长输管道站场区域阴极保护馈电试验结果分析

马贵利 刘海峰 王 浩 陈虹锦 彭 磊 汤雨霖魏群坤 袁 豹 何炆忆 陈彬源

1. 中国石油青海油田公司管道处, 青海 格尔木 816000;2. 中国石油西南油气田公司, 四川 成都 610051;3. 中国石油西南油气田公司蜀南气矿, 四川 泸州 646000;4. 四川华油集团有限责任公司, 四川 成都 610023;5. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

西南地区某长输管道站场在建设时采用镁合金牺牲阳极阴极保护系统对站内埋地管道和设备进行区域阴极保护。该区域阴极保护系统运行几年后站内所有埋地管道的保护电位均出现问题，达不到GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中阴极保护管地电位应位于-0.85～-1.2 V之间(相对于硫酸铜参比电极消除IR降后[1])的要求,影响站场完整性管理,同时也影响站内埋地管道设备的安全运行,依据GB/T 35508—2017《场站内区域性阴极保护》(以下简称GB/T 35508—2017)和GB/T 21447—2018《钢质管道外腐蚀控制规范》(以下简称GB/T 21447—2018)的规定,需对站场区域阴极保护系统进行整改,整改前需对站内埋地管道设备进行阴极保护馈电试验，根据试验结果确定整改方案和技术措施。

1 站场区域阴极保护系统

1.1 系统介绍

在站场建设时,采用镁合金牺牲阳极对站内埋地管道和设备进行区域阴极保护。站内设置镁合金牺牲阳极12组,每组埋设镁合金牺牲阳极3～4支,每支14 kg,共埋设牺牲阳极39支,每组牺牲阳极安装处设置防爆接线箱一个,牺牲阳极通过接线箱内接线端与站场埋地管道联通,对埋地管道进行阴极保护,整个牺牲阳极区域阴极保护系统于2009年投入使用。站内防爆接线箱见图1。

图1 站内防爆接线箱照片Fig.1 Explosion proof junction box in the station

站内埋地钢质管道采用3PE防腐层防腐,规格主要有D1 016、D323、D273、D168、D114、D108、D89等,材质主要为L485和L245。站内埋地管道面积约510 m2;站内接地系统为镀锌扁钢,镀锌扁钢面积约45 m2。

进出站场管道3根:1根进站管道DN1 000,设计压力10 MPa;1根出站管道DN1 000,设计压力10 MPa;1根出站管道DN300,设计压力4 MPa。3根管道上分别安装对应规格的绝缘接头各1个。

1.2 系统测试

依据GB/T 35508—2017和GB/T 21447—2018的要求,按照GB/T 21246—2020《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》(以下简称GB/T 21246—2020)中规定的测试方法对站场原有区域阴极保护系统牺牲阳极的开路电位、通电电位、接地电阻进行了测试[2-5],详细测试结果见表1。

表1 站场原有区域阴极保护系统参数测试表

在完成站场原有区域阴极保护系统牺牲阳极的相关参数测试后,按照GB/T 21246—2020中规定的测试方法对进出站场管道上的绝缘接头也进行了性能测试,测试数据见表2。

表2 线路管道绝缘接头性能测试表

绝缘接头性能测试完成后,为确定站内埋地管道的自然电位,将站内所有牺牲阳极与埋地管道设备断开,待埋地管道完全去极化后，在站内各测试点对埋地管道的自然腐蚀电位和土壤电阻率进行了测试,测试点位置见图2,测试结果见表3。由表3可知,站内埋地管道的自然腐蚀电位在-0.564～-0.666 V,且管道所处环境土壤电阻率较低,均小于40 Ω·m,依据电化学腐蚀理论,碳钢在此条件下受到的腐蚀程度较为严重[6-7]。

图2 站场测试点分布图Fig.2 Distribution diagram of station test points

表3 站场埋地管道自然电位测试表

1.3 站场原有阴极保护系统测试结果分析

根据表1可以看出,站内安装的镁合金牺牲阳极在运行几年后,由于接地电阻太高,站内镁合金牺牲阳极最小接地电阻为18.5 Ω,最大接地电阻为72.1 Ω,大部分牺牲阳极接地电阻都大于35 Ω,因此牺牲阳极即使开路电位仍然维持在-1.45 V左右,但由于受接地电阻太高的影响,其输出电流很小,不能满足站内埋地管道、设备达到最小阴极保护断电电位的需求,因此现场测试发现站内埋地管道、设备基本处于自然电位状态,没有得到有效的阴极保护[8]。

根据表2可以看出进出站场输气管道上安装的绝缘接头性能良好,因为绝缘接头保护侧和非保护侧现场测试的管地电位差值较大,站内埋地管道基本是自然电位,但站外保护侧管地电位基本都与线路管道阴极保护系统的通电电位一致,因此说明进出站场输气管道上安装的绝缘接头性能良好[9-11]。

2 现场馈电试验

2.1 试验目的

根据站场现场测试结果可知,站场区域阴极保护系统已经失效,无法对站内埋地管道设备提供阴极保护。为对站内埋地管道及设备实施有效的阴极保护,应采用强制电流阴极保护系统,为保证站场强制电流区域阴极保护系统的有效性,防止因电位分布不均出现部分管道得到有效保护但部分管道得不到保护的情况,同时为减少站场强制电流区域阴极保护系统对线路输气管道的杂散电流干扰,需进行现场馈电试验[12]。通过馈电试验确定站场强制电流区域阴极保护系统通电点最优位置、数量,确定站场区域阴极保护系统正常运行时的电流需求量、输出电压、保护电位等[13]。

