长输天然气管道阴极保护技术与故障解决措施

张腾蛟

摘 要：阴极保护技术是解决长输管道外腐蚀问题最为经济有效的方法，分为牺牲阳极法和强制电流法，通过使电极电位从原平衡电位向负偏移，使金属进入免蚀区，从而对金属管道实现保护。对长输管道进行阴极保护由于需要电流量较大，所以通常采用强制电流法。在城市化急剧扩张和经济快速发展的背景下，长输管线周围新建了电厂、变电所、高压输电线、地铁以及高速铁路等，许多地方和管线出现并行或者交叉情况，对管道的阴极保护系统干扰很大。针对阴保电位屏蔽、杂散电流干扰等问题，提出了补加牺牲阳极、合理选择排流方式等解决措施。

关键词：阴极保护技术；长输管道外腐蚀；牺牲阳极法；强制电流法；杂散电流干扰

某长输埋地管道由于受外界干扰、防腐蚀层破损等原因，管道阴保电位出现欠保、过保及异常波动的现象。采用Fluke数字万用表、直流电压梯度测量法等埋地管道非开挖无损评价技术，对阴极保护系统进行了全面检测和诊断。结果表明，管道沿线测得的阴保电位有些超出了阴保电位准则范；有些管段阴保电位频繁异常波动；防腐蚀层检测出多处破损点，而且部分腐蚀活性呈阳性。杂散电流对阴极保护系统的的干扰问题成为目前研究的热点，特别是交流杂散电流对阴保系统的干扰以及对管道的腐蚀行为，将数值模拟技术应用于管道和储罐的阴极保护领域，得到了阴极保护电位的分布影响规律，为阴极保护研究提供了一种新的手段。

1 管道阴保系统检测方法

1.1 管道介绍

被检测管道为长距离埋地钢质管道，常温密闭输送天然气，所用管材为L360，无缝埋弧焊接，管线外防腐蚀采用防腐蚀涂层和阴极保护的联合防腐蚀方式。外防腐蚀涂层采用环氧粉末（FBE），阴极保护系统采用近阳极强制电流保护方式，在管线两端分别设置两个阴保站，为管道提供阴保电流。该管道沿线地形非常复杂，多处穿越道路、码头、河流，测量难度较大。

1.2 管道检测的参考标准

参考标准GB/T 21246 - 2007《埋地钢制管道阴极保护测量方法》，其中对于管地通断电位、土壤电阻率、防腐蚀层绝缘电阻率等相关参数，以及对相关的管道检测设备包括数字式万用表、LIPS/DCVG，PCM等检测设备的使用操作和数据处理都做了明确规定参考标准SY/T0017一2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》，直流杂散电流干扰检测，对干扰源侧与被干扰管道侧两方面的调查测试：管地电位较管道自然电位正向偏移20mV；地电位梯度大于0.5 mV/m，确认为直流干扰。当管道任意点的管地电位比自然电位正向偏移超过100mV或者地电位梯度超过2.5 mV时，管道应该及时采取直流排流保护或者其他防护措施。电位负向偏移不做规定，但是不应超过管道采用防腐蚀层的阴极剥离电位。

参考标准SY/T 0032一2000《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》，当管道上的交流干扰电压不高于4V时，可不采取交流干扰防护措施；高于4 V时，应采用交流电流密度进行评估，测试点处于管道埋深相同的土壤电阻率实测值；d 值按发生交流腐蚀最严重考虑，取 0.0113。管道受交流干扰的程度判断指标。

2 阴极保护系统问题诊断与分析

2.1 恒电位仪输出参数异常波动

长输埋地管道两端分别设有一座阴极保护站，采用强制电流方式对管道进行保护。阴极保护系统采用高硅铸铁近阳极地床，利用Fluke289数字万用表对其中一座阴保站的恒电位仪输出电压进行24 h检测的结果。测试结果表明，恒电位仪输出电压波动频繁且幅度较大，波幅在6. 0-12. 0 V之间，判断阴保站周围存在较强的干扰源。对异常波动的时间分析发现，阴保系统白天比晚上受外界干扰的情况更复杂。

2.2 管道阴保电位异常

对套管对地电位进行测试，结果表明有阴保电流流入套管和被保护管道，钢筋混凝土结构含有导电成分，不存在绝缘层屏蔽；套管和工作管线通过电解质发生电性连接，穿越套管的短路分流是造成被保护管线阴保电位欠保护的原因。设计的埋地管道和保护套管之间是干燥绝缘的，但是水有时通过有残缺的密封端头进入套管，或是由通气孔进入套管的空气中凝结水气。管线和套管间积存的水和其他电解质导致两者产生电性连接，从而造成阴保电流分流，被保护管线得不到有效保护。在施工阶段，涂覆的管线被推入套管时，管线涂层很可能被损坏，由于套管与管道间的空间比较狭小，所处位置又不能定期开挖维修，所以存在较大的腐蚀安全隐患。根据测得地电位梯度的正负可以判断杂散电流的流向，对周围环境进行调查研究发现，沿杂散电流来流方向500 m处，建有一座大型电厂，是造成阴保电位异常波动的干扰源。

3解决方案

3.1 保护套管电屏蔽

由于保护套管和输油管道发生电性连接，短路分流导致输油管道阴保电位欠保护，需要采用局部阴极保护方法来补充阴保电流，从而使套管内输油管道的断电电位较保护电位更负。采用在套管内的管段焊接带状阳极和镯式阳极的牺牲阳极方式对被屏蔽段进行阴极保护。带状阳极主要有带状镁阳极和带状锌阳极两种。由于带状阳极体积小，且内部设有加强钢芯，具有一定的柔软性，可以沿管线缠绕在管壁四周。在应用于套管内管道的阴极保护时，可将带状阳极直接缭绕于管道的外表面，并每隔一段进行一次点焊。这样当套管内进水或其他的腐蚀介质时，带状阳极就会对管道起到保护作用。

3.2 外界杂散电流干扰

杂散电流是指沿着非指定电力通路流过的电流，流入埋地管线的地方带负电，成为阴极区，一般不会受到受到腐蚀影响，但是若电位值过负，金属管线表面会发生析氢反应，造成此区域防腐蚀层的剥落。流出管道的部位带正电，成为阳极区，在杂散电流的作用下，阳极区域会发生激烈的电化学反应，从而造成埋地管线的电化学腐蚀侵害。杂散电流可以分为静态干扰和动态干扰。静态干扰源包括：铁路信号电池、高压直流电接地极、阴保系统整流器、电厂、变电站等。动态干扰源包括：直流焊接、交直流铁路、氯化物鋁厂、太阳黑子活动等。

3.3直流焊接作业干扰

当电焊动火时，电流除了在管道中流动外，还会从管道泄漏到大地，在大地中的各种金属物体上流动，然后再回到电源系统。这部分泄漏出来的电流可能成为对阴保系统造成干扰的杂散电流。直流焊机一般用低氢型碱性焊条焊接，常用于高强度钢焊接，直流弧焊常用于不锈钢、钦合金等材料焊接。对电焊过程中杂散电流的防护应从以下两个方面着手：一是从源头上控制杂散电流的形成，让回路中的电流全部流回电源的负极，不向地下泄漏，即在电路和地之间采取有效的绝缘，控制和减少杂散电流形成的数量；二是对产生的杂散电流采取排流措施来降低杂散电流对埋地金属管线的腐蚀危害。

参考文献：

[1]唐德志， 杜艳霞， 路民旭，等. 埋地管道交流干扰与阴极保护相互作用研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报， 2013， 33（5）：351-356.