原理

陰極保護(hù)斷電電位測試曲線用于分析管道真實(shí)的極化電位,根據(jù)GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)對瞬間斷電電位的定義,斷電瞬間測試得到的管道對電解質(zhì)的電位,通常情況下是在陰極保護(hù)電源切斷后和極化電位尚未衰減前讀取的電位。當(dāng)電位測量頻率達(dá)到每秒1 000次時,管道斷電電位測試曲線如圖1所示。對于埋地長輸管道斷電電位曲線來說,斷電后0～0.3 s范圍內(nèi),由于管道的電流自感效應(yīng),會造成斷電電位曲線短暫波動。因此,一般在斷電后0.3～1 s范圍內(nèi)讀取管道的瞬間斷電電位。若斷電后不恢復(fù)陰極保護(hù)狀態(tài),則管道會持續(xù)去極化直到自然電位。本工作主要探討了固態(tài)去耦合器對管道陰極保護(hù)斷電后0～5 s范圍內(nèi)斷電電位的影響。

圖1 陰極保護(hù)斷電電位測試曲線Fig.1 Test curve of cathodic protection switch-off potential

1.2 交流干擾排流系統(tǒng)原理

管道交流干擾排流系統(tǒng)主要包括固態(tài)去耦合器和接地極。如圖2所示,固態(tài)去耦合器由電容器、晶閘管(或二極管)和防雷擊模塊等并聯(lián)構(gòu)成,可以起到通交流阻直流的作用。其中,電容元件可以導(dǎo)通交流干擾電流。為了保證穩(wěn)態(tài)交流排流量達(dá)到最大值45 A,固態(tài)去耦合器內(nèi)部電容通常在0.27 F左右,這種大規(guī)格的電容在放電時會產(chǎn)生較大的沖擊電流。晶閘管或二極管可以阻止直流電流通過,但是當(dāng)兩端的電壓差達(dá)到閾值(可定制,常用±2 V 和+1 V/-3 V)時會導(dǎo)通電流。防雷擊模塊用于導(dǎo)通雷電、浪涌等大電流。

圖2 固態(tài)去耦合器內(nèi)部電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal circuit of solid-state decoupler

交流干擾排流接地極材料可選用銅、鋅或鋼,接地形式為沿管道并行鋪設(shè)銅線、鋅帶或鋼棒,距離管道1.5m 左右。接地極接地電阻一般應(yīng)小于3Ω。因此,接地材料長度或者接地棒數(shù)量通常由接地極所在位置的土壤電阻率決定[17]。由于固態(tài)去耦合器一端連接管道,另一端連接接地極,固態(tài)去耦合器電容放電時,接地極相當(dāng)于陰極保護(hù)系統(tǒng)中的輔助陽極,管道相當(dāng)于陰極,電容器相當(dāng)于直流電源,組成了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。

2 固態(tài)去耦合器影響斷電電位原理

固態(tài)去耦合器對管道斷電電位的影響主要是由于電容器的存在,因此,可以將固態(tài)去耦合器簡化成電容器來研究電容器放電對斷電電位測試結(jié)果的影響,圖3為交流排流設(shè)施與管道系統(tǒng)組成的固態(tài)去耦合器電容器放電的等效回路。

圖3 固態(tài)去耦合器電容放電等效回路Fig.3 Equivalent circuit of solid-state decoupler capacitor discharge

