输气管道阴极保护投运的若干问题与解决措施

摘 要

摘要：介绍了强制电流阴极保护在石嘴山市天然气输气管道的应用及投运中的若干实际问题，分析了问题产生的原因，提出了解决措施，运行效果良好。关键词：阴极保护；强制电流；防腐层检测；投
摘要：介绍了强制电流阴极保护在石嘴山市天然气输气管道的应用及投运中的若干实际问题，分析了问题产生的原因，提出了解决措施，运行效果良好。
关键词：阴极保护；强制电流；防腐层检测；投产运行
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
    由于管道的外防腐层会在生产、运输、施工等过程中产生针孔，受到损伤，因此不可能将管道完全与腐蚀环境隔离，从而加速针孔和损伤处管体的腐蚀，引起管道的腐蚀穿孔[1]。阴极保护的作用是保护针孔和损伤处的管体不受到腐蚀，是外防腐层的有效补充[2]。因此，为保证管道安全可靠地运行，按照规范的要求对输气管道全线实施阴极保护[3]。
1 工程概况
   石嘴山市天然气工程管道(简称银-大天然气管道)起点为银川的银川首站，在大武口区和平罗县分别设分输站，末站设在惠农区的煤气厂。该管道全长150.23km，管道规格分别为DN 350、300、200mm，设计年输气能力为6×108m3/a。该管道距离较长，采用强制电流阴极保护。银-大天然气工程管道概况见图1。

