长输管道阴极保护电流流失解决措施研究与应用

李佳轩 刘 涛 杨晨璐 汪怡心 李 虎 宋华荣

（塔里木油田分公司油气运销事业部，新疆 阿克苏 843000）

0 引言

电绝缘是阴极保护系统得以正常运行的前提条件，因此对于采用阴极保护的长输管道，当沿线站场、阀室进出端绝缘接头失效时，一旦站场、阀室内设备的防雷防静电接地与管道连通，将导致阴极保护电位发生异常波动，而长期处于欠保护状态的管道腐蚀速率会大幅增加。对于无法停输进行绝缘接头更换的管道，李立冬[1]通过在电气、机械设备和接地网间加装防爆型火花间隙，同时实现防雷接地和阴极保护需求；刘文会[2]使用电流环和钳型电流表测量管道及设备部位的电流大小及方向，通过开挖确定搭接点位置，进行绝缘处理；袁柱[3]通过在阀室接地设施中串入固态耦合器，导出感应高电压、阻挡阴极保护电流泄漏。

1 问题分析

南疆利民管网阿克苏片区管线全长约为585公里，其间设立有10座场站和19座阀室。管道被划分为英喀干线、大北支线、大桥乡支线、乌什支线、阿瓦提支线、一团支线、二团三团支线和柯坪支线。管网采用强制电流阴极保护系统，系统投用于2013年，包含恒电位仪、测试桩、辅助阳极和参比电极，系统设置情况如图1所示。

图1 南疆利民管网阿克苏片区阴保系统图

GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中规定：一般土壤和水环境下，最小保护电位Ep为-0.85V，管道限制临界电位E1不应比-1.20V更负[4]。所以南疆利民管网极化电位应满足-1.20V≤EIRfree≤-0.85V的要求。

在利用阴极保护数据对南疆利民阿克苏片区2022年输气管道阴极保护效果进行分析评估的过程中，根据极化电位-850mV准则和数据分析结果，发现管道极化电位处于-1.20V≤EIRfree≤-0.85V范围的比率为86.7%，不满足GB/T 21447-2018 《钢质管道外腐蚀控制规范》中“管道线路阴极保护系统的保护率应达到100%”[5]的要求，保护率求取见式（1）。

表1为2022年南疆利民管网极化电位统计表，数据显示现存欠保护点分布在乌什支线和阿瓦提支线。以下通过对杂散电流干扰和阴极保护电流流失两项可能导致电位异常的因素，排查造成保护电流不足的原因。

1.1 杂散电流干扰

SY/T 0017-2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》中规定：“当管道任意点上的管地电位较自然电位偏移20mV时，确认为直流干扰。[6]”；GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中规定：“当管道上的交流干扰电压不高于4V时，可不采取交流干扰防护措施[7]”。依照于此，使用直流电位梯度法（DCVG）和交流电位梯度法（ACVG），对乌什支线和阿瓦提支线站场阀室开展测试，管线直流及交流电位监测趋势如图2、图3所示。

图2 管线直流电位监测趋势图

图3 管线交流电位监测趋势图

经现场对管线测试桩数据进行交直流干扰测试，所得管线直流电位梯度较自然电位偏移量均＜20mV，管线交流电位梯度测试结果均＜4V，符合标准，故杂散电流干扰不是导致保护电流不足的原因。

1.2 阴极保护电流流失

1.2.1 施加电流测试

选取管道保护电位正常的大北支线3#阀室和管道保护电位异常的乌什支线E1#阀室作为测试对象，选取32#测试桩、74#测试桩作为信号加入点，输出300mA电流信号，检测电流通过两阀室的走势波动情况如表2、表3及图4、图5所示。

表2 3#阀室前后电流统计表

表3 E1#阀室前后电流统计表

图4 3#阀室前后电流趋势图

图5 E1#阀室前后电流趋势图

如图4、图5对比可得：3#阀室前后阴极保护电流在不同电流施加下呈平稳趋势，E1#阀室前后阴极保护电流出现瞬时衰减情况，存在阴极保护电流流失，因此确认其为造成管道保护电位异常的主要原因。

1.2.2 电流流失点确认

确认部分站场、阀室存在阴极保护电流流失情况后，考虑到南疆利民沿线站场、阀室内设备均有防雷防静电接地，故对阿克苏片区管网的防雷防静电接地进行专项检查确认，接地拆除前后电位参数如表4所示。

表4 接地拆除前后电位参数比对表

经测试防雷防静电接地拆除前后的电位数据，发现其中部分测试点两组数据间存在差值，证明其发生了不同程度的电流流失，且电流流失点均位于站场/阀室进出口气液联动阀处。最终确认站场/阀室进出口气液联动阀防静电接地是造成管线达不到最小保护电位的直接原因。

