交流排流设施对埋地管道阴极保护断电电位测试结果的影响

吴 斌

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司,青岛 266499)

从管道受交流杂散电流干扰时,一般采用固态去耦合器+接地极的方式进行缓解[1-5],固态去耦合器一端连接管道,另一端连接接地极。随着电力线路和交流电气化铁路的快速发展,管道遭受交流干扰的问题日益严重[6-7]。目前,管道上安装的交流排流设施日益增多,有数据显示我国管道上平均每10 km 就有一处交流排流设施。固态去耦合器是交流排流设施的重要组成部分,其主要功能是隔直流通交流,即允许交流电流通过,而在一定范围内阻止直流电流通过,实现缓解交流干扰的同时,避免对管道阴极保护效果产生影响[8-12]。

管道阴极保护评价的重要内容是测试管道的瞬间断电电位[13-14]。目前,埋地油气管道主要采用防腐蚀层和阴极保护联合防护,防腐蚀层是腐蚀控制的第一道防线,可对管道表面99%的面积进行腐蚀防护,剩余大概1%面积的防腐蚀层会产生破损或针孔缺陷,则需依靠阴极保护进行防护。阴极保护的有效性取决于电位测试的准确性,电位测试的最大误差来自于欧姆(IR)降,因此,标准要求使用管道瞬间断电电位来评价管道的阴极保护效果[15-16]。

由管道断电电位现场测试结果发现,在固态去耦合器安装位置附近测得的管道瞬间断电电位存在较大误差,通过对比固态去耦合器连接和不连接管道时管道的断电电位曲线,发现固态去耦合器在管道阴极保护断电瞬间释放了较强的冲击电流,此冲击电流导致管道断电电位测量产生较大的误差。

本工作通过分析固态去耦合器结构、电容放电特性和放电回路等影响因素,研究了固态去耦合器对管道阴极保护断电电位测试结果的影响规律。

1 基本原理

1.1 阴极保护断电电位测试原理

阴极保护断电电位测试曲线用于分析管道真实的极化电位,根据GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》标准对瞬间断电电位的定义,断电瞬间测试得到的管道对电解质的电位,通常情况下是在阴极保护电源切断后和极化电位尚未衰减前读取的电位。当电位测量频率达到每秒1 000次时,管道断电电位测试曲线如图1所示。对于埋地长输管道断电电位曲线来说,断电后0～0.3 s范围内,由于管道的电流自感效应,会造成断电电位曲线短暂波动。因此,一般在断电后0.3～1 s范围内读取管道的瞬间断电电位。若断电后不恢复阴极保护状态,则管道会持续去极化直到自然电位。本工作主要探讨了固态去耦合器对管道阴极保护断电后0～5 s范围内断电电位的影响。

图1 阴极保护断电电位测试曲线Fig.1 Test curve of cathodic protection switch-off potential

1.2 交流干扰排流系统原理

管道交流干扰排流系统主要包括固态去耦合器和接地极。如图2所示,固态去耦合器由电容器、晶闸管(或二极管)和防雷击模块等并联构成,可以起到通交流阻直流的作用。其中,电容元件可以导通交流干扰电流。为了保证稳态交流排流量达到最大值45 A,固态去耦合器内部电容通常在0.27 F左右,这种大规格的电容在放电时会产生较大的冲击电流。晶闸管或二极管可以阻止直流电流通过,但是当两端的电压差达到阈值(可定制,常用±2 V 和+1 V/-3 V)时会导通电流。防雷击模块用于导通雷电、浪涌等大电流。

图2 固态去耦合器内部电路示意图Fig.2 Schematic diagram of internal circuit of solid-state decoupler

交流干扰排流接地极材料可选用铜、锌或钢,接地形式为沿管道并行铺设铜线、锌带或钢棒,距离管道1.5m 左右。接地极接地电阻一般应小于3Ω。因此,接地材料长度或者接地棒数量通常由接地极所在位置的土壤电阻率决定[17]。由于固态去耦合器一端连接管道,另一端连接接地极,固态去耦合器电容放电时,接地极相当于阴极保护系统中的辅助阳极,管道相当于阴极,电容器相当于直流电源,组成了强制电流阴极保护系统。