    全线在2号截断阀室、大武口储备站、惠农末站设置3座阴极保护站保护全线管道，由于大武口储配站内阴极保护站的保护范围可辐射至平罗储配站，因此平罗储配站内不设阴极保护站。大武口储配站和惠农末站使用的阴极保护设备均是1台CBZ-1控制台带2台PS-1恒电位仪(恒电位仪为1用1备)，站区内均在距银-大天然气管道水平距离约100m处设置1组阳极地床，均在进出站管道上安装绝缘接头。2号截断阀室使用的阴极保护设备是1台HDV-4D控制台带2台1OA/36V HDV-4E恒电位仪(恒电位仪为1用1备)，在距银-大天然气管道水平距离约100m处设置1组阳极地床，在放空管埋地部分安装绝缘接头。为防止雷击或感应电压损坏绝缘接头，在绝缘接头上还安装双锌接地电池进行保护。全线共设180个电位测试桩和电流测试桩。
2 投运中的若干问题
    惠农末站-大武口储备站、大武口储备站-2号截断阀室强制电流阴极保护一次投运成功，但在2号截断阀室-银川首站阴极保护投运中出现了一些问题。
2.1 2号截断阀室阴极保护设备不匹配
    因为原考虑采用TEG热电偶燃气发电机提供直流电源，所以我公司订购了1台型号为HDV-4D的控制台，2台型号为10A/36V HDV-4E的恒电位仪。但后期考虑采用220V交流专接线路，原购设备不带交流转直流功能，因而不能使用。
2.2 恒电位仪和电位测试桩数据不正常
    下面先给出关于阴极保护的几个名词定义：
    控制台：阴极保护控制台是恒电位仪的配套产品，应用于强制电流阴极保护系统中，一般连接2台恒电位仪。
    恒电位仪：恒电位仪是在无人值守的条件下，自动调节输出电流和电压，使管道阴极保护通电点电位恒定在控制电位内，达到最佳保护效果的自控整流器。恒电位仪与控制台配套使用进行阴极保护，一般配置2台，1用1备，可以进行手动切换。恒电位仪显示数据有“输出电流”、“输出电压”、“电位测量”。
    输出电流：恒电位仪控制面板显示数据，是指市电经过恒电位仪稳流等措施后输出的供阴极保护负载设备使用的电流。
    输出电压：恒电位仪控制面板显示数据，是指市电经过恒电位仪整形、滤波、稳压等一系列措施后输出的供阴极保护负载设备使用的电压。
    电位测量：恒电位仪控制面板显示数据，是指管道通电点的保护电位。
   测试桩电位：在施加阴极保护的情况下，用饱和硫酸铜参比电极沿管道测试所达到的实际有效保护电位。
   在投运初期存在的具体问题如下：
   ① 截断阀室内2号恒电位仪的“输出电压”显示为95.6V，“输出电流”显示为0A，“电位测量”显示为-307mV。
    ② 50号测试桩电位测量数据为0V。
    ③ 55号测试桩电位测量数据为0V。
2.3 55号测试桩向首站方向电位下降梯度偏大
    当2号阀室内恒电位仪的“输出电压”显示为1.8V，“输出电流”显示为0.5A，“电位测量”显示为-1334mV时，2号阀室旁55号测试桩显示正常，但55号测试桩向银川首站方向电位下降梯度偏大。
    ① 55号测试桩电位测量数据为-1.334V。
    ② 50号测试桩电位测量数据为-0.561V。
    ③ 34号测试桩电位测量数据为-0.598V。
    投运前，55号测试桩自然电位测量数据为-0.57V，50号测试桩自然电位测量数据为-0.55V。
3 对问题的分析
3.1 对2.1节问题的解决方法
    ① 采用热电偶燃气发电机提供直流电源
    由于在施工中为2号截断阀室配置了TEG热电偶燃气发电机，因此考虑投运该发电机。但因为该发电机以燃气为能源，地处偏远地区，一旦投运不易监控，所以最终搁置该方案。
    ② 采用太阳能发电机提供电源
    我市地处宁夏银北地区，年平均日照时间超过3000h，日照充足，具备太阳能发电条件，但造价较高，约75×104元，因此该方案被放弃。
    ③ 采用外接供电系统提供交流电源
    距离2号截断阀室约5km处有供电系统电路经过该地区，经与相关部门联系，可为2号截断阀室提供220V交流电源。为了与电源匹配，需购置1台CBZ-1控制台和2台PS-1恒电位仪。考虑到生产成本，我公司决定采用外接供电系统提供交流电源。由此可以解决燃气发电设备不易监控的难题，而且与采用太阳能发电机提供电源相比也节约了造价。
3.2 对2.2节问题的分析
    对于2.2中恒电位仪的“输出电流”、“电位测量”显示数据不正常和测试桩电位测量数据均不正常的问题，我们再次进入现场进行了分析。经过分析，判断可能是55号测试桩上连接控制台的通电电缆与连接管道的通电电缆断路。
3.3 对2.3节问题的分析
   对于55号测试桩向银川首站方向电位下降梯度偏大的问题，分析产生原因，一种可能是55号测试桩向银川首站方向管道防腐层破裂，向大地漏电；另一种可能是2号截断阀室内控制台接线板上的“参比电极”或“零位接阴”接线出现问题。
4 解决措施
4.1 更换2号截断阀室阴极保护设备
    为了与电源匹配，我公司又购置了1台CBZ-1控制台和2台PS-1恒电位仪。
4.2 55号测试桩重新接线
   我们根据分析结果，对现场接线重新进行了梳理。55号测试桩为2号截断阀室阴极保护站旁的一个电位测试桩，该电位测试桩不同于其他测试桩，它是连接控制台、长效参比电极和管道的中介。控制台输出电流(从控制台的“输出阳极”端)经阳极地床再经土壤到管道，再由管道的通电点经电缆送回控制台的阴极(即控制台的“输出阴极”端)，而管道的通电点与控制台之间的电缆正是由55号测试桩内电路板连接的。该测试桩共连接6条电缆，其接线见图2，电路板左侧3条电缆分别接CBZ-1控制台的“输出阴极”、“参比电极”、“零位接阴”。零位接阴是整个仪器电路的地端，这个“地”必须建立在被保护物上才能实现正确控制，作用是减少导线上的线压降。电路板右侧3条电缆分别接埋地长效参比电极和管道。
   重新连接后，我们将恒电位仪面板上的“电源开关”扳到“工作”档，“工作方式”扳到“自动”，“测量选择”扳到“保护”。经调试后，2号恒电位仪的“输出电压”显示为1.8V，“输出电流”显示为0.5A，“电位测量”显示为-1334mV。“输出电压”、“输出电流”和“电位测量”的显示数据在正常范围内。又测得2号截断阀室旁55号测试桩电位为-1334mV，测量数据与恒电位仪上的“电位测量”显示数据相符，说明数据正常。但55号测试桩向银川首站方向仍出现电位下降梯度偏大的问题。

