埋地输油管道阴极保护电位欠保护状态的原因与对策

(中国石化销售有限公司华南分公司川渝输油管理处，四川 内江 641100)

埋地输油管道具有输送距离长、所经地区范围广、地形地貌变化大及沿线环境恶劣等特点，且土壤中含有大量的腐蚀性物质，即水分和能进行离子导电的盐类，使土壤与金属管道构成原电池，使金属在土壤中发生电化学腐蚀，最终造成管道腐蚀穿孔、油气泄漏。某成品油管道输送的是高压、易燃、易爆汽油和柴油，一旦输油管道出现腐蚀穿孔就会造成油品泄漏，影响管道的安全稳定运行，污染环境，甚至导致爆炸、火灾、人员伤亡等事故，严重危害当地群众生命财产安全。

为有效抑制管道腐蚀，实现该工程管道全线达到应有的保护效果，对该埋地输油管道采用防腐蚀涂层和阴极保护联合防护方式，防腐蚀涂层作为控制腐蚀的第一道防线，将被保护金属管道与周围的电解质溶液隔离，阻止电化学腐蚀的发生，抑制了腐蚀过程，基本实现了对腐蚀的全面控制；防腐层的存在也为阴极保护提供了绝缘条件，减少埋地金属管道裸露的面积，使阴极保护所需要的电流相对于未施加防腐蚀涂层的裸金属所需要的电流大幅度减少，降低能耗和成本投入。作为腐蚀控制的第二道防线，阴极保护系统输出的电流则进入涂层的缺陷损伤处，使这些薄弱部位可能发生的腐蚀过程得以控制，从而使管道得到保护。但在运行过程中由于各种影响因素，造成管道处于欠保护状态，最终降低了管道的保护效果，导致部分管道腐蚀加重，造成巨大的安全隐患。

1 阴极保护系统简介

该成品油管道于2017年投产运行，材质为X60钢，管径为355.6 mm，壁厚为8.7 mm。埋地输油管道外防腐蚀涂层采用3PE，管道阴极保护采用强制电流方式，共设首站、末站各一座，分输站两座。根据阴极保护工艺计算，四座工艺站场、首站辖区内某座阀室、末站辖区内某座阀室各建有阴极保护站一座，共计6座。其中中间两座工艺站场1号和2号站场尚未开工建设，站场阴极保护系统尚未建设投用。依据GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的规定，除了管道敷设在特殊的土壤环境中以外，管道阴极保护电位范围为-1.200～-0.850 V，该电位指的是断电电位，不包含阴极保护电流流经土壤形成的IR降电位。在阴极保护系统投产以后，从初期的运行效果来看，管道的保护效果并不理想。根据每月该成品油管道保护电流电位测试数据初步分析，自1号站场上游35 km至2号站场下游35 km范围内，连片保护电位偏低，管道阴极保护电位均处于欠保护状态，其余地段管道保护电位均达到正常保护状态。

1号站场和2号站场管道2017年6月阴极保护电位分布分别见图1和图2。

图1 1号站场管道阴极保护电位情况

图2 2号站场管道阴极保护电位情况

1号站场从桩号YC1161起，到桩号YN067止，保护电位均大于-0.85 V(相对Cu/饱和CuSO4参比电极);2号站场从桩号YN068起，到桩号NJ003止，保护电位均大于-0.85 V，全线约160 km管道阴极保护未达标。

2 原因分析及整改措施

针对管道保护电位欠保护的问题，从防腐蚀涂层状况、管道绝缘不良及阳极地床断路方面，以及阴极开路、零位接阴断路、阳极接地故障及绝缘法兰失效或漏电跨接电缆等方面进行分析排查，发现这些因素处于正常运行状态，因此排除了这些可能造成保护电位欠保护的因素。分析其原因是1号站场和2号站场建设进度严重滞后，其阴极保护站的强制电流阴极保护系统无法正常投用。目前仅有首站、首站辖区内某座阀室、末站和末站辖区内某座阀室这四个阴极保护站的强制电流阴极保护系统正常投用，但不足以保护1号站场至2号站场段的管道。

