深圳市次高壓天然氣管道陰極保護系統改善研究

摘 要

摘要：分析了深圳市次高壓天然氣管道運行現狀以及相關因素的影響，提出陰極保護系統改善方案。關鍵詞：天然氣管道；陰極保護；改善1 概述 深圳市天然氣利用工程是廣東LNG項目下游
摘要：分析了深圳市次高壓天然氣管道運行現狀以及相關因素的影響，提出陰極保護系統改善方案。
關鍵詞：天然氣管道；陰極保護；改善
1 概述
    深圳市天然氣利用工程是廣東LNG項目下游的重要配套項目。城市天然氣利用工程主要包括：3座門站、3座LNG調峰站(梅林、大工業區、光明)、4座LNG氣化站、1座天然氣調度中心、1座高/次高壓調壓站、38座次高壓/中壓調壓站、150km高壓管線(設計壓力4.0MPa)、225km次高壓管道(設計壓力1.6MPa)和2500km中壓管道(設計壓力0.3MPa)，85萬用戶，項目總投資約29億元。未來幾年深圳燃氣將再投資數十億元建設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”，管網年輸氣能力達80億m3。
    隨著城市建設的快速發展和2011年大運會的到來，深圳市各種市政改造、道路建設、軌道交通建設正如火如荼的進行，隨之而來的第三方施工破壞、雜散電流影響對城市燃氣管道造成了巨大的威脅。而且深圳市土壤腐蝕性較強、電阻率較高、變化明顯，物質差異和環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在人口稠密的四類地區，管道一旦出現腐蝕穿孔、破裂，不僅會造成大面積停氣，而且會引起爆炸、火災、人身傷亡等災難性事故，造成重大的社會影響。隨著在建的次高壓、高壓天然氣管道陸續投產運行，管線遍布全市，影響的范圍更大。雖然相對于長輸管道，城市燃氣壓力不高，但由于管線路由復雜、經過的地區人口稠密、城市干擾影響因素多等原因，管理難度更高、發生事故造成的后果也更嚴重。因此采取切實可靠的防腐措施，持續改善，加強維護和管理，確保陰極保護系統有效運行，對安全穩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現狀和存在的問題
    深圳市已運行次高壓天然氣管道約120公里，設計壓力1.6MPa，材質為X52，管徑分別為DN300、DN400和DN500，管道外防腐涂層采用加強；圾3PE防腐層。陰極保護為犧牲陽極陰極保護系統，每隔250米安裝一對14公斤的鎂合金陽極，市政路段采用檢測井、山地路段采用檢測樁與管道相連，總共有檢測樁/井419個。經過檢測發現，采用參比電極測試管線的通電電位，比-0.85v正的檢測樁/井占33%；采用極化探頭測試管道的斷電電位，比-0.85v正的檢測樁/井占45%，說明很多地段管道沒有達到陰極保護要求，如果管道有防腐層破損，存在腐蝕穿孔風險，需要盡快整改。
2.1 陰極保護設計問題
   通過調查，深圳關外地區中西段平均315Ω·m，中段平均387Ω·m，東段平均803Ω·m。市區內平均180Ω·m、農田、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，工業區、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，采用等間距、統一規格設置犧牲陽極的保護方式值得商榷(犧牲陽極通常用于低電阻率土壤中)。而且設計中也未詳細調查沿線雜散電流影響，對于特殊地段當然管線設計時無法得知管線實際運行的狀況，但應根據經過地區情況區別對待，對其它已存在的可能影響管道的設施采取一定的解決措施。
2.2 施工質量
    經過檢測，對異常點開挖驗證發現陰極保護系統施工存在質量問題。如管道直接連陽極(未設檢測樁，無法檢測)、電纜包封不嚴、破損產生漏電、電纜與管道焊接處防腐不好、陽極數量不足、接線錯誤等問題影響陰保效果，造成陽極消耗快，達不到保護要求。
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)，為了判斷LNG管線對次高壓管線的影響，技術人員進行了現場測試，主要包括：LNG管線的保護電位、次高壓管線保護電位，并在LNG管線平湖門站陰極保護站恒電位儀開10分鐘一停10分鐘一開10分鐘共30分鐘的時間段內，用記錄儀檢測了次高壓管線的陰極保護電位波動情況。通過檢測發現，LNG管線和次高壓管線閉路電位都不穩，波動較大。
 