4.3 电位下降梯度偏大的解决措施
    ① 现场查明管道防腐层是否破裂
    我们利用埋地管道外防腐层状况检测仪(PCM+)对管道防腐层进行了检测。PCM+发射机给出输出电流为1A，在2号截断阀室向大武口储备站方向(即下游方向)每隔30m测得管道电流为530～556mA，在2号截断阀室向银川首站方向(即上游方向)每隔30m测得管道电流为338～369mA。通过埋地管道外防腐层状况检测仪测得的上下游管道电流之和接近1A，说明管道电流基本没有损耗，防腐层完好。
    ② 现场解决控制台和恒电位仪的接线问题
    我们又利用PCM+埋地管道外防腐层状况检测仪在55号测试桩附近沿管道位置测得电流方向指向2号截断阀室，而2号截断阀室下游管道电流方向也指向2号截断阀室。由此可以得出结论：控制台接线板的“输出阴极”与“输出阳极”接反。当将“输出阴极”与“输出阳极”接线倒过来之后，把恒电位仪面板上的“电源开关”扳到“工作”档，“工作方式”扳到“自动”，“测量选择”扳到“保护”时，“状态指示”灯显橙色，并出现报警。1号、2号恒电位仪的“输出电压”显示为2.8V，“输出电流”显示为0.2A，“电位测量”显示为-1112mV，顺时针旋动“输出调节”旋钮至最大时，“电位测量”最大只能调节到-1112mV。原因分析：a.“工作方式”扳到“自动”时，“状态指示”灯显橙色，并出现报警，可能是因为控制台内的二极管出现故障；b.顺时针旋动“输出调节”旋钮至最大时，“电位测量”最大只能调节到-1112mV，可能是因为设备接地电阻或阳极地床电阻过大造成。
    针对以上问题，我们将面板上的“电源开关”保持“工作”档，将“工作方式”保持“自动”，“测量选择”保持“保护”。2号恒电位仪的“输出电压”显示为2.8V，“输出电流”显示为0.2A，“电位测量”显示为-1112mV。用万用表测得控制台接线板上“输出阳极”和“输出阴极”之间电流为5.3A，同时“输出电流”显示也为5.3A。由此可以得出结论：“状态指示”灯显橙色并出现报警以及顺时针旋动“输出调节”旋钮至最大时，“电位测量”最大只能调节到-1112mV，并非控制台内的二极管出现故障，也不是设备接地电阻或阳极地床电阻过大造成，而是恒电位仪后接线板的“参比电极”与“零位接阴”线接反所致。
    于是，将2号恒电位仪停机后，将恒电位仪后接线板的“参比电极”与“零位接阴”接头互换，恒电位仪面板上的“电源开关”扳到“工作”档，“工作方式”保持“自动”，“测量选择”保持“保护”，“电位测量”能调节到最大值-1334mV，逆时针旋动“输出调节”将“电位测量”调节到标准值-1251mV。通电后恒电位仪的“状态指示”和“电源指示”灯亮，恒电位仪报警消失，恒电位仪的“输出电压”、“输出电流”和“电位测量”显示数据在正常范围内，测试桩电位的测量数据也在正常范围内。恒电位仪显示数据与测试桩电位测试数据见表1。
表1 恒电位仪显示数据与测试桩电位测试数据
测试桩号
恒电位仪显示“输出电压”/V
恒电位仪显示“输出电流”/A
恒电位仪显示“电位测量”/mV
测试桩测量电位/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后再次测试结果如下：
   a. 2号恒电位仪的“输出电压”显示4.2V，“输出电流”显示0.4A，“电位测量”显示-1250mV。
   b. 测试桩电位测试数据见表2。
表2 测试桩电位测试数据
测试桩号
测试桩测量电位/mV
67
-1079
60
-1179
55
-1250
50
-1169
49
-1168
25
-1162
1
-1129
    为了测试备用设备，将2号恒电位仪停机后，开启备用的1号恒电位仪，1号恒电位仪的“输出电压”显示4.2V，“输出电流”显示0.4A，“电位测量”显示-1250mV。所有数据与2号恒电位仪一样正常显示。
    最后，用接地电阻测试仪测得设备接地电阻为6Ω，测得阳极地床电阻为7Ω，接地电阻满足规范要求(接地电阻需小于20Ω)。
    至此，现场测试数据表明：55号测试桩后电位下降梯度偏大的问题得以解决，阴极保护系统全部正常投运。
5 结语
    截至目前，银川首站-大武口储备站天然气管道阴极保护系统运行良好。与此同时，公司又完善了阴极保护管理制度与管道防腐层的检测手段，做到检测、上报、分析、维护相统一。强制电流阴极保护在银川首站-2号截断阀室天然气管道的应用过程让我们认识到：管道的阴极保护设施须与主体工程做到同步施工与同步投运，否则所涉及的隐蔽工程分析与整改难度很大；对管道的检测应采用有效的检测工具与检测方法，这将收到事半功倍的效果。
参考文献：
[1] 王亚平，康志刚，孙权，等.埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护设计[J].煤气与热力，2008，28(1)：B13-B17.
[2] 张宗旺，朱万美，李来成，等.阴极保护国家标准与专利技术[J].煤气与热力，2009，29(10)：A33-A36.
[3] 杨义军，李文玉，王芷芳，等.极化探头在埋地钢质管道阴极保护的应用[J].煤气与热力，2010，30(4)：A24-A27.
 
(本文作者：邓铁强 石嘴山市星泽燃气有限公司 宁夏石嘴山 753000)