徐承偉,滕延平,蔡永軍,蔡培培,蔣國輝,楊士梅,許 卓

(1.中國石油管道科技研究中心,河北廊坊 065000;2.中國石油管道公司加格達奇輸油氣分公司,黑龍江加格達奇 165000;3.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司,河北秦皇島 066000;4.中國石油管道公司大連輸油氣分公司,遼寧大連 116300)

陰保站附近管道電位異常原因分析及對策

徐承偉1,滕延平1,蔡永軍2,蔡培培1,蔣國輝2,楊士梅2,許 卓4

(1.中國石油管道科技研究中心,河北廊坊 065000;2.中國石油管道公司加格達奇輸油氣分公司,黑龍江加格達奇 165000;3.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司,河北秦皇島 066000;4.中國石油管道公司大連輸油氣分公司,遼寧大連 116300)

管地電位為衡量管道是否得到足夠陰極保護的重要評價指標,但在日常管理工作中,陰保站附近經(jīng)常會出現(xiàn)管地電位過負的問題,這為管道的安全運行帶來一定隱患。以秦皇島首站附近管道為研究對象,采用對兩條管道單獨提供陰極保護的方法,研究陰保站附近管地電位過負的真正原因并提出相應(yīng)的解決措施。此外,也對電位過負管段進行斷電電位測量。結(jié)果表明:管道處于正常保護狀態(tài),日常測量中管地電位過負是受到陽極地床干擾所致。對于電位過負管段,所測試的管地電位只是一個表象,并不能代表真實的陰極保護電位,不能根據(jù)此數(shù)據(jù)判斷防腐蝕層可能發(fā)生陰極剝離的可能性。

陽極地床 陰極保護 電壓升

1 秦皇島輸油站管道分布

秦皇島輸油站作為鐵嶺 -秦皇島 -北京原油輸送管道的重要中樞站,共管轄三條原油管道:鐵秦線、秦京線及裝船線。秦皇島輸油站管道分布見圖 1。三條管道分別承擔(dān)接收上游東北來油,向中國石油化工股份有限公司燕山石化分公司輸送原油及分輸至秦皇島油港的任務(wù)。其中,鐵秦線和秦京線采用同一恒電位儀進行保護,且僅在恒電位儀陰極輸出端跨接。裝船線與上述兩條管道均沒有跨接點,其恒電位儀器安裝 8號樁附近的油港碼頭。

在日常的陰極保護管理中,恒電位儀工作基本正常,其型號及輸出電壓見表 1。但所測得陰保站附近的管地電位遠負于通電點電位。表 2為秦皇島輸油站附近管地電位及通電點電位。其中,秦京線首端 1號樁,鐵秦線末端 454號樁及裝船線 1號樁的管地電位分別為 -1.90 V、-1.82 V和 -1.80 V(相對于 CSE,下同),均遠負于通電點的電位 -1.45 V。隨著與陰保站距離的增加,相鄰的秦京線2號樁,鐵秦線 353號樁及裝船線 2號樁的管地電位分別 -1.38 V,-1.40 V和 -1.37 V,管地電位基本回歸正常。

表 2 秦皇島輸油站附近管地電位及通電點電位Table 2 Soil potential and electricity potential in the nearby ofQinhuangdao oil transportationstation V

2 電位異常原因初步分析

導(dǎo)致管地電位異常的原因較多,如動態(tài)直流雜散電流干擾,自然電位偏負,強制電流陰極保護系統(tǒng)所用長效參比失效,地電場發(fā)生等。為了弄清陰保站附近電位異常的原因,有必要對其進行一一排查。

2.1 雜散電流干擾

首先使用存儲式雜散電流測試儀,分別在秦京線 1號樁,鐵秦線 454號樁,裝船線 1號樁,進行了長時間的電位測試,測試結(jié)果表明管地的直流電位波動較小。同時對現(xiàn)場周邊環(huán)境進行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)上述管道附近均不存在地下采礦、電氣化鐵路或高壓線等干擾設(shè)施,基本排除了動態(tài)雜散電流干擾的影響。

2.2 長效參比電極干擾

測量恒電位儀使用的長效參比電極與已校準的參比電極之間的誤差,發(fā)現(xiàn)誤差僅為 11 mV,從而也排除了恒電位儀參比電極失效引起誤差的可能。

2.3 自然電位干擾

將為三條管線提供陰極保護電流的兩臺恒電位儀關(guān)閉 24 h,待管道完全去極化后,對上述測試樁的自然電位進行測量,發(fā)現(xiàn)秦京線 1號樁、鐵秦線 454號樁及裝船線 1號樁的自然電位分別為 -0.61 V、-0.53 V和 -0.62 V,均處于正常范圍之內(nèi)。