2 固态去耦合器影响断电电位原理

固态去耦合器对管道断电电位的影响主要是由于电容器的存在,因此,可以将固态去耦合器简化成电容器来研究电容器放电对断电电位测试结果的影响,图3为交流排流设施与管道系统组成的固态去耦合器电容器放电的等效回路。

图3 固态去耦合器电容放电等效回路Fig.3 Equivalent circuit of solid-state decoupler capacitor discharge

图3的等效电路得到电容器放电时间常数τ 可用式(1)表示。

式中:Rp为管道接地电阻;Rg为接地极接地电阻;Rpl为管道极化电阻;C 为电容。

管道的接地电阻Rp用式(2)表示。

式中:rc为管道涂层面电阻率;As为管道表面积。

将式(1)和(2)合并,得到式(3)。

由式(3)可以看出,固态去耦合器电容器时间常数与电容、管道防腐蚀层面电阻率、管道表面积、接地极接地电阻和管道极化电阻有关。

电容器两端电压从U0变化至Ut所需的时间可通过式(4)计算。

式中:Ut为电容器放电后的电压值;U0为电容器放电初始电压;T 为电容器极板电压从U0变化至Ut所需要的时间。

管道阴极保护通电状态下,固态去耦合器电容器两端电压U0可用式(5)表示。

式中:Eon为管道通电电位;Es为接地极自然电位。

管道阴极保护瞬间断电过程中,固态去耦合器放电后电容器两端的电压Ut可用式(6)表示。

式中:Eoff为管道瞬间断电电位。

由式(5)和(6)得到固态去耦合器两端电压变化值,可用式(7)表示。

式中:△VSSD为断电瞬间固态去耦合器两端电压的变化值。

由式(7)可得,断电瞬间固态去耦合器两端电压的变化值△VSSD为管道的IR降。

固态去耦合器对管道断电电位读取时间的影响时间可进行如下证明。假如固态去耦合器电容为0.27 F,管道通电电位为-1.3 V,瞬间断电电位为-0.9 V,交流排流设施与管道之间的回路电阻为5Ω,则通过式(1)、式(4)和式(7)计算得到电容器放电时间为551 ms,此数值说明固态去耦合器对管道断电电位测量结果的影响不能被忽略。

3 现场试验

现场试验在3LPE管道上进行,试验现场搭建了临时阴极保护系统,用于调节管道的通电电位,试验过程中的监测数据包括管道电位、接地极电位、固态去耦合器中的直流电流和固态去耦合器两端直流电压差等。数据采集使用具有交流滤波功能的直流数据记录仪,采样频率为1 000 Hz。现场试验条件参数如表1所示,测得的电位均相对于铜/硫酸铜参比电极(CSE)。

表1 现场试验条件参数Tab.1 Field test condition parameters

3.1 现场试验结果

现场测试过程中,管道通电电位分别为-1.17,-1.29,-1.68 V,测试了管道连接和不连接固态去耦合器状态下的管道断电电位曲线。

当通电电位为-1.17 V 时,管道连接和不连接固态去耦合器状态下的断电电位曲线如图4所示。由图4可见:连接固态去耦合器的管道瞬间断电电位比不连接固态去耦合器的管道瞬间断电电位偏负,主要是因为断电瞬间,固态去耦合器电容放电,提供了额外的阴极保护电流;两条曲线在600 ms后相交,说明固态去耦合器对管道瞬间断电电位测试结果的影响时间持续了600 ms;当两条曲线相交后,连接固态去耦合器的管道去极化曲线下降速率加快,即去极化速率加快,主要是因为固态去耦合器电容器的放电速率大于管道的去极化速率,因此,当管道连接固态去耦合器后,电容器放电会加速管道的去极化过程。

图4 管道连接和不连接固态去耦合器的瞬间断电电位曲线(通电电位为-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)

当通电电位为-1.29 V 时,管道连接和不连接固态去耦合器状态下的断电电位曲线如图5所示。由图5可见:连接和不连接固态去耦合器的管道瞬间断电电位分别为-1.20 V 和-1.05 V;经过1 800 ms后两条断电电位曲线相交,固态去耦合器造成管道瞬间断电电位测量值负向偏移量达到150 mV。

