摘　要：隨著燃?xì)夤芫W(wǎng)的不斷發(fā)展與建設(shè)，閥門的使用量也隨之增多。閥門在安裝和使用時往往需要進(jìn)行接地，本文從手動閥門、電動閥門的接地問題出發(fā)，分析閥門接地對管網(wǎng)陰極保護(hù)的影響，同時根據(jù)不同情況，提出了解決接地影響的方法。希望本文能為科學(xué)研究和生產(chǎn)建設(shè)提供一定的參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：閥門　電動閥門　接地　陰極保護(hù)　管道

Valve Grounded Problem Affecting to the Cathodic Protection

Abstract：With the continuous development and construction of the gas pipeline network，the amount of using valves also increases．Installation of valves often requires grounded．With the manual valves and electric valves grounded problems，this article will analyze the effects of grounded valve to the cathodic protection of pipelines and give solutions of the grounded methods under different circumstances．Hoping this article can provide sonic reference and basis to scientific research，production and construction．

Keywords：Valve Electric Valve Grounded Cathodic Protection Pipeline

1　引言

隨著燃?xì)夤芫W(wǎng)的不斷發(fā)展與建設(shè)，管網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，閥門的使用量也隨之增多^[1]。由于燃?xì)馐且环N易燃、易爆的介質(zhì)，燃?xì)庑袠I(yè)存在高危險性。在燃?xì)廨斔瓦^程中，必須保證管網(wǎng)防靜電、防雷電、陰極保護(hù)等相關(guān)保護(hù)設(shè)施的正常運(yùn)行，以保證燃?xì)膺\(yùn)營的安全。

為了保證燃?xì)忾y門的密封性，在管網(wǎng)建設(shè)中普遍采用的是軟密封球閥。按照開關(guān)操作方式將球閥分類，可以分為手動球閥和電動球閥。囚傳統(tǒng)的手動球閥具有對外界環(huán)境條件要求較小、開關(guān)限位能得有效保證等方面的優(yōu)點(diǎn)，在管網(wǎng)建設(shè)中使用量最大。但隨著電工電子技術(shù)的發(fā)展和遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，電動閥門的安裝使用也不斷增多。無論是手動閥門和電動閥門，出于安全的目的往往都需要進(jìn)行接地^[2]，常見的接地方式主要有直接接地、惰性材料接地、鋅包鋼接地等。但是，閥門接地會給管網(wǎng)的陰極保護(hù)帶來很大的影響，特別是采用外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)。一旦陰極保護(hù)失效，埋地鋼質(zhì)管道發(fā)生腐蝕的風(fēng)險增大，甚至?xí)斐晒艿谰植扛g、腐蝕穿孔、腐蝕開裂等現(xiàn)象，直接影響著燃?xì)獍踩a(chǎn)與運(yùn)行。本文將從閥門不同的接地方式同時結(jié)合閥門的操作類型，對接地問題中給陰極保護(hù)帶來的影響進(jìn)行分析，提出解決的方法。

2　接地對陰極保護(hù)的影響

陰極保護(hù)系統(tǒng)電路路徑的構(gòu)成包括：土壤、管道、導(dǎo)線^[2]。對于直流電路來說，根據(jù)歐姆定律可以知道，電路中的電流在流動過程中，電流會始終傾向于在電阻較小的路徑流動。當(dāng)管道的防腐層面電阻率變化不大、防腐層沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的破損點(diǎn)和接地的情況時，管道表面陰極保護(hù)電流的分布是相對較為均勻的，如圖1所示。

