輸氣管道陰極保護投運的若干問題與解決措施

摘 要

摘要：介紹了強制電流陰極保護在石嘴山市天然氣輸氣管道的應(yīng)用及投運中的若干實際問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，提出了解決措施，運行效果良好。關(guān)鍵詞：陰極保護；強制電流；防腐層檢測；投
摘要：介紹了強制電流陰極保護在石嘴山市天然氣輸氣管道的應(yīng)用及投運中的若干實際問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，提出了解決措施，運行效果良好。
關(guān)鍵詞：陰極保護；強制電流；防腐層檢測；投產(chǎn)運行
Several Problems and Corrective Measures in Operation of Cathodic Protection System for Gas Transmission Pipeline
DENG Tieqiang
Abstract：The application of impressed current cathodic protection to Shizuishan natural gas transmission pipeline and several practical problems in the initial operation are introduced.The causes of these problems are analyzed，and the corrective measures are proposed.The operation efficiency is good.
Key words：cathodic protection；impressed current；detection of anticorrosive coating；commissioning operation
    由于管道的外防腐層會在生產(chǎn)、運輸、施工等過程中產(chǎn)生針孔，受到損傷，因此不可能將管道完全與腐蝕環(huán)境隔離，從而加速針孔和損傷處管體的腐蝕，引起管道的腐蝕穿孔[1]。陰極保護的作用是保護針孔和損傷處的管體不受到腐蝕，是外防腐層的有效補充[2]。因此，為保證管道安全可靠地運行，按照規(guī)范的要求對輸氣管道全線實施陰極保護[3]。
1 工程概況
   石嘴山市天然氣工程管道(簡稱銀-大天然氣管道)起點為銀川的銀川首站，在大武口區(qū)和平羅縣分別設(shè)分輸站，末站設(shè)在惠農(nóng)區(qū)的煤氣廠。該管道全長150.23km，管道規(guī)格分別為DN 350、300、200mm，設(shè)計年輸氣能力為6×108m3/a。該管道距離較長，采用強制電流陰極保護。銀-大天然氣工程管道概況見圖1。

    全線在2號截斷閥室、大武口儲備站、惠農(nóng)末站設(shè)置3座陰極保護站保護全線管道，由于大武口儲配站內(nèi)陰極保護站的保護范圍可輻射至平羅儲配站，因此平羅儲配站內(nèi)不設(shè)陰極保護站。大武口儲配站和惠農(nóng)末站使用的陰極保護設(shè)備均是1臺CBZ-1控制臺帶2臺PS-1恒電位儀(恒電位儀為1用1備)，站區(qū)內(nèi)均在距銀-大天然氣管道水平距離約100m處設(shè)置1組陽極地床，均在進出站管道上安裝絕緣接頭。2號截斷閥室使用的陰極保護設(shè)備是1臺HDV-4D控制臺帶2臺1OA/36V HDV-4E恒電位儀(恒電位儀為1用1備)，在距銀-大天然氣管道水平距離約100m處設(shè)置1組陽極地床，在放空管埋地部分安裝絕緣接頭。為防止雷擊或感應(yīng)電壓損壞絕緣接頭，在絕緣接頭上還安裝雙鋅接地電池進行保護。全線共設(shè)180個電位測試樁和電流測試樁。
2 投運中的若干問題
    惠農(nóng)末站-大武口儲備站、大武口儲備站-2號截斷閥室強制電流陰極保護一次投運成功，但在2號截斷閥室-銀川首站陰極保護投運中出現(xiàn)了一些問題。
2.1 2號截斷閥室陰極保護設(shè)備不匹配
