深圳市次高壓天然氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)改善研究

摘 要

摘要：分析了深圳市次高壓天然氣管道運(yùn)行現(xiàn)狀以及相關(guān)因素的影響，提出陰極保護(hù)系統(tǒng)改善方案。關(guān)鍵詞：天然氣管道；陰極保護(hù)；改善1 概述 深圳市天然氣利用工程是廣東LNG項(xiàng)目下游
摘要：分析了深圳市次高壓天然氣管道運(yùn)行現(xiàn)狀以及相關(guān)因素的影響，提出陰極保護(hù)系統(tǒng)改善方案。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；陰極保護(hù)；改善
1 概述
    深圳市天然氣利用工程是廣東LNG項(xiàng)目下游的重要配套項(xiàng)目。城市天然氣利用工程主要包括：3座門站、3座LNG調(diào)峰站(梅林、大工業(yè)區(qū)、光明)、4座LNG氣化站、1座天然氣調(diào)度中心、1座高/次高壓調(diào)壓站、38座次高壓/中壓調(diào)壓站、150km高壓管線(設(shè)計(jì)壓力4.0MPa)、225km次高壓管道(設(shè)計(jì)壓力1.6MPa)和2500km中壓管道(設(shè)計(jì)壓力0.3MPa)，85萬用戶，項(xiàng)目總投資約29億元。未來幾年深圳燃?xì)鈱⒃偻顿Y數(shù)十億元建設(shè)西氣東輸二線深圳天然氣利用工程，形成全市高壓、次高壓、中壓天然氣“供氣一張網(wǎng)”，管網(wǎng)年輸氣能力達(dá)80億m3。
    隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展和2011年大運(yùn)會(huì)的到來，深圳市各種市政改造、道路建設(shè)、軌道交通建設(shè)正如火如荼的進(jìn)行，隨之而來的第三方施工破壞、雜散電流影響對(duì)城市燃?xì)夤艿涝斐闪司薮蟮耐{。而且深圳市土壤腐蝕性較強(qiáng)、電阻率較高、變化明顯，物質(zhì)差異和環(huán)境條件差異形成各種宏電池腐蝕。深圳市天然氣管道基本敷設(shè)在人口稠密的四類地區(qū)，管道一旦出現(xiàn)腐蝕穿孔、破裂，不僅會(huì)造成大面積停氣，而且會(huì)引起爆炸、火災(zāi)、人身傷亡等災(zāi)難性事故，造成重大的社會(huì)影響。隨著在建的次高壓、高壓天然氣管道陸續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行，管線遍布全市，影響的范圍更大。雖然相對(duì)于長輸管道，城市燃?xì)鈮毫Σ桓撸捎诠芫€路由復(fù)雜、經(jīng)過的地區(qū)人口稠密、城市干擾影響因素多等原因，管理難度更高、發(fā)生事故造成的后果也更嚴(yán)重。因此采取切實(shí)可靠的防腐措施，持續(xù)改善，加強(qiáng)維護(hù)和管理，確保陰極保護(hù)系統(tǒng)有效運(yùn)行，對(duì)安全穩(wěn)定供氣具有十分重要的意義。
2 次高壓天然氣管道陰極保護(hù)現(xiàn)狀和存在的問題
    深圳市已運(yùn)行次高壓天然氣管道約120公里，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，材質(zhì)為X52，管徑分別為DN300、DN400和DN500，管道外防腐涂層采用加強(qiáng)；圾3PE防腐層。陰極保護(hù)為犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)，每隔250米安裝一對(duì)14公斤的鎂合金陽極，市政路段采用檢測(cè)井、山地路段采用檢測(cè)樁與管道相連，總共有檢測(cè)樁/井419個(gè)。經(jīng)過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用參比電極測(cè)試管線的通電電位，比-0.85v正的檢測(cè)樁/井占33%；采用極化探頭測(cè)試管道的斷電電位，比-0.85v正的檢測(cè)樁/井占45%，說明很多地段管道沒有達(dá)到陰極保護(hù)要求，如果管道有防腐層破損，存在腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)，需要盡快整改。
2.1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)問題