2 问题解决

隔直排流[8]保护方式通常用于受交流干扰影响的埋地钢质管道交流排流保护中，因其“阻直通交”的特殊性能，在此将其拓展用来解决电气设备接地与阴极保护产生的矛盾。隔直排流装置包括极化电池、钳位式排流器、固态去耦合器等[9]，起到导通稳态交流干扰电流，防止阴极保护电流沿电气接地流失的效果，还具备抗雷击及故障电流冲击的功能。

2.1 钳位式排流器

钳位式排流器由两部分组成：正臂和负臂。如图，正臂上串联一只二极管，负臂上串联两只方向相反与正臂相反的二极管。正、负臂两端压降分别为0.7V和-1.4V[10]，电压界于-1.4～0.7V的电流无法通过回路，利民管网正常管道阴极保护运行电位为-1.2～-0.85V，因此能防止阴极保护电流流失，同时当管道受到交流干扰电流影响时还能为管道提供额外的阴极保护电流。图6、图7为钳位式排流器原理及安装示意图。

图6 钳位式排流器原理图

图7 钳位式排流器安装示意图

2.2 固态去耦合器

固态去耦合器由电解电容、晶闸管、电感器和浪涌保护器组成[11]，其中晶闸管作为关键元件，决定直流电流通过的阈值，当管道或设备和接地网两端之间的电压差达到该阈值时，固态去耦合器转为直流短路状态，及时排出故障电流避免设备受损。当电压差低于阈值时，固态去耦合器直流电流阻抗增大，起到防止阴极保护电流流失的作用。图8、图9为固态去耦合器原理及安装示意图。

图8 固态去耦合器原理图

图9 固态去耦合器安装示意图

2.3 使用效果评价

为保证阴极保护效果，在已验证存在阴极保护电流流失的E1阀室和C1阀室处，分别安装应用较为广泛的钳位式排流器和固态去耦合器进行对比测试，测试数据如表5、表6所示，两者断电电位及通电电位测试数据对比如图10所示。

表5 钳位式排流器运行效果数据表

表6 固态去耦合器运行效果数据表

图10 断电电位及通电电位测试数据对比图

由表5、表6和图10分析可得，钳位式排流器和固态去耦合器运行后，管地电位均由不保护状态提升至正常保护范围内，能够发挥防止阴极保护电流流失的作用。在钳位式排流器运行时，管道的通电电位与同支线测试桩采集数据平均值最大差值达169mV，断电电位最大差值达166mV。表明加装钳位式排流器后对通电、断电电位测试数据均有明显影响，而固态去耦合器运行时所测量的通电电位和断电电位无明显误差。

管道及接地极直流电位和直流泄漏电流是评价直流隔离效果最直观的测量参数[12]。在正常工作状态时，管道和接地极的直流电位变化越小，直流泄漏电流越小，隔离性能越好，试验测量数据如表7所示。

表7 直流隔离性能参数对比表

如表7和图11所示，在额定电压下，钳位式排流器和固态去耦合器的最大直流电流漏流量分别为32.6mA、0.076mA，因此在正常运行状态下，固态去耦合器对阴极保护电流的防泄漏性更好。

图11 直流漏流量对比图

由于南疆利民阴极保护效果评估主要通过通电电位及断电电位测试进行，在固态去耦合器和钳位式排流器都能实现防止阴极保护电流流失的条件下，固态去耦合器对通断电位测试的影响更小且保护效果更好。因此，选用固态去耦合器更符合现场实际应用。

3 结语

（1）输气管道站场、阀室中的设备电气接地和绝缘失效均可能导致阴极保护电位异常现象的发生，常见流失点包括：与管道连接形式为焊接的气液联动阀、压力变送器等现场仪表以及调压撬等设备的接地，绝缘法兰或绝缘接头失效的放空管线，绝缘垫片缺失的仪表金属挠性管。可通过依次断开上述流失点连接的方式，观察管道极化电位变化，排查确定阴极保护电流流失点；

（2）经过实际测试，在设备接地线和接地网中间增设钳位式排流器和固态去耦合器，均能在既保证站场、阀室内设备电气接地达到要求的同时，还可确保阴极保护系统的正常运行；

（3）接地极为锌或镀锌扁钢时，排流装置两端电压差较小，断电电位测试时固态去耦合器内的电容放电量低，对断电电位测试结果影响较小。此外，钳位式排流器中的二极管由于存在伏安特性，直流漏流量相对较大。因此，相较于钳位式排流器，固态去耦合器的直流隔离性能更好，更适合用于解决阴极保护电流流失的情况，也与主要通过测试桩直接测量断电电位的阴极保护系统契合度更高。