    因為原考慮采用TEG熱電偶燃氣發(fā)電機提供直流電源，所以我公司訂購了1臺型號為HDV-4D的控制臺，2臺型號為10A/36V HDV-4E的恒電位儀。但后期考慮采用220V交流專接線路，原購設(shè)備不帶交流轉(zhuǎn)直流功能，因而不能使用。
2.2 恒電位儀和電位測試樁數(shù)據(jù)不正常
    下面先給出關(guān)于陰極保護的幾個名詞定義：
    控制臺：陰極保護控制臺是恒電位儀的配套產(chǎn)品，應(yīng)用于強制電流陰極保護系統(tǒng)中，一般連接2臺恒電位儀。
    恒電位儀：恒電位儀是在無人值守的條件下，自動調(diào)節(jié)輸出電流和電壓，使管道陰極保護通電點電位恒定在控制電位內(nèi)，達到最佳保護效果的自控整流器。恒電位儀與控制臺配套使用進行陰極保護，一般配置2臺，1用1備，可以進行手動切換。恒電位儀顯示數(shù)據(jù)有“輸出電流”、“輸出電壓”、“電位測量”。
    輸出電流：恒電位儀控制面板顯示數(shù)據(jù)，是指市電經(jīng)過恒電位儀穩(wěn)流等措施后輸出的供陰極保護負載設(shè)備使用的電流。
    輸出電壓：恒電位儀控制面板顯示數(shù)據(jù)，是指市電經(jīng)過恒電位儀整形、濾波、穩(wěn)壓等一系列措施后輸出的供陰極保護負載設(shè)備使用的電壓。
    電位測量：恒電位儀控制面板顯示數(shù)據(jù)，是指管道通電點的保護電位。
   測試樁電位：在施加陰極保護的情況下，用飽和硫酸銅參比電極沿管道測試所達到的實際有效保護電位。
   在投運初期存在的具體問題如下：
   ① 截斷閥室內(nèi)2號恒電位儀的“輸出電壓”顯示為95.6V，“輸出電流”顯示為0A，“電位測量”顯示為-307mV。
    ② 50號測試樁電位測量數(shù)據(jù)為0V。
    ③ 55號測試樁電位測量數(shù)據(jù)為0V。
2.3 55號測試樁向首站方向電位下降梯度偏大
    當(dāng)2號閥室內(nèi)恒電位儀的“輸出電壓”顯示為1.8V，“輸出電流”顯示為0.5A，“電位測量”顯示為-1334mV時，2號閥室旁55號測試樁顯示正常，但55號測試樁向銀川首站方向電位下降梯度偏大。
    ① 55號測試樁電位測量數(shù)據(jù)為-1.334V。
    ② 50號測試樁電位測量數(shù)據(jù)為-0.561V。
    ③ 34號測試樁電位測量數(shù)據(jù)為-0.598V。
    投運前，55號測試樁自然電位測量數(shù)據(jù)為-0.57V，50號測試樁自然電位測量數(shù)據(jù)為-0.55V。
3 對問題的分析
3.1 對2.1節(jié)問題的解決方法
    ① 采用熱電偶燃氣發(fā)電機提供直流電源
    由于在施工中為2號截斷閥室配置了TEG熱電偶燃氣發(fā)電機，因此考慮投運該發(fā)電機。但因為該發(fā)電機以燃氣為能源，地處偏遠地區(qū)，一旦投運不易監(jiān)控，所以最終擱置該方案。
    ② 采用太陽能發(fā)電機提供電源
    我市地處寧夏銀北地區(qū)，年平均日照時間超過3000h，日照充足，具備太陽能發(fā)電條件，但造價較高，約75×104元，因此該方案被放棄。
    ③ 采用外接供電系統(tǒng)提供交流電源
    距離2號截斷閥室約5km處有供電系統(tǒng)電路經(jīng)過該地區(qū)，經(jīng)與相關(guān)部門聯(lián)系，可為2號截斷閥室提供220V交流電源。為了與電源匹配，需購置1臺CBZ-1控制臺和2臺PS-1恒電位儀?？紤]到生產(chǎn)成本，我公司決定采用外接供電系統(tǒng)提供交流電源。由此可以解決燃氣發(fā)電設(shè)備不易監(jiān)控的難題，而且與采用太陽能發(fā)電機提供電源相比也節(jié)約了造價。
3.2 對2.2節(jié)問題的分析
    對于2.2中恒電位儀的“輸出電流”、“電位測量”顯示數(shù)據(jù)不正常和測試樁電位測量數(shù)據(jù)均不正常的問題，我們再次進入現(xiàn)場進行了分析。經(jīng)過分析，判斷可能是55號測試樁上連接控制臺的通電電纜與連接管道的通電電纜斷路。
