管道阴极保护技术国内外标准差异探讨

2021-01-12王晓丹罗衍涛姚军吴京马伟平

石油工业技术监督 2021年8期

王晓丹，罗衍涛，姚军，吴京，马伟平

1.国家管网集团北方管道有限责任公司中原输油气分公司（山东德州 253000）

2.国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心（河北廊坊 065000）

长输管道安全已成为社会关注的焦点问题，腐蚀是管道失效的最重要因素，减缓管道腐蚀、预防油气泄漏至关重要[1]。阴极保护配合高质量防腐层，是预防管道腐蚀的可靠技术[2]。国际标准ISO 15589-1—2015《管道输送系统阴极保护第1部分：陆上管道》是阴极保护领域纲领性文件，已发展为最广泛、最权威的阴极保护准则。我国长输管道阴极保护系统设计、运行、测试、维护和管理执行国家标准GB/T 21448—2017《埋地钢制管道阴极保护技术规范》。GB/T 21448—2017 采用重新起草法参考国际标准ISO 15589-1—2015 制定，但与ISO 15589-1—2015一致性程度为非等效。结合我国管道阴极保护工程实践，分别从阴极保护系统设计、运行及维护方面，研究了与国际标准的重要技术性差异，可为提升我国管道阴极保护工程设计运行水平提供参考。

1 阴极保护系统设计

1.1 阴极保护电位准则

阴极保护准则是评价管道受到腐蚀和阴极保护有效性的重要依据，中外标准针对无IR降阴极保护电位和限制临界电位基本一致，差异如下：

1）特殊环境下的阴极保护电位。ISO 15589-1—2015新增高温工况（大于60 ℃的土壤和水环境）下的最小保护电位-0.95 V。

我国庆铁四线、铁锦线、铁抚线输送大庆原油，采用加热输送工艺，出站温度在40～50 ℃，鄯乌线输气管道出站温度高于50 ℃；储存稠油、重油、易凝原油储罐加热、操作、运行温度超过60 ℃[3]，传统的阴极保护电位准则不适用，因此研究应用高温环境管道阴极保护电位准则[4]。

2）100 mV 阴极电位负向偏移准则。ISO 15589-1—2015 完善了100 mV 阴极电位负向偏移准则不适用情形，包括温度大于40 ℃的环境，含硫酸盐还原菌的土壤，存在干扰电流、平衡电流或大地电流的情形，存在外部应力腐蚀风险的情形，以及管道连接处或由多种金属组成的部件。

针对防腐层性能较差或者裸露管道，传统的阴极保护电位准则不适用，应采用管道电位较之自然电位负向极化100 mV，鉴于100 mV 极化电位的应用优越性，应借鉴国际标准ISO 15589-1—2015，补充完善100 mV极化电位准则的适用范围。

1.2 阴极保护系统接地设计

管道干线阀室内的电气系统接地导致管道接地搭接或绝缘失效，会造成管道处于欠保护状态。针对接地系统与阴极保护系统之间的影响，GB/T 21448—2017 仅为原则性规定，即接地设施不应对阴极保护系统造成不利影响，但未提出具体解决措施。ISO 15589-1—2015 规定如阴极保护管道需要接地时，接地系统应与阴极保护系统兼容，可在接地回路中安装去耦隔直装置。当管道局部接地时，可采用锌或镀锌接地极与管道直接连接，并指出接地系统影响管道阴极保护有效性的因素，例如局部大地电阻远低于管道涂层缺陷处电阻，导致阴极保护电流减小；管道电位随时间延长向负向偏移等。

针对接地系统与阴极保护系统兼容性的问题，国际标准ISO 15589-1—2015 提出安装去耦隔直装置，实现接地系统与阴极保护系统的兼容性，并分析了接地系统对阴极保护系统的影响因素。我国长输管道RTU 阀室的电气设备接地系统与管道干线未进行有效绝缘[5]，导致阀室内管道阴极保护电流流失严重，得不到有效保护，根本原因是未考虑接地系统与阴极保护兼容性的问题。建议参考国际标准ISO 15589-1—2015，应用去耦隔直装置解决电绝缘接地系统与阴极保护兼容性的问题。

1.3 绝缘接头防雷保护

在雷电频发地区或电力线影响范围内，管道上可能产生超过绝缘接头击穿电压的电涌冲击，绝缘接头和阴极保护设备应当安装防雷保护装置[6]。GB/T 21448—2017 规定绝缘接头和绝缘法兰应设置防电涌保护器。防电涌保护器设置不应影响绝缘接头或绝缘法兰的性能。防电涌保护器可采用固态去耦合器、避雷器、火花间隙、电解接地电池、极化电池、等电位连接器等。ISO 15589-1—2015规定为保护管道绝缘接头可能受到雷击或输电线路故障造成的过电压和电流冲击的影响，应在绝缘接头两侧连接隔离火花间隙。为了缓解电气冲击或电气干扰的影响，需要在管道和一个接地系统之间安装绝缘火花间隙、电涌保护器（SPD）或直流去耦合装置。并指出影响保护器有效性的因素（电缆类型、长度和横截面积）。对于电火花间隙的选型进行了详细的规定，并给出了供电频率50 Hz 情况下可参照的阴极保护系统典型适用参数（雷电放电冲击过电压、雷电放电电流、短时耐受电压、额定放电电流等）。

