王喜權(quán) 萇鵬 李江寧 孫俊偉 齊文海

北京管道內(nèi)蒙古輸油氣分公司

摘要：壓氣站場(chǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)陽極地床故障是影響陰極保護(hù)有效性的常見問題之一。通過排查測(cè)試，發(fā)現(xiàn)輔助陽極地床失效原因主要包括施工質(zhì)量不佳或地面沉降等造成的埋地陽極線纜與陽極連接點(diǎn)虛接或斷線、陽極線纜破損腐蝕等。提出了故障整治方案，為相關(guān)陰極保護(hù)管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：埋地管道；陰極保護(hù)；恒電位儀；陽極地床

某壓氣站場(chǎng)1#恒電位儀由3路MMO/Ti柔性陽極和1路分布式淺埋高硅鑄鐵陽極組成，主要負(fù)責(zé)保護(hù)過濾分離區(qū)、壓縮機(jī)進(jìn)出口匯管區(qū)和其他埋地附屬設(shè)施等；2#恒電位儀由1路柔性陽極、1路分布式淺埋高硅鑄鐵陽極、1路深井陽極組成，主要負(fù)責(zé)保護(hù)站場(chǎng)工藝區(qū)、放空區(qū)和分離區(qū)埋地管道；站場(chǎng)所有輔助陽極接入陽極匯流箱，統(tǒng)一接入機(jī)柜間恒電位儀。運(yùn)行中1#恒電位儀報(bào)警，經(jīng)查看設(shè)備運(yùn)行參數(shù)異常。通過現(xiàn)場(chǎng)恒電位儀檢查調(diào)試、陽極地床檢測(cè)等，分析故障原因?yàn)殛枠O地床失效。輔助陽極一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致恒電位儀輸出異常，埋地管道和鋼結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施陰極保護(hù)出現(xiàn)欠保護(hù)，需采取整治措施。

1  現(xiàn)場(chǎng)排查及測(cè)試分析

1.1  恒電位儀檢查測(cè)試

恒電位儀為恒流方式運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)檢查測(cè)試結(jié)果如下。

（1）從運(yùn)行參數(shù)看，1#恒電位儀第2回路電位﹣0.869 V，輸出電流6.96 A，預(yù)置電流10 A，輸出電壓52.4 V，運(yùn)行異常。其他3個(gè)回路運(yùn)行正常。

（2）從1#恒電位儀第2回路的陰極線、零位線、參比電極線測(cè)量結(jié)果看，陰極線、零位線管道電位均為﹣0.81V；陰極、零位間電阻為0.58 Ω；參比電極校準(zhǔn)在正常允許范圍內(nèi)。說明陰極線、零位線、參比電極均處于正常狀態(tài)。

（3）1#恒電位儀各回路陰極、陽極接地電阻測(cè)試結(jié)果見表 1。可以看出，第2回路陽極接地電阻較大。其他回路運(yùn)行正常。

表 1 1#恒電位儀陰極、陽極接地電阻測(cè)試結(jié)果

（4）1#恒電位儀輸出調(diào)試記錄見表 2。可以看出，增大第2回路輸出電流設(shè)置，通電電位無明顯增高，表明陰極保護(hù)輸出回路出現(xiàn)故障。嘗試將第1回路陽極、陰極、零位、參比線纜接入第2回路，該路設(shè)備運(yùn)行正常。再切換第2回路接回第1回路，出現(xiàn)與第2回路相同的異常運(yùn)行情況。考慮到陰極測(cè)試結(jié)果無異常，說明故障發(fā)生在陽極或陽極線纜。

表 2 1#恒電位儀第2回路運(yùn)行參數(shù)調(diào)試記錄

1.2  陽極地床接地電阻測(cè)試

在匯流箱處對(duì)站內(nèi)每個(gè)支路陽極接地電阻進(jìn)行詳測(cè)，結(jié)果見表 3。可以看出，現(xiàn)場(chǎng)2#支路陽極存在多處斷點(diǎn)，結(jié)合恒電位儀輸出數(shù)據(jù)分析，輔助陽極僅一小部分與電源連接起到提供電流作用。

表 3 1#恒電位儀陽極地床接地電阻測(cè)試結(jié)果

1.3  陰極保護(hù)電位測(cè)試

壓氣站壓縮機(jī)進(jìn)出口匯管區(qū)域的管道電位測(cè)試結(jié)果見表 4，該區(qū)域埋地管道及其附屬設(shè)施電位明顯偏正，處于欠保護(hù)狀態(tài)。如圖 1所示。

表 4 壓縮機(jī)區(qū)管道通電電位測(cè)試結(jié)果

圖 1 壓縮機(jī)進(jìn)出口埋地管道欠保護(hù)區(qū)域示例

1.4  陽極故障趨勢(shì)分析

通過查看遠(yuǎn)程陰極保護(hù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析現(xiàn)場(chǎng)陽極異常變化趨勢(shì)。圖 2為1#恒電位儀運(yùn)行曲線圖，預(yù)置電流10 A，正常運(yùn)行時(shí)回路電阻3 Ω，輸出電壓15 V，4月20日發(fā)生異常時(shí)輸出電壓超限，輸出電流7 A，回路電阻35 Ω。表明系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果相吻合。