但是由于接地原因直接與大地形成電通路(短路)時，接地短路點(diǎn)位置上的電阻是極小的。在這種情況下，陰極保護(hù)電流在流動時會優(yōu)先選擇電阻較小的接地點(diǎn)位置，會在接地點(diǎn)的位置形成陰極保護(hù)電流的集中流入^[3](根據(jù)陽極的位置情況、雜散電流的分布情況，也可能會出現(xiàn)電流集中流出的現(xiàn)象，電流流出的位置會受到強(qiáng)烈的腐蝕)，接地點(diǎn)附近的其他位置將得不到足夠的陰極保護(hù)電流而處于欠保護(hù)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象也叫做陰極保護(hù)的短路屏蔽效應(yīng)，如圖2所示。處于欠保護(hù)位置的管道，在水、土壤等環(huán)境的作用下發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使管道壁厚減薄，管道處于腐蝕失效的風(fēng)險之中。

從防腐層破損點(diǎn)的角度上看，接地點(diǎn)的位置相當(dāng)于一個較大的破損點(diǎn)。對于正常的帶有防腐層的管道，一般在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)過程中，認(rèn)為防腐層破損點(diǎn)的面積只占防腐層總面積的1％-10％左右，而在出現(xiàn)接地點(diǎn)后，特別是由于接地極或接地網(wǎng)引起的接地短路(接地電阻在幾個歐姆或者零點(diǎn)幾個歐姆)，在陰極保護(hù)的電流需求計(jì)算時，折合成破損點(diǎn)的面積時甚至可能會占到總面積的50％以上，在這種情況下可能會使接地點(diǎn)附近幾公里的管線得不到有效保護(hù)。

另外，在管道有接地發(fā)生時，會使陰極保護(hù)所需要的電流增大，增加了陽極消耗速率，降低了陽極壽命。對于外加電流系統(tǒng)來說，輸出電流的增大，造成了不必要的電力浪費(fèi)。所以接地問題應(yīng)該在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)中引起關(guān)注。

3　閥門的接地方式

在輸送易燃、易爆氣體時，應(yīng)該對管道進(jìn)行防靜電處理使靜電不會形成積累過程，常用的方法是將管道、閥門、法蘭等關(guān)鍵位置進(jìn)行接地。對于場站、野外的露空閥門還要采取防雷擊處理措施，將露空閥門接地能夠有效地防止雷擊帶來的大電流放電、擊穿損壞等。閥門接地還能降低或避免人員在開關(guān)操作時觸電的危險。

3．1　閥門直接接地

閥門直接接地常見于閘井中，對于大口徑的閥門，為了有效的避免懸空帶來的自重下墜的趨勢風(fēng)險，往往將閥門下方砌筑平臺。如果平臺是磚砌、砂石、混凝土結(jié)構(gòu)，閘井內(nèi)的環(huán)境一般都陰暗潮濕，這些平臺會在水的作用下，變得濕潤、導(dǎo)電，接地電阻變小。如果閥門的外防腐或者防銹漆脫落、破損時，會與平臺、大地形成電通路。在沒有絕緣隔離措施或者線路跨接的情況下，陰極保護(hù)電流會通過土壤、平臺、閥門構(gòu)成的短路點(diǎn)位置集中地流入，會引起管道的其他位置陰極保護(hù)電流不足，管道處于欠保護(hù)的狀態(tài)。

對于直流電動閥門來說，存在直流負(fù)極共享閥門金屬外表面電流通道的問題。從遠(yuǎn)地點(diǎn)來說，負(fù)極與變壓器是相互連接的，而變壓器又是與市電電網(wǎng)相互連接，在電通路上，等同于閥門外表面、直流的負(fù)極、遠(yuǎn)端大地是相互連接的。所以，在這種情況下，陰極保護(hù)電流也會通過閥門流入流出大地。為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該將電機(jī)部分、直流電路部分、閥門殼體采取一定的絕緣措施，避免負(fù)極與閥門殼體的共享導(dǎo)致的陰極保護(hù)電流回路在遠(yuǎn)端大地短路的情況。

