基于长输天然气埋地管道阴极保护系统检测案例分析

王 俊，李靖博，李芳芳

（云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650000）

天然气能源作为社会不可缺少的关键能源，其运输效率、运输质量都和社会发展、国民生活水平挂钩。为满足不同地区的经济发展需求，很多地区进行了长输天然气管道的建设，但是长输天然气管道直接和土壤接触，容易出现腐蚀问题。阴极保护系统是目前长输天然气管道防腐的主要措施，由于管道所处环境复杂，容易阴极保护系统也会出现失效问题，所以必须对长输天然气管道进行测试，并根据测试结果采取措施，保证阴极保护系统的有效性。

1 阴极保护原理分析

埋地钢管为了防止出现电蚀问题，一般都会采用阴极保护的方式，该方法会直接利用外加电流使被保护的钢管成为阴极，能避免钢管的钢结构内部电子向外迁移，从而达到控制腐蚀的目的，甚至可以避免腐蚀出现。常见的阴极保护方式包括外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方式，用外加电流阴极保护是最为简单的方式，在实际工作中比较容易控制，在小型金属结构的保护中有比较好的效果。但是在对长输管道进行保护时，还需要使用牺牲阳极保护法，利用牺牲阳极给金属管道补充点子，维持金属管道电子过剩，从而让金属管道始终处于负电位，避免管道受到腐蚀损害。

2 天然气管道阴极保护的特点

（1）保护对象复杂性很高。阴极保护技术是一个经过长期使用的成熟技术，在实际工作中有着非常重要的作用。但是在天然气管道的阴极保护中，要面向很多内容进行保护，包括排污管线保护、热力管线、防空管线、埋地工艺管线等等，由于这些管线之间相互影响，因此技术应用中需要考虑现场情况进行综合分析。

（2）条件限制多样性。由于天然气管道阴极保护具有比较强的特殊性，尤其在外部限制条件十分多样，比如管道需要面对不同的土壤环境、周围土壤会出现温湿度、酸碱度变化，管道的接地方式不同等等，如果不能有效处理，将会导致电流大量流失，造成电流的合理流动受到限制，最终造成阴极防护工作难以满足要求。

（3）绝缘设施完善性。阴极保护技术会尽可能根据天然气管道的需求建立完善的保护措施，而且会针对关键部位进行重点防护，避免电流流失，能有效确保阴极保护的作用，也能提升实际应用效果。

（4）调度检测经常性。由于天然气埋地管道处于复杂的环境中，维护内容也比较复杂，为了能确保管道的维护效果，需要根据实际情况进行调节和分配，以保障天然气管道电位的均衡性。同时，由于站内的阴极保护检测复杂多元，在对保护有效性检测的过程中为了能保证效果，以及确保检测过程的安全，必须合理使用各类检测技术。

3 影响天然气管道阴极保护的因素

（1）防腐层受损。防腐层是天然气管道中最基础的、最关键的构成，如果防腐层受到破坏，会导致天然气管道腐蚀性能严重下降，甚至不能满足日常进行天然气输送的需求，还会造成阴极保护效果下降，以及造成防腐措施失效。为此，天然气管道保护工作中，必须加强对防腐层受损情况的分析，避免影响阴极保护效果。日常工作中应该加强对防腐层效果的监测，针对电位异常及时进行防腐层受损状态的检查，以及根据管道埋入位置周边状况选择合适的防腐层材料，减少环境对管道的不利影响。

（2）回路电阻因素。在天然气输送的过程中，会产生比较复杂的电流杂流，会对天然气管道阴极保护产生损害，其他因素也会对恒定电流产生影响，导致阴极保护电流出现波动。对管道进行电位检测时，可能出现管道内较长位置保护电位不达标的情况，导致这种问题出现的原因来自于腐蚀导致防腐层受到严重损坏。随着腐蚀侵害问题增加，会导致更为严重的回路电阻故障，将会严重影响天然气管道阴极保护的效果，会增加管道的腐蚀问题。

（3）恒电位仪影响。天然气管道阴极保护技术的本质在于牺牲阳极，但是这种方法使用过程中，如果恒电位仪出现故障，会造成电路、电子元件受损。通过结合实际情况分析，天然气管道阴极保护故障多数时候都有雨恒电位仪故障所引发，虽然处理故障比较简单，但是依然需要专业人员排除故障，如果检修人员缺少足够经验，将很难处理比较复杂的故障，还会影响阴极保护的效果。

