李佳軒 劉 濤 楊晨璐 汪怡心 李 虎 宋華榮

（塔里木油田分公司油氣運(yùn)銷事業(yè)部，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

電絕緣是陰極保護(hù)系統(tǒng)得以正常運(yùn)行的前提條件，因此對于采用陰極保護(hù)的長輸管道，當(dāng)沿線站場、閥室進(jìn)出端絕緣接頭失效時，一旦站場、閥室內(nèi)設(shè)備的防雷防靜電接地與管道連通，將導(dǎo)致陰極保護(hù)電位發(fā)生異常波動，而長期處于欠保護(hù)狀態(tài)的管道腐蝕速率會大幅增加。對于無法停輸進(jìn)行絕緣接頭更換的管道，李立冬[1]通過在電氣、機(jī)械設(shè)備和接地網(wǎng)間加裝防爆型火花間隙，同時實(shí)現(xiàn)防雷接地和陰極保護(hù)需求；劉文會[2]使用電流環(huán)和鉗型電流表測量管道及設(shè)備部位的電流大小及方向，通過開挖確定搭接點(diǎn)位置，進(jìn)行絕緣處理；袁柱[3]通過在閥室接地設(shè)施中串入固態(tài)耦合器，導(dǎo)出感應(yīng)高電壓、阻擋陰極保護(hù)電流泄漏。

1 問題分析

南疆利民管網(wǎng)阿克蘇片區(qū)管線全長約為585公里，其間設(shè)立有10座場站和19座閥室。管道被劃分為英喀干線、大北支線、大橋鄉(xiāng)支線、烏什支線、阿瓦提支線、一團(tuán)支線、二團(tuán)三團(tuán)支線和柯坪支線。管網(wǎng)采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)投用于2013年，包含恒電位儀、測試樁、輔助陽極和參比電極，系統(tǒng)設(shè)置情況如圖1所示。

圖1 南疆利民管網(wǎng)阿克蘇片區(qū)陰保系統(tǒng)圖

GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：一般土壤和水環(huán)境下，最小保護(hù)電位Ep為-0.85V，管道限制臨界電位E1不應(yīng)比-1.20V更負(fù)[4]。所以南疆利民管網(wǎng)極化電位應(yīng)滿足-1.20V≤EIRfree≤-0.85V的要求。

在利用陰極保護(hù)數(shù)據(jù)對南疆利民阿克蘇片區(qū)2022年輸氣管道陰極保護(hù)效果進(jìn)行分析評估的過程中，根據(jù)極化電位-850mV準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管道極化電位處于-1.20V≤EIRfree≤-0.85V范圍的比率為86.7%，不滿足GB/T 21447-2018 《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》中“管道線路陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)率應(yīng)達(dá)到100%”[5]的要求，保護(hù)率求取見式（1）。

表1為2022年南疆利民管網(wǎng)極化電位統(tǒng)計表，數(shù)據(jù)顯示現(xiàn)存欠保護(hù)點(diǎn)分布在烏什支線和阿瓦提支線。以下通過對雜散電流干擾和陰極保護(hù)電流流失兩項(xiàng)可能導(dǎo)致電位異常的因素，排查造成保護(hù)電流不足的原因。

1.1 雜散電流干擾

SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：“當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位偏移20mV時，確認(rèn)為直流干擾。[6]”；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)》中規(guī)定：“當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流干擾防護(hù)措施[7]”。依照于此，使用直流電位梯度法（DCVG）和交流電位梯度法（ACVG），對烏什支線和阿瓦提支線站場閥室開展測試，管線直流及交流電位監(jiān)測趨勢如圖2、圖3所示。

圖2 管線直流電位監(jiān)測趨勢圖

圖3 管線交流電位監(jiān)測趨勢圖

經(jīng)現(xiàn)場對管線測試樁數(shù)據(jù)進(jìn)行交直流干擾測試，所得管線直流電位梯度較自然電位偏移量均＜20mV，管線交流電位梯度測試結(jié)果均＜4V，符合標(biāo)準(zhǔn)，故雜散電流干擾不是導(dǎo)致保護(hù)電流不足的原因。