图5 管道连接和不连接固态去耦合器的瞬间断电电位曲线(通电电位为-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)

当通电电位为-1.68 V 时,管道连接和不连接固态去耦合器状态下的瞬间断电电位曲线如图6所示。由图6可见:连接和不连接固态去耦合器的管道瞬间断电电位分别为-1.51 V 和-1.22 V,固态去耦合器造成管道断电电位测量值负向偏移量达到290 mV,并且断电电位(-1.51 V)远远超过了-1.2 V,这也打破了GB/T 21448-2017标准中关于管道断电电位测量值基本不会超过-1.2 V 的认识;两条断电电位曲线在4 200 ms后相交,此时,不连接固态去耦合器的断电电位曲线的去极化已经很明显,交叉点的断电电位数值不能代表管道真实的极化电位,说明通过延长断电电位读取时间不能解决固态去耦合器的干扰问题。

图6 管道连接和不连接固态去耦合器的瞬间断电电位曲线(通电电位为-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)

综上所述可知:通电电位越负,固态去耦合器造成的管道瞬间断电电位负向偏移量越大,断电电位曲线受影响时间越长,因此,在测试过程中不能通过延长断电电位的读取时间来获取准确的管道极化电位;在有固态去耦合器影响的情况下,管道瞬间断电电位的测量值比-1.2 V更负,这打破了管道断电电位测量值基本不会超过-1.2 V的认识。

3.2 试验结果分析

如图7所示:图中左侧部分表示固态去耦合器与管道构成的交流排流系统,右侧部分表示管道的阴极保护系统;当管道处于阴极保护通电状态时,固态去耦合器电容器充电,电容器连接管道的极板电压为-1.28 V,电容器连接接地极的电压等于接地极的自然电位(-0.63 V);管道断电瞬间,管道通电电位迅速变成了极化电位,电容器两端电压差变小,电容器放电,此时电容器相当于直流电源,接地极相当于辅助阳极,电容器释放的电流通过接地极到达管道,造成管道瞬间断电电位测量值偏负。

图7 现场测试各参数示意Fig.7 Schematic diagram of each parameter in the field test

固态去耦合器里的电容器通过管道和接地极放电,持续时间为几百毫秒到几秒,主要取决于管道通电电位、固态去耦合器电容、管道和接地极接地电阻、阳极材料等因素。在测量管道瞬间断电电位时,固态去耦合器充当了直流电源,提供了一个逐渐变小的直流电流,此干扰电流会引起管道断电电位测试结果不准确。因此,在管道断电1 s内读取的管道断电电位可能满足标准要求。实际上,固态去耦合器电容器放电会导致测试的断电电位负移,管道并没有得到足够的阴极保护。

4 消除固态去耦合器干扰影响的措施

使用锌作为接地极材料,可以降低固态去耦合器电容两端的电压差。锌的自然电位为-1.1 V,管道的通电电位一般在-1.2 V 左右。因此,固态去耦合器电容两端的电压差只有0.1 V,由于电压差很小,在管道瞬间断电时,产生的干扰电流很小,从而降低了固态去耦合器对管道瞬间断电电位的干扰。

使用阴极保护检查片。固态去耦合器对管道断电电位的影响本质上是一种直流杂散电流干扰,因此,可以使用检查片测试管道的断电电位,检查片的制作与使用方法可参考NACE RP0104-2004《阴极保护监测用试样的使用》标准。

5 结论

(1) 固态去耦合器会导致安装位置附近管道的瞬间断电电位负移,测得的管道瞬间断电电位存在较大误差,使测试结果过于乐观。

(2) 不能通过延长断电电位的读取时间获得准确的极化电位,固态去耦合器电容器放电时间与管道的通电电位、固态去耦合器电容、管道和接地极接地电阻、阳极材料等因素均有关,根据管道与交流排流装置实际参数计算得到的固态去耦合器电容放电时间一般为0.5～5 s。

(3) 消除固态去耦合器干扰影响最有效的方式是断开固态去耦合器与管道的连接,其他措施包括使用锌接地极、避免使用较负的通电电位和降低接地极接地电阻和使用检查片。