通过对该成品油管道全线通电电位进行测量，初步掌握了阴极保护系统的运行状况。根据该成品油管道每月的保护电位测试数据、沿线阀室分布情况进行综合分析，结合现场实际情况，初步判断：目前如果对全线管道约160 km阴极保护未达标区域进行正常保护，需在1号站场辖区内的通信中继阀室和2号站场辖区内的2号远控阀室增加临时阴极保护站，代替还未建成的1号站场和2号站场阴极保护站。即对1号站场上游35 km至2号站场下游35 km范围共约160 km阴极保护电位未达标的外线路管道进行强制电流阴极保护。临时阴极保护站的选址综合考虑了保护距离、管理因素、工程地质条件、交流电源、运行成本、管道周围埋地金属构筑物、便于维护管理及规划影响等多种因素，确保项目建设顺利进行，保证保护电流分布尽量均匀，使阴极保护系统提供理想的保护效果。

2.1 辅助阳极地床埋设位置的选取

辅助阳极地床位置的正确选择对于降低阳极接地电阻、减少阳极的消耗、降低运行成本、防止阴极保护系统对邻近金属构筑物的影响、保障阴极保护有效性以及便于安装施工都是很重要的。辅助阳极地床距管道越远，管道上的保护电流分布越均匀，但距离太远会增加电缆的压降。当阳极地床距离管道不大于200 m时，对管道上的电流分布影响较大，当大于等于300 m时，其影响程度就会降低，因此很多长输管道的阳极地床一般设在距管道300～500 m之间。由于通信中继阀室所处地理位置的限制，阀室位于河流与省道之间，管道采用定向钻的敷设方式穿越河流和省道，河流与省道之间的管道采用直埋的敷设方式。由于其特殊的地理条件，阳极地床最终选在阀室东北角距管道约120 m的河边低洼地带，潮湿低洼处四周土壤电阻率较低，利于阳极地床的埋设。2号远控阀室位于较开阔的地方，虽然阀室附近有高压电线，但阳极地床的位置完全能够避开高压电线接地体，阳极地床选在阀室西南角下坡距离管道垂直距离200 m的低洼庄稼地。

2.2 阴极保护电源选用

强制电流阴极保护电源的选用基本要求：长期不间断供电；应优先使用市电或使用各类站场稳定可靠的交流电源；当电源不可靠时，应装有备用电源或不间断供电专用设备[1]。交流电源是最经济的，有交流电网的地区，阴极保护首选电源为交流市电，当无交流市电或交流市电不稳定(如农用电)时应选用其他电源，通常可供选择的有太阳能电池、风力发电机、TEG和CCVT等，有时两个或两个以上联合。通信中继阀室和2号远控阀室这两座线路截断阀室，是具有自动远控功能的阀室，阀室的交流电可以作为外加电流阴极保护系统恒电位仪的电源，恒电位仪电源线接入房间内的配电箱中，为阴极保护系统提供电源。恒电位仪布置在仪表间，电气设备的安装符合《电气设备安装规程》的规定。

2.3 辅助阳极材料的选择

辅助阳极是强制电流阴极保护系统中不可缺少的重要组成部分，对阴极保护的效果和成本、经济性影响很大。辅助阳极材料应有良好的导电性能，在土壤或地下中有稳定的接地电阻，即使在高电流密度下，表面的极化较小；化学稳定性好，在恶劣环境中腐蚀率小；有一定的机械强度并便于加工和安装；价格低、来源方便。