3.3 對2.3節(jié)問題的分析
   對于55號測試樁向銀川首站方向電位下降梯度偏大的問題，分析產(chǎn)生原因，一種可能是55號測試樁向銀川首站方向管道防腐層破裂，向大地漏電；另一種可能是2號截斷閥室內(nèi)控制臺接線板上的“參比電極”或“零位接陰”接線出現(xiàn)問題。
4 解決措施
4.1 更換2號截斷閥室陰極保護設(shè)備
    為了與電源匹配，我公司又購置了1臺CBZ-1控制臺和2臺PS-1恒電位儀。
4.2 55號測試樁重新接線
   我們根據(jù)分析結(jié)果，對現(xiàn)場接線重新進行了梳理。55號測試樁為2號截斷閥室陰極保護站旁的一個電位測試樁，該電位測試樁不同于其他測試樁，它是連接控制臺、長效參比電極和管道的中介。控制臺輸出電流(從控制臺的“輸出陽極”端)經(jīng)陽極地床再經(jīng)土壤到管道，再由管道的通電點經(jīng)電纜送回控制臺的陰極(即控制臺的“輸出陰極”端)，而管道的通電點與控制臺之間的電纜正是由55號測試樁內(nèi)電路板連接的。該測試樁共連接6條電纜，其接線見圖2，電路板左側(cè)3條電纜分別接CBZ-1控制臺的“輸出陰極”、“參比電極”、“零位接陰”。零位接陰是整個儀器電路的地端，這個“地”必須建立在被保護物上才能實現(xiàn)正確控制，作用是減少導(dǎo)線上的線壓降。電路板右側(cè)3條電纜分別接埋地長效參比電極和管道。
   重新連接后，我們將恒電位儀面板上的“電源開關(guān)”扳到“工作”檔，“工作方式”扳到“自動”，“測量選擇”扳到“保護”。經(jīng)調(diào)試后，2號恒電位儀的“輸出電壓”顯示為1.8V，“輸出電流”顯示為0.5A，“電位測量”顯示為-1334mV。“輸出電壓”、“輸出電流”和“電位測量”的顯示數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)。又測得2號截斷閥室旁55號測試樁電位為-1334mV，測量數(shù)據(jù)與恒電位儀上的“電位測量”顯示數(shù)據(jù)相符，說明數(shù)據(jù)正常。但55號測試樁向銀川首站方向仍出現(xiàn)電位下降梯度偏大的問題。

4.3 電位下降梯度偏大的解決措施
    ① 現(xiàn)場查明管道防腐層是否破裂
    我們利用埋地管道外防腐層狀況檢測儀(PCM+)對管道防腐層進行了檢測。PCM+發(fā)射機給出輸出電流為1A，在2號截斷閥室向大武口儲備站方向(即下游方向)每隔30m測得管道電流為530～556mA，在2號截斷閥室向銀川首站方向(即上游方向)每隔30m測得管道電流為338～369mA。通過埋地管道外防腐層狀況檢測儀測得的上下游管道電流之和接近1A，說明管道電流基本沒有損耗，防腐層完好。
    ② 現(xiàn)場解決控制臺和恒電位儀的接線問題
    我們又利用PCM+埋地管道外防腐層狀況檢測儀在55號測試樁附近沿管道位置測得電流方向指向2號截斷閥室，而2號截斷閥室下游管道電流方向也指向2號截斷閥室。由此可以得出結(jié)論：控制臺接線板的“輸出陰極”與“輸出陽極”接反。當(dāng)將“輸出陰極”與“輸出陽極”接線倒過來之后，把恒電位儀面板上的“電源開關(guān)”扳到“工作”檔，“工作方式”扳到“自動”，“測量選擇”扳到“保護”時，“狀態(tài)指示”燈顯橙色，并出現(xiàn)報警。1號、2號恒電位儀的“輸出電壓”顯示為2.8V，“輸出電流”顯示為0.2A，“電位測量”顯示為-1112mV，順時針旋動“輸出調(diào)節(jié)”旋鈕至最大時，“電位測量”最大只能調(diào)節(jié)到-1112mV。原因分析：a.“工作方式”扳到“自動”時，“狀態(tài)指示”燈顯橙色，并出現(xiàn)報警，可能是因為控制臺內(nèi)的二極管出現(xiàn)故障；b.順時針旋動“輸出調(diào)節(jié)”旋鈕至最大時，“電位測量”最大只能調(diào)節(jié)到-1112mV，可能是因為設(shè)備接地電阻或陽極地床電阻過大造成。
