降低某气田阴极保护系统故障率的技术探究

袁银春,王小魏,王 威,杨 龙,刘子熠

(中国石化西南油气分公司采气二厂,四川 阆中 637400)

采取阴极保护措施可使被保护金属在电化学电池中成为阴极,从而减缓其腐蚀[1-2]。高含硫气田地面集输系统的工艺防腐是集输系统安全平稳运行的基础,某气田的地面集输系统含H2S和CO2,其集输管道位于复杂山区,采用“抗硫管材+防腐涂层+缓蚀剂+阴极保护”的联合防腐手段对埋地钢质酸气管道和燃气管道进行防护[3-4]。通过现场测试桩电位检测和试片断电法电位检测来采集埋地管道阴极保护电位信号[5-6]。采用万用表检测现场测试桩电位,通过数据分析判断管道是否处于保护状态;试片断电法是采用与管道材质相同的极化试片,将其与管道连接,断电瞬间测量试片电位,从而获得管道断电电位,然后通过智能电位采集系统将数据远程传输至服务器,判断管道保护情况,具有可靠性与便捷性[7-8]。

1 技术原理及故障原因分析

1.1 强制电流阴极保护技术原理

强制电流阴极保护技术原理是通过向被保护金属表面施加一个保护电流,使金属表面全部处于阴极状态,从而抑制阴极区金属表面的电子释放。施加的电流越大,产生的阴极极化越强,当腐蚀原电池的阴极与阳极达到等电位时,金属表面的阳极区消失,腐蚀就会得到抑制。某气田强制电流阴极保护系统如图1所示,通过恒电位仪对酸气管道和燃气管道施加阴极保护电流,使管道产生阴极极化,当管道的电位低于其自身的自然腐蚀电位时,管道达到保护状态。

1.2 阴极保护系统故障原因分析

根据现有文献及某气田强制电流阴极保护系统现场运行情况分析,得出影响系统稳定性的主要原因为恒电位仪故障、参比电极故障、数据采集仪故障、绝缘法兰失效、杂散电流干扰、管道外防腐层破损、阳极地床失效、排流装置失效、工程建设开挖和人员责任心缺失等[9]。

通过发放及回收问卷调查表,从各系统及管理模式入手,调查影响阴极保护系统稳定性的原因,发现系统中存在14项具体问题,见表1。结合生产实际,采用鱼骨图分析法对阴极保护系统故障原因进行分析,分析结果见图2。阴极保护系统故障原因可分为五类:一为测量类原因;二为环境类原因;三为设备类原因;四为操作类原因;五为工艺类原因。

表1 阴极保护系统中存在的具体问题

图2 阴极保护系统故障原因分析

2 确定系统故障的主要原因

对阴极保护系统的运行情况进行调查分析,并对其故障类型进行统计和排序,确定了杂散电流干扰、阴极保护系统设备设施故障、数据传输信号不好和巡检人员巡检不到位为系统故障的主要原因。

2.1 杂散电流干扰

杂散电流干扰会导致埋地管道遭受杂散电流的干扰腐蚀,也可能危及管道巡检人员和管道周边居民的人身安全。因此需要采取排流措施,降低管道运行风险。

2.2 阴极保护系统设备设施故障

2.2.1 恒电位仪故障

恒电位仪内部电路及电子元件损坏造成恒电位仪故障,导致恒电位仪停运或输出数据异常,不能对管道施加阴极保护电流。

2.2.2 极化探头故障

IR降是由电流和电阻所引起的偏差,在埋地管道阴极保护电位测量中会对仪器造成测试障碍,导致读数偏差。最有效排除IR降的方法是采用极化探头测试,若极化探头受潮或被氧化生锈均会导致极化探头发生故障,使其无法进行正常测试。

2.2.3 数据采集仪故障

数据采集仪是阴极保护测试桩的核心设备,可以采集管道断电电位、杂散电流干扰电压、自然电位和管地电位等电位数据,并将数据远程传输至服务器进行分析,从而判断管道保护情况。当阴极保护测试桩数据采集仪出现故障时,数据停止采集,无法判断管道是否处于保护状态,故数据采集仪十分重要。

2.3 数据传输信号不好

在阴极保护测试桩中安装物联网卡,通过移动数据传输将采集到的管道电位数据传输至控制中心服务器,因山区地形地貌复杂,部分地区信号较差,导致数据传输延迟或数据丢失,在系统中表现为数据采集仪故障。

2.4 巡检人员巡检不到位

2.4.1 恒电位仪巡检不到位

查看恒电位仪1至9月巡检记录发现,由于施工作业冲突等原因,未按时对其进行巡检16次。未巡检期间恒电位仪发生故障1次,未及时发现上报,这说明巡检人员巡检不到位不是恒电位仪发生故障的主要原因。

2.4.2 阴极保护测试桩巡检不到位

查看阴极保护测试桩1至9月巡检记录发现,按时对其进行巡检255次,未按时对其进行巡检20次。未巡检期间阴极保护测试桩发生故障11次,未及时发现上报,这说明巡检人员巡检不到位是阴极保护测试桩发生故障的主要原因。