圖3的等效電路得到電容器放電時間常數(shù)τ 可用式(1)表示。

式中:Rp為管道接地電阻;Rg為接地極接地電阻;Rpl為管道極化電阻;C 為電容。

管道的接地電阻Rp用式(2)表示。

式中:rc為管道涂層面電阻率;As為管道表面積。

將式(1)和(2)合并,得到式(3)。

由式(3)可以看出,固態(tài)去耦合器電容器時間常數(shù)與電容、管道防腐蝕層面電阻率、管道表面積、接地極接地電阻和管道極化電阻有關(guān)。

電容器兩端電壓從U0變化至Ut所需的時間可通過式(4)計(jì)算。

式中:Ut為電容器放電后的電壓值;U0為電容器放電初始電壓;T 為電容器極板電壓從U0變化至Ut所需要的時間。

管道陰極保護(hù)通電狀態(tài)下,固態(tài)去耦合器電容器兩端電壓U0可用式(5)表示。

式中:Eon為管道通電電位;Es為接地極自然電位。

管道陰極保護(hù)瞬間斷電過程中,固態(tài)去耦合器放電后電容器兩端的電壓Ut可用式(6)表示。

式中:Eoff為管道瞬間斷電電位。

由式(5)和(6)得到固態(tài)去耦合器兩端電壓變化值,可用式(7)表示。

式中:△VSSD為斷電瞬間固態(tài)去耦合器兩端電壓的變化值。

由式(7)可得,斷電瞬間固態(tài)去耦合器兩端電壓的變化值△VSSD為管道的IR降。

固態(tài)去耦合器對管道斷電電位讀取時間的影響時間可進(jìn)行如下證明。假如固態(tài)去耦合器電容為0.27 F,管道通電電位為-1.3 V,瞬間斷電電位為-0.9 V,交流排流設(shè)施與管道之間的回路電阻為5Ω,則通過式(1)、式(4)和式(7)計(jì)算得到電容器放電時間為551 ms,此數(shù)值說明固態(tài)去耦合器對管道斷電電位測量結(jié)果的影響不能被忽略。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)在3LPE管道上進(jìn)行,試驗(yàn)現(xiàn)場搭建了臨時陰極保護(hù)系統(tǒng),用于調(diào)節(jié)管道的通電電位,試驗(yàn)過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括管道電位、接地極電位、固態(tài)去耦合器中的直流電流和固態(tài)去耦合器兩端直流電壓差等。數(shù)據(jù)采集使用具有交流濾波功能的直流數(shù)據(jù)記錄儀,采樣頻率為1 000 Hz?，F(xiàn)場試驗(yàn)條件參數(shù)如表1所示,測得的電位均相對于銅/硫酸銅參比電極(CSE)。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)條件參數(shù)Tab.1 Field test condition parameters

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場測試過程中,管道通電電位分別為-1.17,-1.29,-1.68 V,測試了管道連接和不連接固態(tài)去耦合器狀態(tài)下的管道斷電電位曲線。

當(dāng)通電電位為-1.17 V 時,管道連接和不連接固態(tài)去耦合器狀態(tài)下的斷電電位曲線如圖4所示。由圖4可見:連接固態(tài)去耦合器的管道瞬間斷電電位比不連接固態(tài)去耦合器的管道瞬間斷電電位偏負(fù),主要是因?yàn)閿嚯娝查g,固態(tài)去耦合器電容放電,提供了額外的陰極保護(hù)電流;兩條曲線在600 ms后相交,說明固態(tài)去耦合器對管道瞬間斷電電位測試結(jié)果的影響時間持續(xù)了600 ms;當(dāng)兩條曲線相交后,連接固態(tài)去耦合器的管道去極化曲線下降速率加快,即去極化速率加快,主要是因?yàn)楣虘B(tài)去耦合器電容器的放電速率大于管道的去極化速率,因此,當(dāng)管道連接固態(tài)去耦合器后,電容器放電會加速管道的去極化過程。

圖4 管道連接和不連接固態(tài)去耦合器的瞬間斷電電位曲線(通電電位為-1.17 V)Fig.4 Momentary switch-off potential curves with and without solid-state decoupler connected to the pipeline(switch-on potential-1.17 V)

當(dāng)通電電位為-1.29 V 時,管道連接和不連接固態(tài)去耦合器狀態(tài)下的斷電電位曲線如圖5所示。由圖5可見:連接和不連接固態(tài)去耦合器的管道瞬間斷電電位分別為-1.20 V 和-1.05 V;經(jīng)過1 800 ms后兩條斷電電位曲線相交,固態(tài)去耦合器造成管道瞬間斷電電位測量值負(fù)向偏移量達(dá)到150 mV。

圖5 管道連接和不連接固態(tài)去耦合器的瞬間斷電電位曲線(通電電位為-1.29 V)Fig.5 Momentary switch-off potential curves with and without solid-state decoupler connected to the pipeline(switch-on potential-1.29 V)

當(dāng)通電電位為-1.68 V 時,管道連接和不連接固態(tài)去耦合器狀態(tài)下的瞬間斷電電位曲線如圖6所示。由圖6可見:連接和不連接固態(tài)去耦合器的管道瞬間斷電電位分別為-1.51 V 和-1.22 V,固態(tài)去耦合器造成管道斷電電位測量值負(fù)向偏移量達(dá)到290 mV,并且斷電電位(-1.51 V)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了-1.2 V,這也打破了GB/T 21448-2017標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于管道斷電電位測量值基本不會超過-1.2 V 的認(rèn)識;兩條斷電電位曲線在4 200 ms后相交,此時,不連接固態(tài)去耦合器的斷電電位曲線的去極化已經(jīng)很明顯,交叉點(diǎn)的斷電電位數(shù)值不能代表管道真實(shí)的極化電位,說明通過延長斷電電位讀取時間不能解決固態(tài)去耦合器的干擾問題。

