阴保站附近管道电位异常原因分析及对策

徐承伟,滕延平,蔡永军,蔡培培,蒋国辉,杨士梅,许 卓

(1.中国石油管道科技研究中心,河北廊坊 065000;2.中国石油管道公司加格达奇输油气分公司,黑龙江加格达奇 165000;3.中国石油管道公司秦皇岛输油气分公司,河北秦皇岛 066000;4.中国石油管道公司大连输油气分公司,辽宁大连 116300)

阴保站附近管道电位异常原因分析及对策

徐承伟1,滕延平1,蔡永军2,蔡培培1,蒋国辉2,杨士梅2,许 卓4

(1.中国石油管道科技研究中心,河北廊坊 065000;2.中国石油管道公司加格达奇输油气分公司,黑龙江加格达奇 165000;3.中国石油管道公司秦皇岛输油气分公司,河北秦皇岛 066000;4.中国石油管道公司大连输油气分公司,辽宁大连 116300)

管地电位为衡量管道是否得到足够阴极保护的重要评价指标,但在日常管理工作中,阴保站附近经常会出现管地电位过负的问题,这为管道的安全运行带来一定隐患。以秦皇岛首站附近管道为研究对象,采用对两条管道单独提供阴极保护的方法,研究阴保站附近管地电位过负的真正原因并提出相应的解决措施。此外,也对电位过负管段进行断电电位测量。结果表明:管道处于正常保护状态,日常测量中管地电位过负是受到阳极地床干扰所致。对于电位过负管段,所测试的管地电位只是一个表象,并不能代表真实的阴极保护电位,不能根据此数据判断防腐蚀层可能发生阴极剥离的可能性。

阳极地床 阴极保护 电压升

1 秦皇岛输油站管道分布

秦皇岛输油站作为铁岭 -秦皇岛 -北京原油输送管道的重要中枢站,共管辖三条原油管道:铁秦线、秦京线及装船线。秦皇岛输油站管道分布见图 1。三条管道分别承担接收上游东北来油,向中国石油化工股份有限公司燕山石化分公司输送原油及分输至秦皇岛油港的任务。其中,铁秦线和秦京线采用同一恒电位仪进行保护,且仅在恒电位仪阴极输出端跨接。装船线与上述两条管道均没有跨接点,其恒电位仪器安装 8号桩附近的油港码头。

在日常的阴极保护管理中,恒电位仪工作基本正常,其型号及输出电压见表 1。但所测得阴保站附近的管地电位远负于通电点电位。表 2为秦皇岛输油站附近管地电位及通电点电位。其中,秦京线首端 1号桩,铁秦线末端 454号桩及装船线 1号桩的管地电位分别为 -1.90 V、-1.82 V和 -1.80 V(相对于 CSE,下同),均远负于通电点的电位 -1.45 V。随着与阴保站距离的增加,相邻的秦京线2号桩,铁秦线 353号桩及装船线 2号桩的管地电位分别 -1.38 V,-1.40 V和 -1.37 V,管地电位基本回归正常。

表 2 秦皇岛输油站附近管地电位及通电点电位Table 2 Soil potential and electricity potential in the nearby ofQinhuangdao oil transportationstation V

2 电位异常原因初步分析

导致管地电位异常的原因较多,如动态直流杂散电流干扰,自然电位偏负,强制电流阴极保护系统所用长效参比失效,地电场发生等。为了弄清阴保站附近电位异常的原因,有必要对其进行一一排查。

2.1 杂散电流干扰

首先使用存储式杂散电流测试仪,分别在秦京线 1号桩,铁秦线 454号桩,装船线 1号桩,进行了长时间的电位测试,测试结果表明管地的直流电位波动较小。同时对现场周边环境进行调研,发现上述管道附近均不存在地下采矿、电气化铁路或高压线等干扰设施,基本排除了动态杂散电流干扰的影响。

