提高站场区域阴极保护效果实践与认知

陈　波　李　果　林　涛　嵇　翔　杨甲强　谭新平

1. 中国石油塔里木油田公司塔里木能源分公司,　新疆　库尔勒　841000; 2. 中国石油塔里木油田公司塔中油气开发部,　新疆　库尔勒　841000

0　前言

目前,金属油气管网面临的腐蚀风险不断增加,引起了油气管道管理者的广泛重视,在管道腐蚀控制方面,阴极保护技术发挥着越来越重要的作用。阴极保护技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流,使其产生阴极极化保护,当金属的电位负于某一电位时,腐蚀过程就会得到有效抑制[1]。站场阴极保护技术在石油系统已经全面推广,已建站场也逐步增加了站场区域阴极保护,并取得了显著的防护效果与经济效益[2-3]。阴极保护工程是一个集设计、施工、运营为一体的系统工程,任何环节出现问题,都会造成保护系统瘫痪[4]。

1　接地系统造成阴极保护电流损耗

阴极保护总电流主要由土壤电阻率、含氧量、被保护设施防腐层形式以及设备接地方式等因素共同决定[5]。哈四联合站建站初期未考虑扁钢、角钢组成的全裸接地网对阴保系统的影响,导致保护电流大量漏失,造成部分恒电位仪超负荷运行(保持恒电流输出状态),恒电位仪仅起到类似整流器极化电源的作用,恒电位功能得不到发挥,设备处于欠保护状态。后期将原扁钢接地改造为锌合金接地极,共计45处90支锌合金阳极[6],采用锌合金等具有比管道电位更负电位的金属材料接地,石油沥青防腐,有效阻止了保护电流流失,可以起到阴极保护和防雷接地的双重作用[7-8],保护效果有所转好。这说明阴极保护设计过程中,需要根据保护对象具体情况,合理确定阴极保护电流总量,防止恒电位仪输出电流裕量过大或过小,造成设备浪费或超功率损坏以及阳极生命周期缩短。

2　牺牲阳极与外加电流协同保护方案

3　加强施工质量监督与工程验收

虽然阴极保护系统方案、参数设计好坏与否是关键,但阴极保护作为一个系统工程,本身组成部件较多,并且大多数埋于地下,如参比电极、连接电缆、绝缘法兰等,其中任何一个部位存在施工或质量问题,都会影响整个系统的防腐效果,造成系统保护电位异常,甚至系统瘫痪。

3.1　长效参比电极现场校准不到位

预埋长效参比电极质量问题及工程施工质量差,均会造成输出电位异常,导致恒电位仪无法正常工作。如哈四联合站阴极保护系统建设过程中,未对长效参比电极进行校准与准确性确认。后期阴极保护系统大检查时,发现两处恒电位仪参比电极过早损坏,硫酸铜大量溢出,导致电位漂移过大,出现恒电位仪超负荷运行情况。通过测量发现,其它长效硫酸铜参比电极测出来的电位值同样存在不同程度的“正负漂移”现象,最大偏差达150 mV。参比电极提供假信号会使恒电位仪运行异常,存在被保护设施发生阴极剥离、恒电位仪过流损坏风险。

3.2　电缆施工与设计不符影响调试

均压线、阴阳极通电线等连接电缆是阴极保护系统信号和电流的传输纽带。如果各连接电缆出现施工问题或者实际连接点与设计图纸不相符合,会给站内调试、电位均衡带来不确定因素,无法调节保护电位,甚至出现“南辕北辙”的结果。如哈四联合站早期3#与4#两台恒电位仪,与原来设计保护对象的深井阳极正好接反,当调大3#恒电位仪的输出电流时,实际上3#恒电位仪所辖的保护对象保护电流并未增大,造成受4#恒电位仪保护的设备保护电位过负,最低时达到-1.53 V,极易诱发管线钢的氢脆和防腐层的阴极剥离。与此类似,在哈四联合站后期阴极保护系统大调查中先后发现6处均压线搭接点、阴极通电点的绝缘处理不合格以及搭接点位置与相关设计不符,造成阴极电流损失严重,保护区域交叉,不符合阳极井与阴保区域就近保护的原则,恒电位仪做功大小相差甚远,调节不便。出现这种错误的关键在于施工时各环节没衔接好，且缺乏必要的检查。

3.3　绝缘法兰绝缘性能差造成系统干扰

目前输气管网中大多采用绝缘接头装置来实现电绝缘,以达到提高管道阴极保护效率和隔断杂散电流干扰的目的。作为阴极保护系统抗干扰设计的关键设备之一,绝缘接头质量的优劣直接决定相关阴极保护系统的稳定性[11]。对站内13处绝缘法兰进行绝缘性能测试,发现11处绝缘法兰的2个法兰片均处于导通状态,绝缘法兰两侧的电位很接近,绝缘性能差。绝缘法兰性能差,造成阴极保护电流的散失,给站内阴极保护电位达标增加难度。多处绝缘法兰在短时间内同时失去良好绝缘性能,说明绝缘法兰本身存在严重质量问题。这一教训提示我们,需要重视每一个环节,严格抽检。