GB/T 21448—2017 要求安装防雷保护装置，可采用电涌保护器，并对保护器类型进行了介绍，并未给出实质性选用原则。国外标准ISO 15589-1—2015中给出了首选电火花间隙，并指出了其他可用的两种防雷保护装置，对影响防雷保护装置的有效性因素进行了分析，对电火花间隙的选型给出了可参照的典型参数。建议参考国际标准增加阴极保护设备防雷保护选用原则和性能参数要求。

1.4 阴极保护系统电缆规格

我国管道管理过程中第三方人为破坏电力电缆、通信电缆、阴极保护电缆现象十分严重[7]。2010年大连油库7.16事故中初期火灾并不严重，但站场供电电缆遭到破坏，导致无备用电力供应的消防系统瘫痪，造成火灾蔓延扩大和严重损失[8]。GB/T 21448—2017 规定阴极保护电缆应采用铜芯电缆，测试电缆的截面不宜小于4 mm2；采用多股连接导线时，每股导线的截面不宜小于2.5 mm2。用于强制电流阴极保护的阴极电缆和阳极电缆截面不宜小于16 mm2；用于牺牲阳极阴极保护的铜芯电缆的截面不宜小于4 mm2。ISO 15589-1 规定电缆横截面应满足下列规定：

1）强制电流系统。与被保护管道的连接电缆10 mm2；连接辅助阳极的电缆4×2.5 mm2或10 mm2。

2）牺牲阳极系统。与被保护管道的连接电缆4 mm2；连接牺牲阳极的电缆2.5 mm2。

3）用于其他装置。电位测量电缆2×2.5 mm2或6 mm2；电流跨界测量电缆4×2.5 mm2；电气连接电缆4×2.5 mm2或10 mm2。

针对强制电流阴极保护电缆规格，国内标准更严格；针对牺牲阳极阴极保护电缆规格，国内标准和国际标准基本一致；针对电位测试电缆规格，国际标准更严格。鉴于管道运行管理面临的严峻形势，对电缆产品可靠性和质量都提出了更高要求。建议国内标准进一步提高阴极保护电位测试电缆的产品规格参数。

2 阴极保护系统运行

2.1 阴极保护人员资质

由于人员知识、技能或能力欠缺的人为失误是造成管道事故的重要原因。ISO 15589-1—2015 规定从事阴极保护系统的设计、安装及监理、调试、操作、测量、监控和维护的工作人员应具备完成相应工作的能力。欧盟标准EN 15257—2017《阴极保护人员能力水平认证》构建了评估和鉴定阴极保护人员工作能力的方法体系。阴极保护人员应具有满足其欧盟标准或等效规范的资质证书。除欧盟标准EN 15257—2017，美国腐蚀工程师协会NACE 建立了完善的腐蚀工程技术人员培训体系。

我国管道企业建立了培训管理程序和职业技能鉴定程序，编制《管道工程师》《管道维抢修》培训教材，但缺少管道从业人员资质认定技术标准[9]，应制订符合我国管道特点、与国际接轨的阴极保护人员资质认定标准。

2.2 阴极保护电位监测

由于长输管道敷设环境复杂性，针对准确测试阴极保护电位提出更高要求[10]。GB/T 21448—2017规定阴极保护系统监测要求，即在与外部管道交叉、金属套管处、绝缘接头处、排流点处和汇流点处设置监控设施。ISO 15589-1—2015 规定当管道穿越无人地区或很难接近的地方，应采用远程监测、遥感技术或其他数据传输系统，同时配合使用长效参比电极、计划探头或检查片。远程监测装置应具备自动采集、储存和远传功能，采集参数的范围及误差应满足要求。

自动测量和传输是阴极保护技术和智能化管道的发展方向[11]。国外管道通过集成卫星时钟同步技术、计算机技术和阴极保护测量技术，研发集成式阴极保护系统。国内相关单位也进行了初步探索，例如在陕京管道、广东大鹏液化天然气管道进行了应用。建立国内标准补充阴极保护电位远程监测做法及要求。

3 阴极保护系统维护

3.1 电绝缘接头腐蚀

由于制造缺陷、机械应力以及现场安装不规范等因素，导致绝缘装置渗漏或失效，造成阴极保护电流漏失，管道电位不满足规范要求[12]。GB/T 21448—2017 规定了管道阴极保护电绝缘要求，但未涉及绝缘接头内腐蚀的问题，仅规定绝缘装置不应设置在易形成导电凝析液或游离水积聚的位置，绝缘法兰安装时宜采取防尘防水密封措施。ISO 15589-1—2015新增“电绝缘接头内部腐蚀风险”章节，认为绝缘接头腐蚀风险主要取决于输送介质导电性和绝缘接头两侧电压差值，为减缓腐蚀风险，可在管道内表面涂覆含电绝缘材料的内涂层，管道内涂层管段长度应考虑介质电导率、管道直径、绝缘接头电压等因素。