圖6 管道連接和不連接固態(tài)去耦合器的瞬間斷電電位曲線(通電電位為-1.68 V)Fig.6 Momentary switch-off potential curves with and without solid-state decoupler connected to the pipeline(switch-on potential-1.68 V)

綜上所述可知:通電電位越負(fù),固態(tài)去耦合器造成的管道瞬間斷電電位負(fù)向偏移量越大,斷電電位曲線受影響時間越長,因此,在測試過程中不能通過延長斷電電位的讀取時間來獲取準(zhǔn)確的管道極化電位;在有固態(tài)去耦合器影響的情況下,管道瞬間斷電電位的測量值比-1.2 V更負(fù),這打破了管道斷電電位測量值基本不會超過-1.2 V的認(rèn)識。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖7所示:圖中左側(cè)部分表示固態(tài)去耦合器與管道構(gòu)成的交流排流系統(tǒng),右側(cè)部分表示管道的陰極保護(hù)系統(tǒng);當(dāng)管道處于陰極保護(hù)通電狀態(tài)時,固態(tài)去耦合器電容器充電,電容器連接管道的極板電壓為-1.28 V,電容器連接接地極的電壓等于接地極的自然電位(-0.63 V);管道斷電瞬間,管道通電電位迅速變成了極化電位,電容器兩端電壓差變小,電容器放電,此時電容器相當(dāng)于直流電源,接地極相當(dāng)于輔助陽極,電容器釋放的電流通過接地極到達(dá)管道,造成管道瞬間斷電電位測量值偏負(fù)。

圖7 現(xiàn)場測試各參數(shù)示意Fig.7 Schematic diagram of each parameter in the field test

固態(tài)去耦合器里的電容器通過管道和接地極放電,持續(xù)時間為幾百毫秒到幾秒,主要取決于管道通電電位、固態(tài)去耦合器電容、管道和接地極接地電阻、陽極材料等因素。在測量管道瞬間斷電電位時,固態(tài)去耦合器充當(dāng)了直流電源,提供了一個逐漸變小的直流電流,此干擾電流會引起管道斷電電位測試結(jié)果不準(zhǔn)確。因此,在管道斷電1 s內(nèi)讀取的管道斷電電位可能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)際上,固態(tài)去耦合器電容器放電會導(dǎo)致測試的斷電電位負(fù)移,管道并沒有得到足夠的陰極保護(hù)。

4 消除固態(tài)去耦合器干擾影響的措施

使用鋅作為接地極材料,可以降低固態(tài)去耦合器電容兩端的電壓差。鋅的自然電位為-1.1 V,管道的通電電位一般在-1.2 V 左右。因此,固態(tài)去耦合器電容兩端的電壓差只有0.1 V,由于電壓差很小,在管道瞬間斷電時,產(chǎn)生的干擾電流很小,從而降低了固態(tài)去耦合器對管道瞬間斷電電位的干擾。

使用陰極保護(hù)檢查片。固態(tài)去耦合器對管道斷電電位的影響本質(zhì)上是一種直流雜散電流干擾,因此,可以使用檢查片測試管道的斷電電位,檢查片的制作與使用方法可參考NACE RP0104-2004《陰極保護(hù)監(jiān)測用試樣的使用》標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1) 固態(tài)去耦合器會導(dǎo)致安裝位置附近管道的瞬間斷電電位負(fù)移,測得的管道瞬間斷電電位存在較大誤差,使測試結(jié)果過于樂觀。

(2) 不能通過延長斷電電位的讀取時間獲得準(zhǔn)確的極化電位,固態(tài)去耦合器電容器放電時間與管道的通電電位、固態(tài)去耦合器電容、管道和接地極接地電阻、陽極材料等因素均有關(guān),根據(jù)管道與交流排流裝置實(shí)際參數(shù)計(jì)算得到的固態(tài)去耦合器電容放電時間一般為0.5～5 s。

(3) 消除固態(tài)去耦合器干擾影響最有效的方式是斷開固態(tài)去耦合器與管道的連接,其他措施包括使用鋅接地極、避免使用較負(fù)的通電電位和降低接地極接地電阻和使用檢查片。