高硅铸铁阳极是目前应用范围最广的辅助阳极，硅质量分数为14%～18%，是一种低溶解性阳极，有一定的消耗率，输出电流大，在正常条件下工作的高硅铸铁，表面会生成二氧化硅膜，渗透性很好，是良好的电子导体。高硅铸铁阳极的主要应用介质是土壤、淡水、半咸水和海水，适用于高电阻率介质的条件，还可以应用在不便于填加填充料的地区，如沼泽地或流沙地区。高硅铸铁耐卤素的性能差，为了改善耐Cl-的腐蚀能力，可在高硅铸铁中添加1%～3%的铬，在含氯较高的地区，应选用含铬高硅铸铁。在海水和半咸水中，高硅铸铁表面形成的膜层是不完整的，这使它们耐蚀性较差。为了改善耐蚀性，往往添加一些合金元素，含4.5%Cr的高硅铬铁的耐蚀性比含Mo硅铁更高，更为经济，广泛应用在盐水和土壤中[2]。

加铬高硅铸铁阳极性能较为全面，适用范围广，且价格低，使用年限长，在阴极保护中是技术成熟、使用广泛的辅助阳极材料。辅助阳极地床采用浅埋阳极类型，安装方式采用浅埋立式，辅助阳极材料采用加铬高硅铸铁阳极，规格采用φ75×1 500 mm，技术性能符合GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》规定，每个阳极地床埋设20支加铬高硅铸铁阳极，用焦炭作填包料，焦炭粒径为3～15 mm，焦炭装完后夯实，并浇水浸透。

2.4 辅助阳极地床埋设

辅助阳极地床应安装在阀室外土壤电阻率较低、附近没有埋地金属构筑物的地方，填包料埋设前应用水浸泡24 h，以确保填包料充分浸润。每个阳极通过阳极主电缆连接在一起，阳极自带电缆和阳极主电缆用铜管压接，阳极电缆连接到恒电位仪的阳极接线端。电缆的敷设深度不小于800 mm，并保证置于冻土层以下。敷设时应留有一定的裕量，以适应回填土的沉降，焦炭回填厚度为300 mm，上面埋设细砂，再回填土。回填焦炭应确保密实，并且焦炭中没有其他杂质，焦炭回填后，必须用水湿润后，再进行细砂和土壤的回填。

2.5 通电点、参比电极的安装

通电点安装包括阴极电缆、零位接阴电缆安装。阴极电缆、零位接阴电缆、参比电缆分别采用YJV22-0.6/1kV 1×16 mm2,YJV22-0.6/1kV 1×10 mm2,YJV22-0.6/1kV 1×10 mm2电缆，分别从恒电位仪的相应输入、输出端子接线，同沟敷设至各管道通电点处。阴极电缆、零位接阴电缆与管道的连接采用铝热焊，两焊点之间的间距为800 mm，目测和电火花检测合格后方可回填，焊点距管道焊缝的距离大于100 mm。

参比电极采用预包装长效硫酸铜参比电极，参比电极安装于通电点附近的冻土层以下，参比电极埋设前应在净水中浸泡24 h以上，以确保参比电极充分浸润。

3 阴极保护效果的检测

通信中继阀室和2号远控阀室两个临时阴极保护站建成后，对恒电位仪进行调试，保证恒电位仪稳定有效运行，阴极保护系统管道通电极化三天后，现场测试沿线测试桩处的管道保护电位，测试结果表明：在通电情况下，测得的管道保护电位均负于-850 mV，为消除IR降，采用瞬间断电后测得的管道真实保护电位均负于-850 mV，达到阴极保护电位标准的要求。输出电压和输出电流维持在1.5 V和1.2 A，均达到技术指标要求，恒电位仪运行稳定。

4 结 语

根据整改后的阴极保护系统运行情况来看，保护效果非常显著，使管道完全得到保护，提高了管道的使用寿命，通过增加临时阴极保护站，缩短阴极保护站的站间距，合理地选择临时阴极保护站的地理位置、阳极地床埋设位置和埋设方式、辅助阳极的材料和数量，保证阴极保护系统正常运行，有效地解决了管道保护电位欠保护的问题。