阴极保护是一个系统工程,保护效果的好坏不仅与工艺方案有关,与施工质量也存在密切关系,一定要严把施工质量关,对已建站场宜采用分步施工、分步投运的方法。施工过程中,每道工序检验合格后方可进行下一道工序,将质量隐患最大限度地消除在建设期间,从源头消除施工质量问题,避免回填后调试期间出现问题而疲于整改。

4　流程改造影响阴极保护稳定运行

根据工艺生产需要,常对相关流程进行搭接改造。管线的搭接经常会使本该独立的两个或多个阴极保护系统实现电流上的连通,造成互相干扰。需对系统进行全面测试才能确定干扰程度及是否需要添加绝缘法兰,并根据测试结果进行相关调整。如哈四联合站根据油田生产需要,将万方罐改造为水罐使用,使万方罐水出口管线直接与污水汇管连接。改造完毕后对系统进行全面的电位测试,发现万方罐区域保护电位过负,某些点电位低至-1.5 V左右,控制万方罐区域的恒电位仪输出仅为1 A,而污水保护系统恒电位仪电流较以往增加10 A。通过分析可知,万方罐水出口管线直接与污水汇管连接,造成阴极系统的互相干扰,最后在连接点加装绝缘法兰,电位恢复正常。

5　高电阻降IR影响保护电位评价

阴极保护电位测量中的电阻降IR会影响电位测量结果,测得的电位包括电流流过金属和土壤时产生的电阻降IR,且IR降有的几十甚至高达几百毫伏,难以准确判断管道的欠保护或过保护情况[12-13]。对哈四联合站的电阻率进行选点测试,共选取26个测量点,平均电阻率达到43.1 Ω·m,部分测量点电阻率甚至超高至188 Ω·m。高电阻降IR给管线保护电位的准确测量带来麻烦。如哈一联合站至哈四联合站的原油输送管线,沿线7个测试桩保护电位一直介于-2 290～-2 370 mV(CSE)之间。为分析电位过负是由外界电流干扰引起还是测试方式不妥造成,特委托北京安科管道工程科技有限公司对该管线7#测试桩进行近参比断电测试,发现7#测试桩的实际电位为-1 180 mV,尚在SY/T 6964-2013 《石油天然气站场阴极保护技术规范》的允许范围内[14];而用常规的便携式参比电极直接测量,其值为-2 290 mV。以上误差均由沙土过干、电阻率过大,造成测量中的电阻降IR过大所致,针对电阻率过高的盐渍土环境,需要充分考虑土壤高电阻率对便携式参比电极测量带来的测量误差。系统最初设计时,尽可能采用埋地长效硫酸铜参比电极,减少各个监测点的测量误差,从而合理调整恒电位仪的电流输出,尽量防止管道出现欠保护工况。

6　加强后期运营维护及故障处理

与管道干线阴极保护相比,区域阴极保护回路复杂,需经过反复调试,后期应分区域、分装置、分设备进行调整[15-16],后期的管理维护是阴极保护系统平稳运行的保障。哈四联合站一期工程初期投运保护效果不是太好,加上后期的运行维护不到位、不够重视,运行工况进一步恶化,造成系统瘫痪,完全无法正常使用。哈四联合站不断总结运行维护经验,制定并实施阴极保护管理技术规程,对保护电位、绝缘法兰、土壤电阻率、接地电阻进行周期性检测,及时调整阴极保护系统保护电位,发现需维护特殊管段、识别防护层破损情况。哈四联合站通过严格执行技术规程,及时发现并处理4处欠保护点、更换绝缘法兰1对以及处理恒电位故障3次,为设备全面保护提供了有力保障。

另外,当参比电极处于沙漠、戈壁、荒滩等土壤干燥环境时,其参比电极内溶液中的水分易流失,溶液干涸,硫酸铜结晶,内部无电解液,无法形成电极,造成长效参比电极的作用失效[17]。失效参比电极会导致恒电位仪的反馈保护电位信号大幅度波动,使得恒电位仪过多出力,或者功能失效。哈四联合站采取给长效参比电极定期通灌水的方式合理解决此类问题。

通过以上措施,哈四联合站阴极保护效果得到实质

表1哈四联测试点腐蚀电位与保护电位测量结果

单位:V

7　结论

1)合理确定保护电流密度等相关设计参数,制定具有针对性的阴极保护方案消除屏蔽效应是建设经济高效的站场区域阴极保护系统的基础。

2)严格按标准规范的技术要求进行工程施工,确保施工质量,减少质量隐患,控制阴极保护系统施工质量是提高后期系统调试、运行效果的关键所在。

3)站场工艺流程改造会对阴极保护系统造成潜在威胁,工艺流程的设计改造必须与阴极保护系统同时分析、同时施工、同时投运,减少系统的干扰与后期再次改造的困难。

4)对于土壤电阻率较高的干燥地区,通电电位测量中包含了高土壤电阻降IR,阴极保护系统保护效果的测试分析过程中,应消除高土壤电阻降IR的影响,以此获得真实的测试数据,便于获得准确可信的保护效果评价结果。

5)对阴极保护系统相关参数进行检测、跟踪与分析,及时判断阴极保护系统的运转状况,并采取合理的调整与故障处理措施,后期的精心运行维护为阴极保护系统的全面达标运行提供有力保障,保持系统平稳运行。

6)哈四联阴极保护系统遇到的问题,是站场区域阴极保护系统的普遍问题,其解决方案可为同行提供借鉴。