使用交流電動閥門時，為了防止人員操作時帶來的觸電風(fēng)險，閥門殼體的面表面一般采取接地措施。這種接地方式，等同于將閥門直接接地，造成管道接地的短路。另外，交流電在連接時，中性線也可能會造成遠(yuǎn)端大地連接的情況。為了有效地避免直接接地的發(fā)生，可以將電動頭與閥門進(jìn)行絕緣處理，如圖3所示。在接地線上串聯(lián)電容的方法，可以起到隔離陰極保護(hù)電流的作用，但是遇到大電流或者雷電電擊時，串聯(lián)的電容很容易燒毀。

3．2采用接地極方式進(jìn)行接地

根據(jù)GB／T 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中對防靜電和防雷電的要求，對于露空的閥門、閘井中的閥門應(yīng)該進(jìn)行接地處理。在接地時，為了有效地降低與土壤的接觸電阻和接地材料的自身腐蝕，往往會使用銅包鋼或者銅網(wǎng)等惰性材料接地方式，如圖4所示。

在金屬活動順序表中，Fe要比Cu活潑，在相同的環(huán)境中，Fe的電位要比Cu負(fù)。當(dāng)異種金屬相接觸，處于相互連通的電解質(zhì)中時，由于不同金屬之間存在實(shí)際電位差而使電位較低的金屬腐蝕速度比原來增大，電位較高的金屬的腐蝕速度減小，這種現(xiàn)象稱為電偶腐蝕^[4]，見圖5所示。當(dāng)鋼與銅相互接觸時，鋼的腐蝕速率比其單獨(dú)存在時加大。在閥門位置，利用銅包鋼或者銅網(wǎng)進(jìn)行接地時，由于電偶腐蝕的作用，會加速閥門的腐蝕。同時由于銅的良好導(dǎo)電性和自腐蝕較低的特性，利用銅材質(zhì)進(jìn)行接地時，接觸電阻要比閥門直接接地更低，在這種情況下，陰極保護(hù)電流集中流入流出的現(xiàn)象會更加嚴(yán)重。

4　閥門接地問題的解決方法

為了解決閥門接地所帶來的對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響，最終目的是要防止陰極保護(hù)電流從接地位置集中地流入或者流出，同時還要有效的防止靜電的積累和雷擊的危害，解決方法的基本思路就是隔直通交(阻止直流通過，降低交流阻抗)。

(1)盡量較少惰性材料(如Cu)接地極的使用，而采取活性材料接地的方式，這樣能降低電偶腐蝕對閥門的危害。常用的材料包括：鋅包鋼、鋅帶等。另一方面，金屬鋅可以作為犧牲陽極使用，為閥門提供陰極保護(hù)的同時，電回路中還降低了閥門在陰極保護(hù)電場的電勢。閥門電勢的降低，減少了閥門與陽極之間的電勢差，使在接地位置的陰極保護(hù)電流不會出現(xiàn)過于集中的現(xiàn)象。

但由于接地極與管道直接連通，不但增加了管道從接地極接受雜散電流的危險，而且在管道進(jìn)行瞬間斷電測量，評價陰極保護(hù)有效性時難以實(shí)施。另外，嵌位式排流方法也能起到隔直通交的作用^[5]，但其明顯的不足是耐雷電流或故障電流的強(qiáng)電沖擊性能較差，存在大電流毀壞設(shè)備的可能，管理維護(hù)繁瑣、費(fèi)用高，不推薦使用該方法。

(2)同態(tài)去耦合器加接地極的方式是國外應(yīng)用較普遍的方式，也是NACE SP0177—2007標(biāo)準(zhǔn)和加拿大管道腐蝕研究會的專題研究報告PR-262-9913《交流接地對陰極保護(hù)的影響報告》中推薦的方式。由于其低閾值電壓(-2V／+2V)和雷電沖擊漏泄電流量大(100kA)的特點(diǎn)，具有降低感應(yīng)電壓效果好、維護(hù)方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時又能防止雜散電流在管道上匯集后對人體的危害。作為直流隔離和交流耦合裝置，當(dāng)遇到交流故障電流或雷電電流時同態(tài)去耦合器會切換到短路模式，以提供過壓保護(hù)。當(dāng)過電壓過去之后，又自動切換回到直流隔離模式^[6]。