2.2 长效参比电极干扰

测量恒电位仪使用的长效参比电极与已校准的参比电极之间的误差,发现误差仅为 11 mV,从而也排除了恒电位仪参比电极失效引起误差的可能。

2.3 自然电位干扰

将为三条管线提供阴极保护电流的两台恒电位仪关闭 24 h,待管道完全去极化后,对上述测试桩的自然电位进行测量,发现秦京线 1号桩、铁秦线 454号桩及装船线 1号桩的自然电位分别为 -0.61 V、-0.53 V和 -0.62 V,均处于正常范围之内。

由此可推测,极有可能是秦皇岛站周围辅助阳极地床对管道电位形成了干扰。

3 实验设计验证

为了进一步判断阳极地床的存在是否对阴保站周围的管地电位造成影响,特设计以下实验:

(1)单独对秦京线施加阴极保护,测量铁秦线454号桩的管地电位 (U1)随输出电流变化;

(2)单独对铁秦线施加阴极保护,测量秦京线1号桩的管地电位(U2)随输出电流变化;

(3)对铁秦线与秦京线联合保护,测量装船线1号桩的管地电位(U3)随输出电流的变化情况。

表 3为恒电位仪器不同输出电流情况下,测得的各测试桩管地电位。

表 3 不同输出电流情况下的管地电位Table 3 Soil potential in different output current situation

由表 3可以得出,当恒电位仪仅对秦京线单独进行保护时,铁秦线 454号桩电位也发生了负向偏移。秦京线阴极保护输出电流越大,454号桩的电位负向偏移越大。当秦京线的输出电流在 5 A时,铁秦线 454号桩电位达 -1.05 V,而相邻的 453号桩电位仅为 -0.62 V,管地电位较自然电位并未发生明显负向偏移。单独对铁秦线施加阴极保护,秦京线 1号桩的管地电位变化规律亦如此,这说明秦京线与铁秦线并不存在跨接点,且干扰范围影响有限。同样对秦京线与铁秦线联合保护时,调整阴极保护输出电流,装船线的电位亦有明显的变化。当关闭首站恒电位仪后,装船线 1号桩电位为 -1.40 V,处于正常范围之内。当首站恒电位仪恢复日常工作状态而时,装船线 1号桩电位竟为 -1.8 V。

4 干扰原因分析

外加电流法阴极保护系统的保护电流是经由阳极地床进入土壤,从土壤流经管道,通过使管道阴极极化而受到保护[1]。因此在阳极地床附近的电位梯度 (即单位距离内的电压力降)最大,且电位梯度随着与阳极床距离的增加而降低。当距阳极床较远处,此时地电位 (参比电位)可认为等于零。此时,所测得管地电位为管道真实的通电电位。

当管道距离阳极床较近时,由于阳极床的散流作用,管道所处的位置大地电势并不为零,而是一个正值。而测量的管地电位是管道与铜 /硫酸铜参比电极之间的差值,由于铜 /硫酸铜参比电极所处的大地电位为正值,则测量的管地电位必向负向偏移。而秦皇岛首站的铁秦线 454号桩、秦京线 1号桩距离阳极地床距离的距离均较通电点的位置较近,这也导致测得的管 /地电位数值负于通电点的给定电位。

根据 NACE推荐的计算公式,距离阳极床 xm处,相对于远地点的大地电位升高大小可以由下面的公式进行计算:式中:Ux,re——距离阳极地床 x米处,相对于远地点 (电位梯度为零)的大地的电位升高值;

I——阴极保护输出电流;

ρs——土壤电阻率;

L——阳极地床长度。

经过现场测量和调研,得知对于秦皇岛首站附近管道ρs为 30Ω·m,L为 50 m,在 I为 7.3 A下,当距离阳极地床 100 m时,此时产生 Ux,re为0.419 V。

对于装船线 1号桩,当关闭秦皇岛首站恒电位仪后,可以测得其真实管地电位 (UON)约为 -1.40V左右,由于受到了秦皇岛首站阳极地床散流的干扰,导致其测量电位为 U′ON=UON-Uxre=-1.40-0.419=-1.819 V,与实际测量值计算数值吻合较好。

