埋地输气管道阴极保护系统故障分析及防治措施

赵森，李慧瑶，贠智强，毕海胜，张庆雷，苗嘉旭，李保平

(1. 山东实华天然气有限公司，山东 青岛 266000；2.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；3. 浙江浙能天然气运行有限公司，浙江 杭州 310000)

埋地输气管道在土壤腐蚀和交、直流杂散电流干扰双重作用下，发生腐蚀泄漏甚至穿孔的风险日益增加。外防腐层结合强制电流阴极保护是埋地输气管道最重要的防腐措施[1]，管道防腐层破损以及阴极保护系统故障直接影响到阴极保护的效果[2]。因此，对管道阴极保护系统排查故障并及时有效修复，有利于降低管道运行风险，保障管道平稳运行。以实华输气管网两段总长约17 km管道检测数据为基础，分别从阴极保护设备、阴极保护有效性、杂散电流干扰测试、阳极接地电阻测试等方面进行分析，排查故障并采取相应的有效措施，降低管道运行风险，保障输气管网的运行安全。

1 测试管道概况

两段现场测试的埋地输气管道具体参数见表1所列。

表1 测试管道参数

2 阴极保护系统设备检测分析

2.1 强制电流阴极保护系统

管道阴极保护恒电位仪和站场恒电位仪检测数据及结果见表2所列。

表2 恒电位仪检测数据

断开管道恒电位仪现场辅助阳极并接至备用机，启用恒电位仪故障判断程序[3]检测恒电位仪，在手动调节步骤中未能输出电压、电流时，说明存在故障。

20 V/5 A型恒电位仪输出电流正常范围为0.1～0.2 A，输出电压为1.9～2.1 V，根据检测数据，发现管道恒电位仪的电流和电压输出存在显著偏大的异常情况。

此外，由于输气管道与其他金属管道存在搭接风险、阀门井积水等问题造成的短路现象，交、直流杂散电流干扰及饱和硫酸铜参比电极(CSE)存在失效造成的CSE示数不准确，都会导致恒电位仪输出变大[4]。

2.2 电绝缘装置

检测阴极保护管道绝缘接头及绝缘保护装置复合火花间隙9处，检测结果见表3所列。

表3 绝缘接头绝缘性能检测及分析 mV

将站场阴极保护设备关闭，采用电位法[5]测试管道绝缘接头性能，检测发现门站进气管线火花间隙击穿。表明门站进气管线处绝缘接头保护器火花间隙在正常情况下仍处于导通状态，致使管道阴极保护电流向工艺站场内管道及其他非阴极保护的管道或金属结构流失，急需将该处绝缘接头保护器火花间隙进行更换，绝缘装置设置位置需尽可能地避免形成电凝析液或者游离水积聚[6-8]。

3 阴极保护有效性检测分析

3.1 线路阴极保护有效性

检测进站管线的4个测试桩、输气管网的8个测试桩以及分输站1处测试箱的阴极保护参数，结果见表4～6所列。

表4 输气管线通电电位检测及评定 mV

表5 输气管线断电电位检测及评定 mV

表6 输气管线自然电位、交流电压检测及评定 mV

根据GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[9]，管道保护电位正常范围在-850～-1 200 mV，自然电位参考值为-650～-400 mV[10-11]，检测结果显示表4中门站附近、博兴输气站附近、博兴输气站测试箱三处电位数据异常。

门站附近管道自然电位本身异常，通电电位和断电电位均与自然电位相同，表明通电后管道并没有受到外加强制电流的作用，经排查发现9号测试桩附近的测试电缆断裂，无法正确监测与测试管道阴极保护参数。管道12号测试桩处通电电位负值偏大，管道处于过保护状态。管道阴极保护长期过负电位将进一步导致防腐层出现阴极剥离、鼓泡，甚至管体氢脆现象发生[12-14]。而输气站测试箱处通电电位正值偏大，管道处于欠保护状态，局部输气管道没有得到有效保护。

对恒电位仪输出电流和电压进行为期4个月的数据采集，输出电流、电压变化情况如图1所示，由图1可以看出，恒电位仪电流、电压输出异常，呈无规律性变化[15]，呈现出杂散电流干扰特征。进一步通过现场进站管道和输气管网两部分保护管道检测发现，当断开输气管网的保护时，输出电流基本不变，证明输出电流主要施加在了进站管线上，博兴输气站附近存在较明显的杂散电流干扰。

图1 恒电位仪电流、电压输出变化曲线示意

3.2 工艺站场区阴极保护有效性

工艺站场区通电电位检测数据见表7所列。

表7 工艺区通电电位检测记录 mV

根据检测结果分析，工艺区内阴极保护符合设计要求，满足文献[9]的要求。

4 阳极地床接地电阻检测分析

使用ZC29B-1型接地电阻测试仪对阳极地床接地电阻进行检测，测量数据为1.75 Ω，满足阴极保护系统工作要求[16]，工作状态良好。

5 结论与措施

1)恒电位仪的故障分为本机故障和现场故障两类，本机故障主要是指其内部电路及电子元件损坏造成的故障，由于恒电位仪加自控装置设备较复杂，易受外界干扰，因此故障发生频率较高，须定期对运行机与备用机进行切换运行和维护保养，两项工作均以每月1次为宜。此外，阴极保护中强制电流装置也可替换为整流器，与恒电位仪相比，整流器具有价格低、易维护、易控制等优点。

2)绝缘接头性能变差，会导致阴极保护电流流失、有效保护范围变小、站场附近管道极化电位偏低等问题，因此需对其进行定期检测，通常采用为电位法、PCM漏电率测量法[17-18]等，当绝缘接头性能失效时，应及时更换。

3)该公司所处地区工业发达，高压/超高压输电线路接地装置设置较密集，易出现杂散电流干扰。杂散电流干扰的特点是当干扰源出现时，大量电流流出，恒电位仪输出电流变大，电流流出点电位偏正，管道处于欠保护状态；当干扰源消失时，系统又恢复正常。

4)阴极保护电位是检测阴极保护有效性的重要手段，主要采用阴极保护电位-850～-1 200 mV准则和100 mV极化准则进行判断[19-20]。此外，对于运行多年的旧管线和3PE防腐层管线，在保护电位达标的情况下，由于防腐层发生剥离以及3PE补口部位老化失黏，保护电流因防腐层的屏蔽作用而无法到达管体，在保护电位范围内管道仍可能发生腐蚀。

5)阳极地床接地电阻通常在1～3 Ω左右，若阳极地床接地电阻过大不仅会导致电流内耗过大，能耗增加，而且还会使得阴极保护恒电位仪无法正常工作。实践发现，某些阴极保护站的阳极接地电阻大于10 Ω时，恒电位仪不能正常工作。

6 结束语

强制电流阴极保护是埋地油气管道重要的防腐措施，定期检测管道阴极保护系统，并及时采取措施修复系统存在的故障；同时，管道阴极保护系统故障全方位感知和故障判别准则也为智能化阴极保护及智能决策奠定了必要的基础，这对于提高阴极保护的效果，保障埋地输气管道安全运行具有重要的现实意义。