如果使用的是經(jīng)過Fail-Safe認(rèn)證的固態(tài)去耦合器，當(dāng)遇到自身故障時，會自動變?yōu)槎搪纺Ｊ?，?yōu)先保證防止靜電和雷擊的危險。當(dāng)固態(tài)去耦合器出現(xiàn)自身故障時，巡檢人員能夠通過測試樁的電位變化或者恒電位儀的輸出電流的變化來判斷固態(tài)去耦合器是否正常工作。特別是具有陰極保護(hù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的企業(yè)，可以實(shí)時的監(jiān)測固態(tài)去耦合器的工作狀態(tài)。而直接接地法和活性材料接地法這兩種方式在出現(xiàn)問題或者故障時，往往不能及時地做出判斷，使管道處于欠保護(hù)、靜電、雷擊等風(fēng)險之中，雖然安裝成本較低，但是卻為陰極保護(hù)的運(yùn)行和維護(hù)帶來了很大的閑難。

(3)對于電動閥門，應(yīng)該對電動部分與閥體部分進(jìn)行絕緣隔離，還需要保證直流電動閥門的負(fù)極線與閥體之間的絕緣，交流閥門的中性線、零線與閥體之間的絕緣。在絕緣性檢測時可以使用國外某公司的CE-IT絕緣測試儀，該儀器是一款能夠全自動、高靈敏度的檢測絕緣性的電子儀器，通常要比直接測試絕緣電阻更加可靠。在使用CE-IT檢測絕緣性過程中，當(dāng)測量結(jié)果為“short”時，表示所測兩端的電壓降在10mV或者更小，此時絕緣不合格，會出現(xiàn)陰極保護(hù)電流在短路點(diǎn)集中的問題；當(dāng)測試結(jié)果為“900d”時，表示所測兩端的對地電位極性相反或者電壓降在大于10mV，同時泄露電流小于25％，絕緣合格；如果顯示“Open”可能會需要進(jìn)行更進(jìn)一步的測量。

5　結(jié)論

對于陰極保護(hù)系統(tǒng)特別是采用外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)，閥門接地的接地問題給陰極保護(hù)帶來的影響是很大的，特別是接地電阻非常小時，可能會造成閥門周同幾公里的管線得不到有效的陰極保護(hù)；如果接地點(diǎn)的位置距離很近，會出現(xiàn)臨近接地點(diǎn)位置的管段的陰極保護(hù)電位過負(fù)，而遠(yuǎn)端管段欠保護(hù)的情況，所以閥門的接地問題應(yīng)該引起重視。

在閥門使用接地極的接地方式時，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用活性材料作為接地極，減少使用惰性材料所引起的電偶腐蝕。利用同態(tài)去耦合器加接地極的方式是能夠非常有效地起到直流隔離和交流耦合的作用。同時還能夠避免大電流所帶來的對管道和閥門的危害，保護(hù)自身的正常工作。

對于電動閥門來說，應(yīng)該使電動頭與閥體相互絕緣，還需要保證直流驅(qū)動閥門的負(fù)極線，交流驅(qū)動閥門的中性線、零線進(jìn)行絕緣保護(hù)。另外，還應(yīng)該對電動閥門的絕緣性進(jìn)行測試。在測試時不能直接簡單地進(jìn)行絕緣電阻值的測試，因?yàn)榻拥?、短路對陰極保護(hù)產(chǎn)生影響的不是簡單的電阻關(guān)系，還與極性、壓降、電勢、電流等因素相關(guān)，所以在測試過程中應(yīng)該使剛陰極保護(hù)絕緣測試儀。

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本文作者：白冬軍　和宏偉　馮文亮

作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院

  北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所