   通過調(diào)查，深圳關(guān)外地區(qū)中西段平均315Ω·m，中段平均387Ω·m，東段平均803Ω·m。市區(qū)內(nèi)平均180Ω·m、農(nóng)田、河流、水塘位置電阻率平均30Ω·m，丘陵、山體地帶電阻率平均大于1000Ω·m，工業(yè)區(qū)、丘陵山體過渡地帶介于100～1000Ω·m之間。因此在高土壤電阻率地區(qū)，采用等間距、統(tǒng)一規(guī)格設(shè)置犧牲陽極的保護(hù)方式值得商榷(犧牲陽極通常用于低電阻率土壤中)。而且設(shè)計(jì)中也未詳細(xì)調(diào)查沿線雜散電流影響，對(duì)于特殊地段當(dāng)然管線設(shè)計(jì)時(shí)無法得知管線實(shí)際運(yùn)行的狀況，但應(yīng)根據(jù)經(jīng)過地區(qū)情況區(qū)別對(duì)待，對(duì)其它已存在的可能影響管道的設(shè)施采取一定的解決措施。
2.2 施工質(zhì)量
    經(jīng)過檢測(cè)，對(duì)異常點(diǎn)開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)施工存在質(zhì)量問題。如管道直接連陽極(未設(shè)檢測(cè)樁，無法檢測(cè))、電纜包封不嚴(yán)、破損產(chǎn)生漏電、電纜與管道焊接處防腐不好、陽極數(shù)量不足、接線錯(cuò)誤等問題影響陰保效果，造成陽極消耗快，達(dá)不到保護(hù)要求。
2.4 與其他管道并行段干擾
    由于部分路段次高壓天然氣管道與上游LNG管道和成品油管道并行(采用外加電流陰極保護(hù))，為了判斷LNG管線對(duì)次高壓管線的影響，技術(shù)人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，主要包括：LNG管線的保護(hù)電位、次高壓管線保護(hù)電位，并在LNG管線平湖門站陰極保護(hù)站恒電位儀開10分鐘一停10分鐘一開10分鐘共30分鐘的時(shí)間段內(nèi)，用記錄儀檢測(cè)了次高壓管線的陰極保護(hù)電位波動(dòng)情況。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，LNG管線和次高壓管線閉路電位都不穩(wěn)，波動(dòng)較大。
 

    由于LNG管線采用的外加電流地床，由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平湖門站恒電位儀停止工作的情況下，次高壓保護(hù)電位測(cè)試數(shù)據(jù)整體朝正方向移動(dòng)。說明LNG管線外加電流系統(tǒng)工作時(shí)，次高壓管線吸收了輔助地床發(fā)射的電流，吸收的電流會(huì)在某些地方流回到LNG管線中去，造成次高壓管線的腐蝕和電位波動(dòng)。
 

2.5 雜散電流影響
    雜散電流是指在大地中流動(dòng)的設(shè)計(jì)之外的電流，如電氣化鐵路，各種供用電設(shè)備接地等漏散的電流均可視為雜散電流。這種電流能對(duì)地下金屬管道產(chǎn)生腐蝕破壞作用。雜散電流分為直流雜散電流和交流雜散電流兩種。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在與高壓線并行的市政走廊段，有三處的管道交流電壓超過6V，此處交流干擾超標(biāo)(參考德國DIN標(biāo)準(zhǔn))。標(biāo)準(zhǔn)的鎂合金陽極的開路電位應(yīng)在-1.57～-1.67之間，但隨管道的運(yùn)行和犧牲陽極發(fā)生消耗，陽極開路電位會(huì)發(fā)生電位變化。對(duì)在特區(qū)外次高壓管線170個(gè)陽極的電位、電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分陽極電位偏低和電流輸出異常，其中有22個(gè)陽極開路電位高于-1.4v，通過對(duì)2處陽極進(jìn)行了開挖驗(yàn)證，證明了陽極因?yàn)殡s散電流的影響達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命。
2.6 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
    傳統(tǒng)的保護(hù)電位測(cè)試方法，為國內(nèi)最為常用的測(cè)試方法，但有非常大的局限性，受到雜散電流影響后，沒有辦法準(zhǔn)確測(cè)試，無法去除IR降的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試分析與比較，最終確定定采用極化探頭法，為檢測(cè)管道陰極保護(hù)真實(shí)極化電位提供了較理想的手段，與其它測(cè)量方法相比能最大程度的消除IR降，在高電阻率土壤和有雜散電流干擾的情況下可以測(cè)到最接近真實(shí)值的陰極保護(hù)極化電位。
    根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缆竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》CJJ95-2003，陰極保護(hù)系統(tǒng)的判據(jù)(等同與美國NACE標(biāo)準(zhǔn))如下：