3 系统优化对策及效果

3.1 修复管道外防腐层

M49阴极保护测试桩的杂散电流干扰电压最大值为6.07 V,高于控制值4 V。对YB271至YB272H沿线埋地酸气管道的防护绝缘层漏点进行排查,发现一处管道外防腐层破损点(距离20号桩6 m处),对其进行动土开挖,发现其聚乙烯黑夹克破损,水分进入后造成杂散电流过大。检测发现管道外表层存在浮锈,管道本体无明显减薄,打磨浮锈后刷涂底漆,并按规范修复了管道外防腐层。

聚乙烯黑夹克修复后,M49阴极保护测试桩的杂散电流干扰电压最大值由6.07 V降低至 3.82 V,低于控制值4 V,杂散电流干扰电压下降很明显,表明管道外防腐层修复有效。

3.2 降低系统设备设施故障率

根据目前阴极保护系统设备设施故障情况,为降低故障率,可从以下两个方面着手对系统进行优化。

3.2.1 做好恒电位仪的切换运行

为了防止单台恒电位仪长时间运行,每个场站应配备两台恒电位仪,每月对其进行一次切换运行,从而降低其故障率。

3.2.2 做好设备设施的日常维护保养

对阴极保护系统设备设施进行日常维护保养,防止设备设施进水,做好设备设施的干燥工作,减少其故障次数。

3.3 提升数据传输能力

阴极保护测试桩将管道电位数据采集后,因山区信号较差导致数据传输延迟或数据丢失,现场检查发现,阴极保护测试桩设备设施完好,物联网卡未升级,导致数据传输信号不好。对物联网卡进行升级,并在阴极保护测试桩上方加装信号接收及发射天线,增强数据传输信号,使阴极保护测试桩数据传输正常,保证数据的连续性。

3.4 提高巡检质量

根据目前场站内恒电位仪和场站外阴极保护测试桩的巡检情况,为了避免巡检不到位的情况,可从以下两个方面着手提高巡检质量。

3.4.1 对巡检人员进行专业技能培训

目前只有维修保养人员以及专业技术人员熟悉恒电位仪的操作,而其他人员却不熟悉。为了提高巡检质量,应完善恒电位仪的操作规程,并对巡检人员进行宣贯培训,使巡检人员能有效识别异常情况。

3.4.2 制定巡检管理制度

针对因阴极保护测试桩巡检不到位而导致设备异常的情况,6至7月全面排查所有的阴极保护测试桩的安全隐患,共发现11个阴极保护测试桩存在问题,由于巡检不到位,管道零位接线端子旋紧帽盖缺失等很多小问题均未被发现,导致接线接触不良,无法正常采集数据。8月通过制定地面集输系统腐蚀与防护管理细则和阴极保护系统巡检方案,明确了巡检要求及巡检质量。9至11月恒电位仪和阴极保护测试桩未出现不按时巡检的现象,巡检率达100%,并且也未出现因巡检不到位而引起的阴极保护系统设备设施故障。

3.5 系统优化效果评价

3.5.1 生产效果评价

通过优化阴极保护系统和制定设备设施巡检及维修保养管理制度,全年设备设施仅出现故障11次,比上一年减少34次;恒电位仪输出电压从10 V降至2 V,电流从5 A降至1 A,恒电位仪运行更加稳定。阴极保护系统全年故障率由15%降至5%以下,提高了阴极保护系统运行的稳定性。

3.5.2 经济效益评价

每次故障处理至少需配1台车、1名司机和2名维修保养人员,费用为1 000元/次,按照故障减少34次进行计算,可节约人工成本3.4万元。同时,每次故障处理需要材料费,按照500元/次进行计算,可节约材料成本1.7万元。

另外,为了防止杂散电流对酸气管道的干扰,安装一套排流装置及附属设施需要20万元,而对管道外防腐层破损点进行检测、开挖验证以及修复,也能取得同样的效果,只需要1万元/次,假设存在5个破损点,费用仅为5万元,可节约成本15万元。

4 结论及建议

(1)根据阴极保护系统现场运行情况分析,对阴极保护系统设备设施故障和人为操作失误等问题进行针对性处理,阴极保护系统故障率由15%降低至5%以下,提高了阴极保护系统运行的稳定性,确保了气田酸气管道的安全平稳运行。该技术目前主要用于管道防腐,可推广用于其他燃气输送管道,具有较高的应用价值。

(2)建议根据管理区休假安排,每月组织员工进行专业培训,涉及人员包括技术人员、技能人才和场站值班人员,并在月末交接班期间,对现场值班人员进行理论知识和实操技能考核,加深岗位人员对恒电位仪和阴极保护测试桩维护保养的认识;同时,收集和整理阴极保护系统日常运行过程中出现的各类问题,对故障类型及出现频次进行对比分析,从中找到故障规律或故障表现形式,进一步完善阴极保护系统,提高阴极保护系统运行效率。