1.2 陰極保護(hù)電流流失

1.2.1 施加電流測試

選取管道保護(hù)電位正常的大北支線3#閥室和管道保護(hù)電位異常的烏什支線E1#閥室作為測試對象，選取32#測試樁、74#測試樁作為信號加入點(diǎn)，輸出300mA電流信號，檢測電流通過兩閥室的走勢波動情況如表2、表3及圖4、圖5所示。

表2 3#閥室前后電流統(tǒng)計表

表3 E1#閥室前后電流統(tǒng)計表

圖4 3#閥室前后電流趨勢圖

圖5 E1#閥室前后電流趨勢圖

如圖4、圖5對比可得：3#閥室前后陰極保護(hù)電流在不同電流施加下呈平穩(wěn)趨勢，E1#閥室前后陰極保護(hù)電流出現(xiàn)瞬時衰減情況，存在陰極保護(hù)電流流失，因此確認(rèn)其為造成管道保護(hù)電位異常的主要原因。

1.2.2 電流流失點(diǎn)確認(rèn)

確認(rèn)部分站場、閥室存在陰極保護(hù)電流流失情況后，考慮到南疆利民沿線站場、閥室內(nèi)設(shè)備均有防雷防靜電接地，故對阿克蘇片區(qū)管網(wǎng)的防雷防靜電接地進(jìn)行專項(xiàng)檢查確認(rèn)，接地拆除前后電位參數(shù)如表4所示。

表4 接地拆除前后電位參數(shù)比對表

經(jīng)測試防雷防靜電接地拆除前后的電位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中部分測試點(diǎn)兩組數(shù)據(jù)間存在差值，證明其發(fā)生了不同程度的電流流失，且電流流失點(diǎn)均位于站場/閥室進(jìn)出口氣液聯(lián)動閥處。最終確認(rèn)站場/閥室進(jìn)出口氣液聯(lián)動閥防靜電接地是造成管線達(dá)不到最小保護(hù)電位的直接原因。

2 問題解決

隔直排流[8]保護(hù)方式通常用于受交流干擾影響的埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)中，因其“阻直通交”的特殊性能，在此將其拓展用來解決電氣設(shè)備接地與陰極保護(hù)產(chǎn)生的矛盾。隔直排流裝置包括極化電池、鉗位式排流器、固態(tài)去耦合器等[9]，起到導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)交流干擾電流，防止陰極保護(hù)電流沿電氣接地流失的效果，還具備抗雷擊及故障電流沖擊的功能。

2.1 鉗位式排流器

鉗位式排流器由兩部分組成：正臂和負(fù)臂。如圖，正臂上串聯(lián)一只二極管，負(fù)臂上串聯(lián)兩只方向相反與正臂相反的二極管。正、負(fù)臂兩端壓降分別為0.7V和-1.4V[10]，電壓界于-1.4～0.7V的電流無法通過回路，利民管網(wǎng)正常管道陰極保護(hù)運(yùn)行電位為-1.2～-0.85V，因此能防止陰極保護(hù)電流流失，同時當(dāng)管道受到交流干擾電流影響時還能為管道提供額外的陰極保護(hù)電流。圖6、圖7為鉗位式排流器原理及安裝示意圖。

圖6 鉗位式排流器原理圖

圖7 鉗位式排流器安裝示意圖

2.2 固態(tài)去耦合器

固態(tài)去耦合器由電解電容、晶閘管、電感器和浪涌保護(hù)器組成[11]，其中晶閘管作為關(guān)鍵元件，決定直流電流通過的閾值，當(dāng)管道或設(shè)備和接地網(wǎng)兩端之間的電壓差達(dá)到該閾值時，固態(tài)去耦合器轉(zhuǎn)為直流短路狀態(tài)，及時排出故障電流避免設(shè)備受損。當(dāng)電壓差低于閾值時，固態(tài)去耦合器直流電流阻抗增大，起到防止陰極保護(hù)電流流失的作用。圖8、圖9為固態(tài)去耦合器原理及安裝示意圖。