（4）电缆和辅助阳极故障。由于阴极管道需要提供电子，所以需要有电缆进行输电，在运行中电缆如果出现短路、断路等问题，会影响电力的正常传输，整个保护系统的效果会受到影响，如果不能及时排出故障，管道运行就会出现严重损害。辅助阳极的作用在于将保护电流引入到土壤电导体中，其性能也决定了能否有效避免电化学腐蚀。如果阴极保护系统质量不合格，或者选择的阳极金属材料存在明显质量问题，就会由于腐蚀物的增加导致系统电阻增加，会影响管道的保护效果。

4 天然气阴极保护法测试概述

（1）阴极保护系统检测目的。如前文所述，阴极保护系统是地下钢管保持稳定运行的重要措施，通过抑制电子迁移有效抑制金属管道腐蚀，或者降低腐蚀严重性。随着管道的大量建设，很多管道都出现了和交流电线路、电气化铁路、变电站等电气设施交叉的情况，导致杂散电流对长输管道的影响增加，杂散电流所导致的危害也越来越严重。由于更为复杂的外界环境影响，使得阴极保护系统容易出现失效的情况。通过检测工作，能够及时发现管道运行过程中阴极保护系统的问题，发现杂散电流对阴极保护的干扰情况，方便及时采取措施对管道的阴极保护进行优化处理，提升管道的阴极保护效果，满足管道保护要求，避免管道出现腐蚀对民生和企业造成的损害。

（2）阴极保护系统检测意义。通过对管道的阴极保护进行检查，可以发现管道保护系统的故障，通过对解决保护系统的问题，确保阴极保护能满足需求。通过测量阴极保护参数，能确定保护系统是否能满足控制长输管道腐蚀要求，利用对管道的综合测试，能确定阴极保护方式是否正确合理，及时进行管道保护的修正工作。对管道的测试结果也可以利用到其他管道阴极保护系统的设计工作中，在对管道进行保养时，同样可以使用检测结果确定保养重点内容，相关部门利用阴极保护系统检测结果作为基础资料，可以制定更具有长期性、稳定的管道管理模式。通过特定的检测技术和检测方法，能对管道防腐的综合质量进行检测，分析各种防护方法在阴极保护系统中的意义，也能在出现事故后，加快对防腐问题的调查速度。

（3）阴极保护有效性测试依据。对管道阴极保护有效性测试的评价中，通过对管道各处保护电位是否处于合理范围，就可以判断管道是否处于被保护状态。通常管道的电位应该在-0.85~1.20 V，如果低于-0.85 V，则管道处于欠保护状态，若高于1.20 V则管道处于过保护状态。无论处于欠保护还是过保护状态，都需要控制和消除杂散电流在管道和土壤中的流动，避免电位的改变导致极化电位。目前，使用电位法判断阴极保护系统的有效性困难也比较高，还可以使用试片法判断管道的通断电位，分析管道电位是否满足要求。

5 长输天然气埋地管道阴极保护系统检测实例分析

5.1 检验准备

某管道的阴极保护系统共35 km，利用强制电流保护配合埋地阳极的保护方式，对管道的穿越段专门使用牺牲阳极进行防护。管道的设计压力4.0 MPa，使用L290管材。管道外侧添加三层聚乙烯防护结构，防腐层的厚度在2.9 mm以上，闭关使用加强级防护。管线所处位置以丘陵为主，地势的起伏非常大，所经地区属于二、三、四级地区，经过长期运营管道依然保持稳定，并没有出现过事故。

（1）检验资料审查。管道检验工作开始之前，进行资料审查工作。包括进行管道设计资料、管道制造资料、安装施工资料等审查，以及管道的竣工记录；还需要审查管道完成建设后的使用记录，管道运行期间的各项数据是否存在异常，包括压力、流量、温度等等。针对管道的阴极保护系统，专门查看其是否存在运行故障，管道投入使用后的改造记录，各项改造施工的方案、改造施工过程记录等。对管道投入使用后的失效记录进行检查，总结管道阴极保护出现失效的主要原因，失效后的管道运行状况，发现失效之后对管道的管理和保护措施，以及管道运行后的日常检验记录。经过检查，该管道的资料完整。