    針對以上問題，我們將面板上的“電源開關(guān)”保持“工作”檔，將“工作方式”保持“自動”，“測量選擇”保持“保護”。2號恒電位儀的“輸出電壓”顯示為2.8V，“輸出電流”顯示為0.2A，“電位測量”顯示為-1112mV。用萬用表測得控制臺接線板上“輸出陽極”和“輸出陰極”之間電流為5.3A，同時“輸出電流”顯示也為5.3A。由此可以得出結(jié)論：“狀態(tài)指示”燈顯橙色并出現(xiàn)報警以及順時針旋動“輸出調(diào)節(jié)”旋鈕至最大時，“電位測量”最大只能調(diào)節(jié)到-1112mV，并非控制臺內(nèi)的二極管出現(xiàn)故障，也不是設(shè)備接地電阻或陽極地床電阻過大造成，而是恒電位儀后接線板的“參比電極”與“零位接陰”線接反所致。
    于是，將2號恒電位儀停機后，將恒電位儀后接線板的“參比電極”與“零位接陰”接頭互換，恒電位儀面板上的“電源開關(guān)”扳到“工作”檔，“工作方式”保持“自動”，“測量選擇”保持“保護”，“電位測量”能調(diào)節(jié)到最大值-1334mV，逆時針旋動“輸出調(diào)節(jié)”將“電位測量”調(diào)節(jié)到標準值-1251mV。通電后恒電位儀的“狀態(tài)指示”和“電源指示”燈亮，恒電位儀報警消失，恒電位儀的“輸出電壓”、“輸出電流”和“電位測量”顯示數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，測試樁電位的測量數(shù)據(jù)也在正常范圍內(nèi)。恒電位儀顯示數(shù)據(jù)與測試樁電位測試數(shù)據(jù)見表1。
表1 恒電位儀顯示數(shù)據(jù)與測試樁電位測試數(shù)據(jù)
測試樁號
恒電位儀顯示“輸出電壓”/V
恒電位儀顯示“輸出電流”/A
恒電位儀顯示“電位測量”/mV
測試樁測量電位/mV
55
9.8
1.3
-1251
-1251
50
9.0
1.2
-1251
-1190
49
8.8
1.1
-1249
-1189
67
7.8
0.8
-1250
-1179
93
4.8
0.4
-1249
-1157
   24h后再次測試結(jié)果如下：
   a. 2號恒電位儀的“輸出電壓”顯示4.2V，“輸出電流”顯示0.4A，“電位測量”顯示-1250mV。
   b. 測試樁電位測試數(shù)據(jù)見表2。
表2 測試樁電位測試數(shù)據(jù)
測試樁號
測試樁測量電位/mV
67
-1079
60
-1179
55
-1250
50
-1169
49
-1168
25
-1162
1
-1129
    為了測試備用設(shè)備，將2號恒電位儀停機后，開啟備用的1號恒電位儀，1號恒電位儀的“輸出電壓”顯示4.2V，“輸出電流”顯示0.4A，“電位測量”顯示-1250mV。所有數(shù)據(jù)與2號恒電位儀一樣正常顯示。
    最后，用接地電阻測試儀測得設(shè)備接地電阻為6Ω，測得陽極地床電阻為7Ω，接地電阻滿足規(guī)范要求(接地電阻需小于20Ω)。
    至此，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明：55號測試樁后電位下降梯度偏大的問題得以解決，陰極保護系統(tǒng)全部正常投運。
5 結(jié)語
    截至目前，銀川首站-大武口儲備站天然氣管道陰極保護系統(tǒng)運行良好。與此同時，公司又完善了陰極保護管理制度與管道防腐層的檢測手段，做到檢測、上報、分析、維護相統(tǒng)一。強制電流陰極保護在銀川首站-2號截斷閥室天然氣管道的應(yīng)用過程讓我們認識到：管道的陰極保護設(shè)施須與主體工程做到同步施工與同步投運，否則所涉及的隱蔽工程分析與整改難度很大；對管道的檢測應(yīng)采用有效的檢測工具與檢測方法，這將收到事半功倍的效果。
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(本文作者：鄧鐵強 石嘴山市星澤燃氣有限公司 寧夏石嘴山 753000)