圖 2 2022-04-01～ 04-20 1#恒電位儀運(yùn)行曲線圖

2  陽極失效原因分析

2.1  陽極失效原因分析

該壓氣站所用柔性陽極為鈦基混合金屬氧化物（MMO/Ti），由MMO/Ti陽極芯絲、并行銅芯雙絕緣層電纜、專用高電導(dǎo)率焦炭、包裹耐酸織物和外部機(jī)械編織保護(hù)網(wǎng)格層五部分組成（圖 3）。形似較粗的電纜，可靈活彎折，電流分布均勻，不存在密集管網(wǎng)屏蔽問題，在土壤電阻率較大時(shí)依舊能夠有效保護(hù)管道，對(duì)站外陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾小。但其對(duì)施工質(zhì)量和自身安全保護(hù)措施要求較高[1]。

圖 3 MMO/Ti柔性陽極結(jié)構(gòu)示意圖

查看2021年1月至2022年4月初恒電位儀運(yùn)行數(shù)據(jù)，2#柔性陽極的回路電阻由0.8 Ω緩慢升高至1.5 Ω，電阻變化范圍較小。期間陽極地床區(qū)域無施工作業(yè)，可知故障不是由第三方施工導(dǎo)致。分析失效原因包括以下幾個(gè)方面。

（1）陽極地床敷設(shè)施工或開挖時(shí)不合理操作，可能導(dǎo)致陽極絲斷裂，造成部分陽極失效。

（2）柔性陽極及其電纜節(jié)點(diǎn)連接不規(guī)范，密封不嚴(yán)密，不能有效隔離水氣滲入，增加陽極及其電纜腐蝕斷線風(fēng)險(xiǎn)。

（3）有關(guān)鈦基MMO陽極擊穿電壓與恒電位儀輸出電壓及環(huán)境電阻率的關(guān)系目前沒有相關(guān)研究成果，陽極被擊穿失效原因尚不清楚。

（4）壓氣站地處鹽堿地土壤環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率為4 Ω。經(jīng)對(duì)局部柔性陽極開挖并進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)（圖 4），發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部銅芯發(fā)生輕微氧化可見銅銹，外層聚氯乙烯護(hù)套變黃硬化；柔性陽極周邊0.3 m范圍土壤呈黃色pH值4～5，其他區(qū)域土壤正常pH值7～8偏中性。出現(xiàn)銅銹說明陽極電纜絕緣出現(xiàn)問題，在堿性土壤環(huán)境中發(fā)生析氧和析氯反應(yīng)導(dǎo)致土壤呈酸性，侵蝕銅芯雙絕緣層電纜。

圖 4 MMO/Ti柔性陽極破壞性檢查示例

2.2  壓縮機(jī)區(qū)陽極失效風(fēng)險(xiǎn)

壓氣站壓縮機(jī)區(qū)出口管道運(yùn)行壓力和溫度高，管體材料強(qiáng)度等級(jí)高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近90％的應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在壓氣站下游溫度最高區(qū)段[2]。當(dāng)該區(qū)域埋地設(shè)施陰極保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，埋地管道出口管段發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性會(huì)更高。一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，存在天然氣泄漏、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

3  故障整治思路及效果

2#支路柔性陽極分布于壓縮機(jī)進(jìn)出口匯管區(qū)域，在此新增一定數(shù)量分布式高硅鑄鐵陽極，同時(shí)開挖陽極坑找出原有柔性陽極加以利用，所有陽極線纜統(tǒng)一接到陽極匯流箱。整治后，原壓縮機(jī)進(jìn)出口匯管區(qū)欠保護(hù)情況得到明顯改善，經(jīng)測(cè)量管地電位達(dá)標(biāo)。

4  結(jié)論

壓氣站區(qū)域陰極保護(hù)陽極地床故障的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)埋地柔性陽極地床出現(xiàn)多處斷點(diǎn)，造成回路接地電阻較大，導(dǎo)致恒電位儀設(shè)備無法正常輸出。柔性陽極位于鹽堿土壤環(huán)境時(shí)發(fā)生析氧、析氯反應(yīng)，生成酸性產(chǎn)物；現(xiàn)場(chǎng)柔性陽極電纜耐氯性能差，遭受酸性侵蝕使其結(jié)構(gòu)老化變黃且硬化。針對(duì)MMO/Ti柔性陽極運(yùn)維管理提出三點(diǎn)建議。

（1）敷設(shè)前嚴(yán)格檢查陽極及其電纜外觀、電纜與陽極節(jié)點(diǎn)防腐質(zhì)量，按規(guī)范安裝，回填時(shí)做好與其他埋地構(gòu)筑物的隔離保護(hù)，并選用細(xì)土[3]。

（2）針對(duì)含氯離子的土壤環(huán)境選用耐氯離子老化的電纜材料。

（3）后續(xù)應(yīng)開展MMO/Ti柔性陽極擊穿電壓與恒電位儀輸出電壓及環(huán)境電阻率相關(guān)關(guān)系的研究，以提供更多技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]李振軍，王成，吳錦強(qiáng)，等.油氣管道站場(chǎng)區(qū)域陰保系統(tǒng)陽極地床應(yīng)用對(duì)比分析[J].管道保護(hù)，2021(6)：51-54.

[2]羅匯果.壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理及影響因素分析[J].廣東化工，2017，44(6)：139-141.

[3]程明，屠海波，張平.線性陽極在陽曲壓氣站區(qū)域性陰極保護(hù)中的應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù)，2012，33(4)：338-341.

作者簡(jiǎn)介：王喜權(quán)，1988年生，助理工程師，管道崗三級(jí)工程師，現(xiàn)從事管道本體安全、第三方施工、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面工作。聯(lián)系方式：15242322014，1294846132@qq.com。