国内标准针对绝缘接头内腐蚀的问题较简略。输送导电介质管道的绝缘接头非保护侧极易产生内腐蚀问题。例如某管道在出站的绝缘接头处发生严重的腐蚀[13]，根本原因是在设计阶段未考虑绝缘接头非保护侧的内腐蚀问题，导致管道严重腐蚀泄漏。建议参考国际标准ISO 15589-1—2015规定中绝缘接头内腐蚀控制措施。

3.2 套管内管道腐蚀

为防止管道不受地基影响，管道在公路、铁路以及河流穿越时，安装钢质套管对管道进行保护。如管道防腐层破坏、套管进水或者套管与管道短路，阴极保护电流无法流入被保护管道表面[14]。GB/T 21448—2017 规定采用套管穿越时，套管内的输送管应具有完好的防腐层，且套管与输送管间应安装绝缘支撑隔离；套管端部应密封。ISO 15589-1—2015 将套管分为屏蔽阴极保护电流的套管和导通阴极保护电流的套管，列举出两种套管对应的套管类型，并对两种套管的防腐措施进行了规定。

国家标准GB/T 21448—2017 仅规定套管内管道应保证防腐层完好，但实际建设施工过程中，防腐层不可避免会发生划伤等缺陷，国家标准的要求不能完全保证。国际标准ISO 15589-1—2015 将套管分为阴极保护电流屏蔽的套管和能通过阴极保护电流的套管，并提出了两种类型套管内管道防腐层施工质量控制措施，指导现场管道工程。故建议参考国际标准补充套管内管道防腐层施工质量控制措施。

3.3 临时阴极保护

原则上阴极保护工程应与管道主体工程同步勘察、设计、施工和投运，但由于油源供应、下游市场规划和建管分离体制，新建管道可能存在投产延迟问题；管道改线、油气站场改造可能存在暂时闲置管道，相对正常运行管道，延迟投产管道和闲置管道的管理属于短板，甚至造成安全隐患和油气泄漏事故[15]。GB/T 21448—2017规定临时阴极保护可采用牺牲阳极方式，在阴极保护系统调试期间及调试后，牺牲阳极和管道应通过测试桩连接。应安装测试装置测试临时性阴极保护效果，并与管道同时安装。ISO 15589-1—2015 规定为预防管道外腐蚀风险，在管沟回填和完成永久性阴极保护系统期间，应采用临时性阴极保护措施。存在下列情形的，应设置临时性阴极保护设施：管道敷设在低电阻率土壤中（小于100 Ω·m）；管道开始施工距离永久性阴极保护系统安装完成时间超过3 个月；管道敷设在高腐蚀风险区域。ISO 15589-1—2015 规定临时性阴极保护设施除考虑永久性阴极报系统施工节点时间，还应预留足够的使用时间。临时性阴极保护设施采用锌或者镁牺牲阳极，为避免影响永久性阴极保护系统，牺牲阳极采用地上连接到管道。

国家标准GB/T 21448—2017 中由于临时性阴极保护方式非首选，要求较简略，但实际存在应用临时性阴极保护设施的需求。国际标准规定了临时性阴极保护设施的应用条件、运行时间要求和安装方式，建议国内标准补充完善。

4 ISO 15589-1—2015编辑性修改

除上述中外标准技术性内容差异分析，以下列出了ISO 15589-1—2015 编辑性修改内容，国家标准GB/T 21448—2017修订时可予以考虑。

1）适用范围。ISO 15589-1—2015 适用于陆上埋地管道，输送介质包括气体、水和浆体；适用于碳钢、不锈钢、铸铁、镀锌钢和铜质管道；不适用于混凝土钢结构；不适用涂层剥离、绝热涂层和岩石土壤层等可能导致阴极保护屏蔽或失效的情形。GB/T 21448—2017规定了陆上埋地钢质管道阴极保护系统的设计、施工、测试、管理和维护，适用于陆上埋地钢质油、气、水管道。ISO 15589-1—2015 规定的阴极保护准则适用输送介质范围更广，并且明确指出准则不适用阴极保护屏蔽或失效的情形。

2）术语和定义。ISO 15589-1—2015 新增下列术语，涂层衰减系数（coating breakdown factor）、绝缘火花间隙（isolating spark gap）、局部接地（local earth⁃ing）、测试点（measuring point）、管道-电解质电位（pipe-to-electrolyte potential）、远接地点（remote earth）、电涌保护器（surge protective device）、大地电流（telluric current）和岩石穿越护套涂层（rock jack⁃et coating）。上述术语GB/T 21448—2017未涵盖，应补充完善。