長輸管道站場區域陰極保護饋電試驗結果分析

馬貴利 劉海峰 王 浩 陳虹錦 彭 磊 湯雨霖魏群坤 袁 豹 何炆憶 陳彬源

1. 中國石油青海油田公司管道處, 青海 格爾木 816000;2. 中國石油西南油氣田公司, 四川 成都 610051;3. 中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦, 四川 瀘州 646000;4. 四川華油集團有限責任公司, 四川 成都 610023;5. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

西南地區某長輸管道站場在建設時采用鎂合金犧牲陽極陰極保護系統對站內埋地管道和設備進行區域陰極保護。該區域陰極保護系統運行幾年后站內所有埋地管道的保護電位均出現問題，達不到GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中陰極保護管地電位應位于-0.85～-1.2 V之間(相對于硫酸銅參比電極消除IR降后[1])的要求,影響站場完整性管理,同時也影響站內埋地管道設備的安全運行,依據GB/T 35508—2017《場站內區域性陰極保護》(以下簡稱GB/T 35508—2017)和GB/T 21447—2018《鋼質管道外腐蝕控制規范》(以下簡稱GB/T 21447—2018)的規定,需對站場區域陰極保護系統進行整改,整改前需對站內埋地管道設備進行陰極保護饋電試驗，根據試驗結果確定整改方案和技術措施。

1 站場區域陰極保護系統

1.1 系統介紹

在站場建設時,采用鎂合金犧牲陽極對站內埋地管道和設備進行區域陰極保護。站內設置鎂合金犧牲陽極12組,每組埋設鎂合金犧牲陽極3～4支,每支14 kg,共埋設犧牲陽極39支,每組犧牲陽極安裝處設置防爆接線箱一個,犧牲陽極通過接線箱內接線端與站場埋地管道聯通,對埋地管道進行陰極保護,整個犧牲陽極區域陰極保護系統于2009年投入使用。站內防爆接線箱見圖1。

圖1 站內防爆接線箱照片Fig.1 Explosion proof junction box in the station

站內埋地鋼質管道采用3PE防腐層防腐,規格主要有D1 016、D323、D273、D168、D114、D108、D89等,材質主要為L485和L245。站內埋地管道面積約510 m2;站內接地系統為鍍鋅扁鋼,鍍鋅扁鋼面積約45 m2。

進出站場管道3根:1根進站管道DN1 000,設計壓力10 MPa;1根出站管道DN1 000,設計壓力10 MPa;1根出站管道DN300,設計壓力4 MPa。3根管道上分別安裝對應規格的絕緣接頭各1個。

1.2 系統測試

依據GB/T 35508—2017和GB/T 21447—2018的要求,按照GB/T 21246—2020《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》(以下簡稱GB/T 21246—2020)中規定的測試方法對站場原有區域陰極保護系統犧牲陽極的開路電位、通電電位、接地電阻進行了測試[2-5],詳細測試結果見表1。

表1 站場原有區域陰極保護系統參數測試表

在完成站場原有區域陰極保護系統犧牲陽極的相關參數測試后,按照GB/T 21246—2020中規定的測試方法對進出站場管道上的絕緣接頭也進行了性能測試,測試數據見表2。

表2 線路管道絕緣接頭性能測試表

絕緣接頭性能測試完成后,為確定站內埋地管道的自然電位,將站內所有犧牲陽極與埋地管道設備斷開,待埋地管道完全去極化后，在站內各測試點對埋地管道的自然腐蝕電位和土壤電阻率進行了測試,測試點位置見圖2,測試結果見表3。由表3可知,站內埋地管道的自然腐蝕電位在-0.564～-0.666 V,且管道所處環境土壤電阻率較低,均小于40 Ω·m,依據電化學腐蝕理論,碳鋼在此條件下受到的腐蝕程度較為嚴重[6-7]。

圖2 站場測試點分布圖Fig.2 Distribution diagram of station test points

表3 站場埋地管道自然電位測試表

1.3 站場原有陰極保護系統測試結果分析

根據表1可以看出,站內安裝的鎂合金犧牲陽極在運行幾年后,由于接地電阻太高,站內鎂合金犧牲陽極最小接地電阻為18.5 Ω,最大接地電阻為72.1 Ω,大部分犧牲陽極接地電阻都大于35 Ω,因此犧牲陽極即使開路電位仍然維持在-1.45 V左右,但由于受接地電阻太高的影響,其輸出電流很小,不能滿足站內埋地管道、設備達到最小陰極保護斷電電位的需求,因此現場測試發現站內埋地管道、設備基本處于自然電位狀態,沒有得到有效的陰極保護[8]。

根據表2可以看出進出站場輸氣管道上安裝的絕緣接頭性能良好,因為絕緣接頭保護側和非保護側現場測試的管地電位差值較大,站內埋地管道基本是自然電位,但站外保護側管地電位基本都與線路管道陰極保護系統的通電電位一致,因此說明進出站場輸氣管道上安裝的絕緣接頭性能良好[9-11]。

2 現場饋電試驗

2.1 試驗目的

根據站場現場測試結果可知,站場區域陰極保護系統已經失效,無法對站內埋地管道設備提供陰極保護。為對站內埋地管道及設備實施有效的陰極保護,應采用強制電流陰極保護系統,為保證站場強制電流區域陰極保護系統的有效性,防止因電位分布不均出現部分管道得到有效保護但部分管道得不到保護的情況,同時為減少站場強制電流區域陰極保護系統對線路輸氣管道的雜散電流干擾,需進行現場饋電試驗[12]。通過饋電試驗確定站場強制電流區域陰極保護系統通電點最優位置、數量,確定站場區域陰極保護系統正常運行時的電流需求量、輸出電壓、保護電位等[13]。