    由于LNG管線采用的外加電流地床，由測試結果發現，平湖門站恒電位儀停止工作的情況下，次高壓保護電位測試數據整體朝正方向移動。說明LNG管線外加電流系統工作時，次高壓管線吸收了輔助地床發射的電流，吸收的電流會在某些地方流回到LNG管線中去，造成次高壓管線的腐蝕和電位波動。
 

2.5 雜散電流影響
    雜散電流是指在大地中流動的設計之外的電流，如電氣化鐵路，各種供用電設備接地等漏散的電流均可視為雜散電流。這種電流能對地下金屬管道產生腐蝕破壞作用。雜散電流分為直流雜散電流和交流雜散電流兩種。通過檢測發現，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(參考德國DIN標準)。標準的鎂合金陽極的開路電位應在-1.57～-1.67之間，但隨管道的運行和犧牲陽極發生消耗，陽極開路電位會發生電位變化。對在特區外次高壓管線170個陽極的電位、電流進行檢測，發現部分陽極電位偏低和電流輸出異常，其中有22個陽極開路電位高于-1.4v，通過對2處陽極進行了開挖驗證，證明了陽極因為雜散電流的影響達不到設計壽命。
2.6 測試標準
    傳統的保護電位測試方法，為國內最為常用的測試方法，但有非常大的局限性，受到雜散電流影響后，沒有辦法準確測試，無法去除IR降的影響。通過現場實際測試分析與比較，最終確定定采用極化探頭法，為檢測管道陰極保護真實極化電位提供了較理想的手段，與其它測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到最接近真實值的陰極保護極化電位。
    根據《城鎮燃氣管道埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》CJJ95-2003，陰極保護系統的判據(等同與美國NACE標準)如下：
    ① 施加陰極保護后的極化電位至少應達到-850mV(CSE)或更負；
    ② 采用斷電法測得的極化電位應達到-850mV(CSE)或更負；
    ③ 在極化形成或衰減時的陰極極化值應不小于100mV；
    ④ 存在細菌腐蝕時，通電保護電位值負于或等于-950mV(CSE)；
    ⑤ 在沙漠地區，通電保護電位值負于或等于-750mV(CSE)
3 次高壓天然氣管道陰極保護改善方案
3.1 線路陰極保護設施完整性改造
    通過整改和增設陰保設施，實現陰保系統設施、數據的完整性建設，為陰保系統正常運行提供保障。
    主要工作內容簡述：
    ① 土壤環境分析
    a. 干擾段土壤電阻率測試；
    b. 干擾段PH值調查、土壤環境理化分析。
    ② 陰極保護系統檢測基礎設施完善
    a. 陰保系統基礎設施維護、維修整改；
    b. 統一檢測樁/井接線標準；
    c. 檢測樁外表面除銹防腐、統一進行編號；
    d. 與上游LNG、成品油管線并行段測試樁埋設；
   e. 長效極化探頭埋設；
   f. 建立陽極壽命檔案，定期維護、維修，確保陰極保護系統有效運行；
    g. 檢測樁/井信息、檢測數據錄入到GIS中，實現數據動態管理。
3.2 閥室陰極保護系統改造
    針對運行次高壓管道的28座閥室加裝陰保系統，實現閥體防腐蝕保護。
    主要工作內容簡述：
    ① 閥室兩側絕緣接頭設置接地電池保護
    埋地絕緣接頭處設置接地電池，提供一個低電阻通道，排放強電電流，但又不泄漏陰極保護電流，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，以防止強電沖擊引起的損壞。鋅合金棒的規格為：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置半導體保護器裝置，阻止低電壓的陰極保護電流流失，同時可在高電壓脈沖和感應交流電的情況下及時防護設備和人員的損傷，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，適用于不同環境的安裝，維護要求低。