2.2 试验设备

为保证试验效果,在进行现场馈电试验时,需准备直流稳压电源作为阴极保护电源设备,利用站场围墙边已有线路阴极保护系统的深井阳极作为阳极地床,同时还可利用站内牺牲阳极安装处与管道连接的电缆作为通电点电缆或测试电缆进行馈电试验。设备主要有硫酸铜参比电极、万用表、滑动电阻、同步通断仪、土壤电阻率测试仪等。

2.3 试验方案

馈电试验以直流稳压电源为阴极保护电源设备,以站场围墙边深井阳极为阳极地床,以站内设置的1号、4号、10号牺牲阳极安装点中的一处或多处为通电点和馈电点进行试验和数据记录,详细通电点及馈电点设置方案见表4。站内通电点及馈电点在站内分布位置见图3。

表4 通电点及馈电点设置方案表

图3 站内通电点及馈电点分布位置图Fig.3 Distribution position of power energization point and feeding point

为确定站内区域阴极保护系统是否对站外埋地管道造成直流干扰,在馈电试验前关闭站外管道线路阴极保护系统,待管道完全去极化后,在围墙测试桩处测试记录站外管道自然电位,在试验进行过程中,再次测试记录站外管道自然电位,对2个数据进行比较分析,确定站场区域阴极保护系统对站外管道的直流干扰程度[14-16]。

2.4 试验过程

试验前断开站内所有牺牲阳极,将围墙边深井阳极的阳极电缆与直流稳压电源设备的阳极端相连接,同时将直流稳压电源设备的阴极端与通电点处管道进行连接,设置有馈电点时,从直流稳压电源设备的阴极端压接1根电缆与馈电点设置位置处的管道相连接。连接好后,将直流稳压电源设备开机,调整直流稳压电源设备输出电流大小,待站内各处埋地管道充分极化后在各测试点测量埋地管道保护电位和断电电位,并记录直流稳压电源输出电流、输出电压,测试点位置见图2[17]。

2.5 试验数据

在进行表4各方案的现场馈电试验中,当直流稳压电源输出电压达到7.0 V左右时,各测试点通电电位略超过-0.85 V,但断电电位达不到-0.85 V；直流稳压电源输出电压达到8.0 V左右时,各测试点通电电位均超过-0.95 V,断电电位基本达到-0.85 V。不同通电点或馈电点设置方案的输出电流存在一定差异,设置多个通电点和馈电点时所需的阴极保护电流最小。现场试验时,阴极保护电源设备输出电压为7.0 V和9.0 V时,各测试点都记录了测试数据,各测试点在阴极保护电源设备输出电压为7.0 V时通电电位和输出电流数据见表5～6。

表5 输出电压为7.0 V时各测试点通电电位测试记录表

表6 输出电压为7.0 V时各方案输出电流表

阴极保护电源设备输出电压为9.0 V时通电电位和输出电流数据见表7～8。

表7 输出电压为9.0 V时各测试点通电电位测试记录表

表8 输出电压为9.0 V时各方案输出电流表

试验过程中,为核实站内区域阴极保护系统是否对站外埋地管道造成直流干扰,在进出站管道上的绝缘接头外侧进行了管地电位测试,即在站内强制电流区域阴极保护系统开启前,在进出站管道上的绝缘接头外侧进行管地电位测试并进行记录,记录后开启站内强制电流区域阴极保护系统,再在进出站管道上的绝缘接头外侧相同位置进行管地电位测试并记录,对同一位置2次测试数据进行比较,分析站内区域阴极保护系统对站外埋地管道的直流干扰情况[18],现场测试位置见图4,测试数据见表9。

图4 干扰分析测试位置图Fig.4 Test position of interference analysis

表9 区域阴极保护系统干扰电位测试记录表

2.6 试验结果

根据上述试验数据可知,站场强制电流区域阴极保护系统采用深井阳极地床形式完全可以保证站场内各处埋地管道设备得到有效的阴极保护,同时站内通电点和馈电点的不同设置位置会影响阴极保护电流的流向和分布,对站场区域阴极保护的效果影响较大,对站外管道的干扰程度也不一样,从试验数据可以看出采用在图3所示的MA10设置通电点,同时在MA1和MA4各设置馈电点一处,站场区域阴极保护系统的电流分布较均匀,站内各处埋地管道均可得到有效的阴极保护,同时对站外管道干扰也最小[19-20]。

3 结论

1)由于长输管道站场内接地系统会泄漏区域阴极保护电流,同时牺牲阳极阴极保护系统输出电流有限,且牺牲阳极使用数年后,接地电阻会增大,因此采用牺牲阳极对长输管道站场内埋地管道进行区域阴极保护时应谨慎。

2)对长输管道站场区域阴极保护系统进行改造时,采用馈电试验的方式可以较好地掌握在不同通电点、馈电点设置情况下站内埋地管道的管地电位分布情况。通过对测试数据进行分析,可合理设置通电点、馈电点,并且配合分布式深井阳极地床的设置以避免站场大面积开挖,节约投资,减小施工难度,同时大大减少施工过程可能存在的安全隐患。

3)对长输管道站场区域阴极保护系统进行改造时,为保证阴极保护电流的均匀分布,应采用通电点和馈电点结合的方式给埋地管道提供阴极保护电流,且通电点和馈电点应尽量均匀布置,减少管道屏蔽,保证阴极保护效果。