2.2 試驗設備

為保證試驗效果,在進行現場饋電試驗時,需準備直流穩壓電源作為陰極保護電源設備,利用站場圍墻邊已有線路陰極保護系統的深井陽極作為陽極地床,同時還可利用站內犧牲陽極安裝處與管道連接的電纜作為通電點電纜或測試電纜進行饋電試驗。設備主要有硫酸銅參比電極、萬用表、滑動電阻、同步通斷儀、土壤電阻率測試儀等。

2.3 試驗方案

饋電試驗以直流穩壓電源為陰極保護電源設備,以站場圍墻邊深井陽極為陽極地床,以站內設置的1號、4號、10號犧牲陽極安裝點中的一處或多處為通電點和饋電點進行試驗和數據記錄,詳細通電點及饋電點設置方案見表4。站內通電點及饋電點在站內分布位置見圖3。

表4 通電點及饋電點設置方案表

圖3 站內通電點及饋電點分布位置圖Fig.3 Distribution position of power energization point and feeding point

為確定站內區域陰極保護系統是否對站外埋地管道造成直流干擾,在饋電試驗前關閉站外管道線路陰極保護系統,待管道完全去極化后,在圍墻測試樁處測試記錄站外管道自然電位,在試驗進行過程中,再次測試記錄站外管道自然電位,對2個數據進行比較分析,確定站場區域陰極保護系統對站外管道的直流干擾程度[14-16]。

2.4 試驗過程

試驗前斷開站內所有犧牲陽極,將圍墻邊深井陽極的陽極電纜與直流穩壓電源設備的陽極端相連接,同時將直流穩壓電源設備的陰極端與通電點處管道進行連接,設置有饋電點時,從直流穩壓電源設備的陰極端壓接1根電纜與饋電點設置位置處的管道相連接。連接好后,將直流穩壓電源設備開機,調整直流穩壓電源設備輸出電流大小,待站內各處埋地管道充分極化后在各測試點測量埋地管道保護電位和斷電電位,并記錄直流穩壓電源輸出電流、輸出電壓,測試點位置見圖2[17]。

2.5 試驗數據

在進行表4各方案的現場饋電試驗中,當直流穩壓電源輸出電壓達到7.0 V左右時,各測試點通電電位略超過-0.85 V,但斷電電位達不到-0.85 V；直流穩壓電源輸出電壓達到8.0 V左右時,各測試點通電電位均超過-0.95 V,斷電電位基本達到-0.85 V。不同通電點或饋電點設置方案的輸出電流存在一定差異,設置多個通電點和饋電點時所需的陰極保護電流最小?，F場試驗時,陰極保護電源設備輸出電壓為7.0 V和9.0 V時,各測試點都記錄了測試數據,各測試點在陰極保護電源設備輸出電壓為7.0 V時通電電位和輸出電流數據見表5～6。

表5 輸出電壓為7.0 V時各測試點通電電位測試記錄表

表6 輸出電壓為7.0 V時各方案輸出電流表

陰極保護電源設備輸出電壓為9.0 V時通電電位和輸出電流數據見表7～8。

表7 輸出電壓為9.0 V時各測試點通電電位測試記錄表

表8 輸出電壓為9.0 V時各方案輸出電流表

試驗過程中,為核實站內區域陰極保護系統是否對站外埋地管道造成直流干擾,在進出站管道上的絕緣接頭外側進行了管地電位測試,即在站內強制電流區域陰極保護系統開啟前,在進出站管道上的絕緣接頭外側進行管地電位測試并進行記錄,記錄后開啟站內強制電流區域陰極保護系統,再在進出站管道上的絕緣接頭外側相同位置進行管地電位測試并記錄,對同一位置2次測試數據進行比較,分析站內區域陰極保護系統對站外埋地管道的直流干擾情況[18],現場測試位置見圖4,測試數據見表9。

圖4 干擾分析測試位置圖Fig.4 Test position of interference analysis

表9 區域陰極保護系統干擾電位測試記錄表

2.6 試驗結果

根據上述試驗數據可知,站場強制電流區域陰極保護系統采用深井陽極地床形式完全可以保證站場內各處埋地管道設備得到有效的陰極保護,同時站內通電點和饋電點的不同設置位置會影響陰極保護電流的流向和分布,對站場區域陰極保護的效果影響較大,對站外管道的干擾程度也不一樣,從試驗數據可以看出采用在圖3所示的MA10設置通電點,同時在MA1和MA4各設置饋電點一處,站場區域陰極保護系統的電流分布較均勻,站內各處埋地管道均可得到有效的陰極保護,同時對站外管道干擾也最小[19-20]。

3 結論

1)由于長輸管道站場內接地系統會泄漏區域陰極保護電流,同時犧牲陽極陰極保護系統輸出電流有限,且犧牲陽極使用數年后,接地電阻會增大,因此采用犧牲陽極對長輸管道站場內埋地管道進行區域陰極保護時應謹慎。

2)對長輸管道站場區域陰極保護系統進行改造時,采用饋電試驗的方式可以較好地掌握在不同通電點、饋電點設置情況下站內埋地管道的管地電位分布情況。通過對測試數據進行分析,可合理設置通電點、饋電點,并且配合分布式深井陽極地床的設置以避免站場大面積開挖,節約投資,減小施工難度,同時大大減少施工過程可能存在的安全隱患。

3)對長輸管道站場區域陰極保護系統進行改造時,為保證陰極保護電流的均勻分布,應采用通電點和饋電點結合的方式給埋地管道提供陰極保護電流,且通電點和饋電點應盡量均勻布置,減少管道屏蔽,保證陰極保護效果。