5 阴极保护有效性评价

由 G B/T 21447—2008埋地钢质管道阴极保护规范可知,钢质埋地管道的断电电位是判断管道是否受到有效阴极保护的重要指标。在日常管道维护过程中,恒电位仪输出和使用万用表测量的管地电位却是通电电位。而通电电位是管道断电电位和阴极保护电流流经土壤及涂层时所产生的 I R降之和。因此,日常管理中通过控制及测量通电电位来判断埋地管道是否受到有效的保护存在一定误差[3]。

为了消除 I R降及地电场对电位测量带来的影响,该实验将采用 GPS同步中断法对秦京线 1号桩、铁秦线 454号桩及装船线 1号桩的通电及断电电位进行测量,并结合 GB/T 21447—2007中的阴极保护准则来判断上述电位过负管段是否真正处于过保护状态。具体步骤为:(1)在秦皇岛首站及装船线阴保间恒电位仪上各安装了 GPS同步中断器,通断周期设置为 1.8 s通、0.2 s断,延时 0.1 s;(2)将同步电流中断器串联在两台恒电位仪阳极输出端;(3)待电流中断器捕捉到 GPS卫星后,即可实现电流中断输出;(4)设置电位智能记录仪参数与电流中断器一致;(5)测量人员携带智能记录仪至上述测试桩处,待设备捕捉到 GPS卫星后,测量管道通断电位,具体数据见表 4。根据阴极保护准则 GB/T 21448—2008可知,上述电位异常点断电电位均介于 -850～-1200 mV,管道处于正常保护状态,日常管理过程中所测到的通电电位过负是由于受阳极地床干扰所致。

表 4 各测试桩通电和断电电位数据Table 4 Potentials data of each test pile when the circuit is on and off V

6 结论与建议

(1)目前管道的施工过程中,由于征地的困难,许多设计部门设计的阳极床的位置非常靠近管道,甚至靠近通电点,由于阳极地床的影响,这也直接导致恒电位仪不能有效的输出,使得远端的管道得不到有效的阴极保护。建议设计时,应尽量将阳极地床的位置应尽量远离通电点,或将阳极地床的埋设方式由浅埋式改为深井式。

[1] 吴荫顺,曹备 .阴极保护和阳极保护-原理、技术及工程应用[M].北京:中国石化出版社,2007.

[2] 薛致远,张丰,毕武喜,等 .东北管网阴极保护通电 /断电电位测量与分析[J].油气储运,2010,29(10):772-773.

Analysis and Solution for Abnorm ity of Potential of Pipeline Nearby Cathodic Protection Station

Xu Chengwei1,Teng Yanping1,Cai Yongjun2,Cai Peipei1,Jiang Guohui3,Yang sh imei2,Xu Zhuo4
(1.PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang,Hebei 065000;2.PetroChina Pipeline JiagedaqOil&Gas Transportation Sub-co mpany,Jiagedaq,Heilongjiang 165000;3.PetroChina PipelineQinhuangdaoOil&Gas Transportation Sub-company,Qinhuangdao,Hebei 066000;4.PetroChina Pipeline Dalian O il&Gas Transportation Sub-com pany,Dalian,L iaoning116300)

The potential of pipelines is an important parameter for evaluation ofwhether the pipelines have been effectively protected by cathodic protection nor not.In daily operation,the pipeline nearby cathodic protection station exhibits"over protection,"which will impose potential hazard for the safe operation ofpipeline.W ith a case study of pipelines nearby initialQinghuangdao station,the root causes of"over protection"of pipelines nearby cathodic protection station are studied through separate cathodic protection of two pipelines,and corresponding solutions are presented.In addition,the electric potential of"over protection"pipelines is measured by"off"electricity.The results show that the pipelines are properly protected,the"over protection"in daily measurement is the result from interference of anode beds.For"over protection"pipline,the potential measured is just a phenomenon and does not represent the real cathodic protection potential,and therefore,can not be used to decide whether the anti-corrosion insulation has been spalled or not.

anode bed,cathodic protection,voltage rise

TG174.41

A

1007-015X(2011)06-0046-04

2011-09- 02;修改稿收到日期:2011-12-01。

徐承伟,工程师,主要从事管道防腐方向的研究工作。E-mail:imr-xu@126.com

book=6,ebook=174

(编辑 董海青)

国内外动态