圖8 固態(tài)去耦合器原理圖

圖9 固態(tài)去耦合器安裝示意圖

2.3 使用效果評價

為保證陰極保護(hù)效果，在已驗(yàn)證存在陰極保護(hù)電流流失的E1閥室和C1閥室處，分別安裝應(yīng)用較為廣泛的鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器進(jìn)行對比測試，測試數(shù)據(jù)如表5、表6所示，兩者斷電電位及通電電位測試數(shù)據(jù)對比如圖10所示。

表5 鉗位式排流器運(yùn)行效果數(shù)據(jù)表

表6 固態(tài)去耦合器運(yùn)行效果數(shù)據(jù)表

圖10 斷電電位及通電電位測試數(shù)據(jù)對比圖

由表5、表6和圖10分析可得，鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器運(yùn)行后，管地電位均由不保護(hù)狀態(tài)提升至正常保護(hù)范圍內(nèi)，能夠發(fā)揮防止陰極保護(hù)電流流失的作用。在鉗位式排流器運(yùn)行時，管道的通電電位與同支線測試樁采集數(shù)據(jù)平均值最大差值達(dá)169mV，斷電電位最大差值達(dá)166mV。表明加裝鉗位式排流器后對通電、斷電電位測試數(shù)據(jù)均有明顯影響，而固態(tài)去耦合器運(yùn)行時所測量的通電電位和斷電電位無明顯誤差。

管道及接地極直流電位和直流泄漏電流是評價直流隔離效果最直觀的測量參數(shù)[12]。在正常工作狀態(tài)時，管道和接地極的直流電位變化越小，直流泄漏電流越小，隔離性能越好，試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 直流隔離性能參數(shù)對比表

如表7和圖11所示，在額定電壓下，鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器的最大直流電流漏流量分別為32.6mA、0.076mA，因此在正常運(yùn)行狀態(tài)下，固態(tài)去耦合器對陰極保護(hù)電流的防泄漏性更好。

圖11 直流漏流量對比圖

由于南疆利民陰極保護(hù)效果評估主要通過通電電位及斷電電位測試進(jìn)行，在固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器都能實(shí)現(xiàn)防止陰極保護(hù)電流流失的條件下，固態(tài)去耦合器對通斷電位測試的影響更小且保護(hù)效果更好。因此，選用固態(tài)去耦合器更符合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié)語

（1）輸氣管道站場、閥室中的設(shè)備電氣接地和絕緣失效均可能導(dǎo)致陰極保護(hù)電位異?，F(xiàn)象的發(fā)生，常見流失點(diǎn)包括：與管道連接形式為焊接的氣液聯(lián)動閥、壓力變送器等現(xiàn)場儀表以及調(diào)壓撬等設(shè)備的接地，絕緣法蘭或絕緣接頭失效的放空管線，絕緣墊片缺失的儀表金屬撓性管?？赏ㄟ^依次斷開上述流失點(diǎn)連接的方式，觀察管道極化電位變化，排查確定陰極保護(hù)電流流失點(diǎn)；

（2）經(jīng)過實(shí)際測試，在設(shè)備接地線和接地網(wǎng)中間增設(shè)鉗位式排流器和固態(tài)去耦合器，均能在既保證站場、閥室內(nèi)設(shè)備電氣接地達(dá)到要求的同時，還可確保陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

（3）接地極為鋅或鍍鋅扁鋼時，排流裝置兩端電壓差較小，斷電電位測試時固態(tài)去耦合器內(nèi)的電容放電量低，對斷電電位測試結(jié)果影響較小。此外，鉗位式排流器中的二極管由于存在伏安特性，直流漏流量相對較大。因此，相較于鉗位式排流器，固態(tài)去耦合器的直流隔離性能更好，更適合用于解決陰極保護(hù)電流流失的情況，也與主要通過測試樁直接測量斷電電位的陰極保護(hù)系統(tǒng)契合度更高。