    ① 施加陰極保護(hù)后的極化電位至少應(yīng)達(dá)到-850mV(CSE)或更負(fù)；
    ② 采用斷電法測(cè)得的極化電位應(yīng)達(dá)到-850mV(CSE)或更負(fù)；
    ③ 在極化形成或衰減時(shí)的陰極極化值應(yīng)不小于100mV；
    ④ 存在細(xì)菌腐蝕時(shí)，通電保護(hù)電位值負(fù)于或等于-950mV(CSE)；
    ⑤ 在沙漠地區(qū)，通電保護(hù)電位值負(fù)于或等于-750mV(CSE)
3 次高壓天然氣管道陰極保護(hù)改善方案
3.1 線路陰極保護(hù)設(shè)施完整性改造
    通過整改和增設(shè)陰保設(shè)施，實(shí)現(xiàn)陰保系統(tǒng)設(shè)施、數(shù)據(jù)的完整性建設(shè)，為陰保系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障。
    主要工作內(nèi)容簡(jiǎn)述：
    ① 土壤環(huán)境分析
    a. 干擾段土壤電阻率測(cè)試；
    b. 干擾段PH值調(diào)查、土壤環(huán)境理化分析。
    ② 陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施完善
    a. 陰保系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、維修整改；
    b. 統(tǒng)一檢測(cè)樁/井接線標(biāo)準(zhǔn)；
    c. 檢測(cè)樁外表面除銹防腐、統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)；
    d. 與上游LNG、成品油管線并行段測(cè)試樁埋設(shè)；
   e. 長效極化探頭埋設(shè)；
   f. 建立陽極壽命檔案，定期維護(hù)、維修，確保陰極保護(hù)系統(tǒng)有效運(yùn)行；
    g. 檢測(cè)樁/井信息、檢測(cè)數(shù)據(jù)錄入到GIS中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理。
3.2 閥室陰極保護(hù)系統(tǒng)改造
    針對(duì)運(yùn)行次高壓管道的28座閥室加裝陰保系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閥體防腐蝕保護(hù)。
    主要工作內(nèi)容簡(jiǎn)述：
    ① 閥室兩側(cè)絕緣接頭設(shè)置接地電池保護(hù)
    埋地絕緣接頭處設(shè)置接地電池，提供一個(gè)低電阻通道，排放強(qiáng)電電流，但又不泄漏陰極保護(hù)電流，接地電池由并行靠近的2支鋅合金犧牲陽極棒組成，中間用絕緣墊塊隔開，然后一起裝在裝有填包料的棉布袋中，通過引出電纜焊接在絕緣裝置的兩側(cè)，以防止強(qiáng)電沖擊引起的損壞。鋅合金棒的規(guī)格為：40×40×1000mm。
    ② 地上放散管絕緣接頭加裝火花隙排流措施
    地上放散管絕緣接頭設(shè)置半導(dǎo)體保護(hù)器裝置，阻止低電壓的陰極保護(hù)電流流失，同時(shí)可在高電壓脈沖和感應(yīng)交流電的情況下及時(shí)防護(hù)設(shè)備和人員的損傷，這種裝置不涉及腐蝕性電解液，通流容量大殘壓值低，具有防水、防爆功能，適用于不同環(huán)境的安裝，維護(hù)要求低。
    ③ 增設(shè)陽極，保護(hù)閥體防腐蝕
    原閥體并未納入全線陰極保護(hù)范圍，而閥體處在同一腐蝕環(huán)境中，須增設(shè)保護(hù)措施。采取每處閥體設(shè)置一支14kg鎂合金的陰極保護(hù)措施。在閥體兩個(gè)絕緣接頭外側(cè)各增設(shè)一組2×25kg鋅合金陽極保護(hù)組，作為分區(qū)保護(hù)后排流措施，陽極組導(dǎo)線加裝排流節(jié)，只允許電流單向流動(dòng)。
   ④ 設(shè)置測(cè)試樁
   測(cè)試樁設(shè)置于閥室內(nèi)，專門定制。測(cè)試功能包括：絕緣接頭絕緣性能、接地電池性能、閥體保護(hù)陽極組指標(biāo)、兩側(cè)排流組工作指標(biāo)。
   ⑤ 閥室絕緣接頭跨接部分的改造
   斷開閥室兩絕緣接頭外側(cè)跨接電纜，使管道分段隔離、閥室兩端管道分區(qū)保護(hù)，以限制雜散電流干擾強(qiáng)度和范圍，增加管地電阻，避免雜散電流大范圍跨區(qū)流動(dòng)。根據(jù)犧牲陽極的設(shè)置以及陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，在取消跨接后，對(duì)有需要的管段進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)整，以確保管線維持在完好的保護(hù)狀態(tài)。