（2）制定检验方案。通过对资料的审查，初步确定管道的基本情况，已经了解管道的使用年限、运行状况，管道运行过程中的危险状况，最后根据管道防护系统暴露出的故障和问题，制定改善和修理方案。

（3）人员和设备准备。管道的检查需要保证人员满足需求，所以对人员开展资格审查工作，通过资格审查的人员需要继续接受相关的安全教育，以及学习检验计划，明确自身责任。所以检验设备在投入使用之前需要进行检查和校对，确保设备的精确性，并确保设备在使用寿命内。

5.2 检验设备

该条管线的检验工作中，主要使用以下设备：探管仪，有效确定管道的位置和走向；数字接地电阻测量仪，能够检查牺牲阳极的电阻值；标准电阻和数字万用表，能够测量管道的地电位、牺牲阳极的输出电流；铜-饱和硫酸铜参比电极；检测工具车辆、通信设备。

5.3 检查项目

经过资料检查，该管道的施工竣工资料、设计资料都十分齐全，总共35 km的管线，设置了35个外加强制电流桩，以及5个牺牲阳极。从投入运营以来，始终保持稳定的运营状态，运行状态十分稳定，并没有出现过事故。本次管道是管道投入使用之后的首次检验工作，主要进行管道阴极保护状况的检查。通过地管道的外观、各类参数进行检查，查看阴极保护是否满足要求。

（1）阴极保护系统测试桩外观检查2对35个外加强制电流测试桩、5个牺牲阳极测试桩进行检查，有一处外加电流测试桩被埋，并发现一处外加电流测试桩损坏。

（2）外加强制电流参数测试。使用地表参比法、远参比法、近参比法、辅助电极法检查管道的电位、保护电位。通过对管道的防腐结构进行检查，确定管道的三层聚乙烯防腐层具有非常好的防腐效果，并且地表参比法也很好地满足测试需求。监测工作中，必须要确保电极和土壤之间的有效接触，并且根据需要合理调整量程，严格进行各项测试参数的记录。

（3）阴极保护系统参数测试。使用数字接地电阻测量仪，使用三角形布极法进行测试牺牲阳极的接地电阻。测试接地电阻之前，需要切断牺牲阳极和管道之间的联系，之后沿着垂直于管线的方向设置一条电极，进行接地电阻阻值的测量。

管地电位的测试中，需要测试管道的自然电位、牺牲阳极开路电位、管道保护电位等参数，在本次测试中，使用了数字万用表结合参比电极CSE测试上述电位，获得管道的电位数据。

测试牺牲阳极输出电流时，使用数字万用表结合标准电阻的测试方式，所使用的标准电阻阻值为0.1Ω，满足准确度0.02 的要求。标准电阻的两个点和管道、牺牲阳极接线柱相连，两个电位接线柱分别使用数字万用表进行电位测试，需要将数字万用表设置为DC200 mV的量程，控制接线长度在1 m以内，接线的截面积要在2.5 mm2以上，计算牺牲阳极的输出电流。

5.4 检验结果讨论

经过对该厂长输天然气管道的资料审查，确定设计、制造、安装等资料完整，管道运行过程中也有完整的记录。在对阴极保护进行外观检查时，存在一个外加强制电流测试桩被埋，机器强制电流测试桩损坏的情况。通过对该管道进行参数测试，该管道的各项参数都满足运行要求、管道埋地检验规程要求，5个牺牲阳极测试桩的电阻也满足管道运行需要；通过对牺牲阳极测试桩进行检查，确定牺牲阳极的电流也满足规范需要。因此该系统运行正常，能够保护天然气管道的稳定，埋地管道的阴极保护系统运行正常。但是为了保证管道的稳定，仍然需要每年对管道进行一次检测。

6 结束语

长输天然气埋地管线是我国天然气管线的主要运输途径，随着我国社会发展，对能源需求逐渐提高，对天然气管道的稳定运行、安全管理都有着更高的要求。阴极防腐系统作为当前长输天然气管道的主要防腐方式，其有效性是管道稳定运行主要决定因素，必须通过阴极保护的有效性检测，确定阴极保护的作用发挥效果。检测过程中，应做好准备工作，检查长输管道相关资料，合理选择检测设备，对电位、阳极输出电流等项目进行全面检测，根据检测结果加强防护，保障长输天然气管道的安全。