    ③ 增設陽極，保護閥體防腐蝕
    原閥體并未納入全線陰極保護范圍，而閥體處在同一腐蝕環境中，須增設保護措施。采取每處閥體設置一支14kg鎂合金的陰極保護措施。在閥體兩個絕緣接頭外側各增設一組2×25kg鋅合金陽極保護組，作為分區保護后排流措施，陽極組導線加裝排流節，只允許電流單向流動。
   ④ 設置測試樁
   測試樁設置于閥室內，專門定制。測試功能包括：絕緣接頭絕緣性能、接地電池性能、閥體保護陽極組指標、兩側排流組工作指標。
   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跨接電纜，使管道分段隔離、閥室兩端管道分區保護，以限制雜散電流干擾強度和范圍，增加管地電阻，避免雜散電流大范圍跨區流動。根據犧牲陽極的設置以及陰極保護系統運行狀況，在取消跨接后，對有需要的管段進行陰極保護系統調整，以確保管線維持在完好的保護狀態。
3.3 高壓電塔旁次高壓管線安裝耦合器保護
    現運行管線距離高壓電塔最近的距離約5米，如果電塔出現故障電流，將嚴重威脅管線的運行安全(美國有相關的案例)。因此，在管線距離電塔接地線50米范圍內，對管道加裝固態耦合器，實現故障電流保護。
3.4 干擾段管線雜散電流的排流
    對兩閥室間管道(通常為5公里)分段進行排流，針對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，有效實現雜散電流排流，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合保護
   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管道)和電氣化鐵路、地鐵協商，進行聯合保護和系統的排流。
3.6 安裝陰極保護在線監控系統
    安裝陰極保護在線監控系統，實時監控陰保運行狀況，評估管線的保護狀態，記錄、分析運行參數，為排流工作提供數據支持。在線陰極保護數據監測系統是為了嚴密監測地下管道腐蝕保護狀況的系統。在燃氣管道沿線的野外監測點裝數據采集器，實時采集該處與腐蝕保護狀況相關的各項數據。通過SCAD系統無線通訊網絡，遙測各站測試樁點的數據，并集中進行處理，同時采用友好的人機界面，使監測數據、圖表直觀方便，從而達到最佳的陰極保護管理效果，使管道系統實現現代化設備信息管理，達到長期安全運行的目的。
3.7 依托GIS系統對陰極保護系統進行完整性管理
   將全線陰極保護檢測樁/井根據座標錄入GIS系統，建立靜態、動態的設備檔案進行數據管理，對定期的檢測數據進行統計、分類、趨勢分析，及時全面了解掌握管道陰極保護狀況。
4 結論
    對于城市天然氣管道，在設計時應充分考慮所處環境和雜散電流的影響，選擇合理的陰極保護力案，加強施工質量的管理。依托先進的SCADA系統和GIS系統開展管道陰極保護系統的完整性管理，加強管道的檢測和數據分析，對管道的陰極保護系統進行持續的改善，控制管道的腐蝕，保障長期穩定的供氣。
參考文獻：
[1] GB/T 21448-2008，埋地鋼質管道陰極保護技術規范.
[2] GB/T 21447—2008，鋼質管道外腐蝕控制規范.
[3] CJJ95-2003，城鎮燃氣管道埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程.
[4] 楊義軍，李文玉，王芷芳，杜艷霞等.極化探頭在埋地鋼制管道陰極保護的應用.煤氣與熱力，2010，30(4)：A24-A27.
[5] 陸忠.天然氣輸送與城鎮燃氣.中國石油大學出版社，2007.8
[6] 郭生武，袁鵬斌，張十金.輸送管線完整性檢測、評價及修復技術.北京：石油工業出版社，2007.5
 
(本文作者：王晨 安成名 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518055)