3.3 高壓電塔旁次高壓管線安裝耦合器保護(hù)
    現(xiàn)運(yùn)行管線距離高壓電塔最近的距離約5米，如果電塔出現(xiàn)故障電流，將嚴(yán)重威脅管線的運(yùn)行安全(美國有相關(guān)的案例)。因此，在管線距離電塔接地線50米范圍內(nèi)，對(duì)管道加裝固態(tài)耦合器，實(shí)現(xiàn)故障電流保護(hù)。
3.4 干擾段管線雜散電流的排流
    對(duì)兩閥室間管道(通常為5公里)分段進(jìn)行排流，針對(duì)不同的干擾源的種類，交流、直流干擾的類型，采用多種排流方式，有效實(shí)現(xiàn)雜散電流排流，控制干擾電流，防止管線腐蝕。
3.5 與其他管道、軌道交通并行段的聯(lián)合保護(hù)
   與次高壓管道交叉和平行的其他管道(特別是其它采用外加電流的陰極保護(hù)管道)和電氣化鐵路、地鐵協(xié)商，進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)和系統(tǒng)的排流。
3.6 安裝陰極保護(hù)在線監(jiān)控系統(tǒng)
    安裝陰極保護(hù)在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控陰保運(yùn)行狀況，評(píng)估管線的保護(hù)狀態(tài)，記錄、分析運(yùn)行參數(shù)，為排流工作提供數(shù)據(jù)支持。在線陰極保護(hù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為了嚴(yán)密監(jiān)測(cè)地下管道腐蝕保護(hù)狀況的系統(tǒng)。在燃?xì)夤艿姥鼐€的野外監(jiān)測(cè)點(diǎn)裝數(shù)據(jù)采集器，實(shí)時(shí)采集該處與腐蝕保護(hù)狀況相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過SCAD系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)，遙測(cè)各站測(cè)試樁點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并集中進(jìn)行處理，同時(shí)采用友好的人機(jī)界面，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖表直觀方便，從而達(dá)到最佳的陰極保護(hù)管理效果，使管道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化設(shè)備信息管理，達(dá)到長期安全運(yùn)行的目的。
3.7 依托GIS系統(tǒng)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行完整性管理
   將全線陰極保護(hù)檢測(cè)樁/井根據(jù)座標(biāo)錄入GIS系統(tǒng)，建立靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的設(shè)備檔案進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，對(duì)定期的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分類、趨勢(shì)分析，及時(shí)全面了解掌握管道陰極保護(hù)狀況。
4 結(jié)論
    對(duì)于城市天然氣管道，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮所處環(huán)境和雜散電流的影響，選擇合理的陰極保護(hù)力案，加強(qiáng)施工質(zhì)量的管理。依托先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)開展管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的完整性管理，加強(qiáng)管道的檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，對(duì)管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)的改善，控制管道的腐蝕，保障長期穩(wěn)定的供氣。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：王晨 安成名 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東深圳 518055)