由此可推測,極有可能是秦皇島站周圍輔助陽極地床對管道電位形成了干擾。

3 實驗設(shè)計驗證

為了進一步判斷陽極地床的存在是否對陰保站周圍的管地電位造成影響,特設(shè)計以下實驗:

(1)單獨對秦京線施加陰極保護,測量鐵秦線454號樁的管地電位 (U1)隨輸出電流變化;

(2)單獨對鐵秦線施加陰極保護,測量秦京線1號樁的管地電位(U2)隨輸出電流變化;

(3)對鐵秦線與秦京線聯(lián)合保護,測量裝船線1號樁的管地電位(U3)隨輸出電流的變化情況。

表 3為恒電位儀器不同輸出電流情況下,測得的各測試樁管地電位。

表 3 不同輸出電流情況下的管地電位Table 3 Soil potential in different output current situation

由表 3可以得出,當(dāng)恒電位儀僅對秦京線單獨進行保護時,鐵秦線 454號樁電位也發(fā)生了負向偏移。秦京線陰極保護輸出電流越大,454號樁的電位負向偏移越大。當(dāng)秦京線的輸出電流在 5 A時,鐵秦線 454號樁電位達 -1.05 V,而相鄰的 453號樁電位僅為 -0.62 V,管地電位較自然電位并未發(fā)生明顯負向偏移。單獨對鐵秦線施加陰極保護,秦京線 1號樁的管地電位變化規(guī)律亦如此,這說明秦京線與鐵秦線并不存在跨接點,且干擾范圍影響有限。同樣對秦京線與鐵秦線聯(lián)合保護時,調(diào)整陰極保護輸出電流,裝船線的電位亦有明顯的變化。當(dāng)關(guān)閉首站恒電位儀后,裝船線 1號樁電位為 -1.40 V,處于正常范圍之內(nèi)。當(dāng)首站恒電位儀恢復(fù)日常工作狀態(tài)而時,裝船線 1號樁電位竟為 -1.8 V。

4 干擾原因分析

外加電流法陰極保護系統(tǒng)的保護電流是經(jīng)由陽極地床進入土壤,從土壤流經(jīng)管道,通過使管道陰極極化而受到保護[1]。因此在陽極地床附近的電位梯度 (即單位距離內(nèi)的電壓力降)最大,且電位梯度隨著與陽極床距離的增加而降低。當(dāng)距陽極床較遠處,此時地電位 (參比電位)可認為等于零。此時,所測得管地電位為管道真實的通電電位。

當(dāng)管道距離陽極床較近時,由于陽極床的散流作用,管道所處的位置大地電勢并不為零,而是一個正值。而測量的管地電位是管道與銅 /硫酸銅參比電極之間的差值,由于銅 /硫酸銅參比電極所處的大地電位為正值,則測量的管地電位必向負向偏移。而秦皇島首站的鐵秦線 454號樁、秦京線 1號樁距離陽極地床距離的距離均較通電點的位置較近,這也導(dǎo)致測得的管 /地電位數(shù)值負于通電點的給定電位。

根據(jù) NACE推薦的計算公式,距離陽極床 xm處,相對于遠地點的大地電位升高大小可以由下面的公式進行計算:式中:Ux,re——距離陽極地床 x米處,相對于遠地點 (電位梯度為零)的大地的電位升高值;

I——陰極保護輸出電流;

ρs——土壤電阻率;

L——陽極地床長度。

經(jīng)過現(xiàn)場測量和調(diào)研,得知對于秦皇島首站附近管道ρs為 30Ω·m,L為 50 m,在 I為 7.3 A下,當(dāng)距離陽極地床 100 m時,此時產(chǎn)生 Ux,re為0.419 V。

對于裝船線 1號樁,當(dāng)關(guān)閉秦皇島首站恒電位儀后,可以測得其真實管地電位 (UON)約為 -1.40V左右,由于受到了秦皇島首站陽極地床散流的干擾,導(dǎo)致其測量電位為 U′ON=UON-Uxre=-1.40-0.419=-1.819 V,與實際測量值計算數(shù)值吻合較好。

5 陰極保護有效性評價

由 G B/T 21447—2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護規(guī)范可知,鋼質(zhì)埋地管道的斷電電位是判斷管道是否受到有效陰極保護的重要指標。在日常管道維護過程中,恒電位儀輸出和使用萬用表測量的管地電位卻是通電電位。而通電電位是管道斷電電位和陰極保護電流流經(jīng)土壤及涂層時所產(chǎn)生的 I R降之和。因此,日常管理中通過控制及測量通電電位來判斷埋地管道是否受到有效的保護存在一定誤差[3]。

為了消除 I R降及地電場對電位測量帶來的影響,該實驗將采用 GPS同步中斷法對秦京線 1號樁、鐵秦線 454號樁及裝船線 1號樁的通電及斷電電位進行測量,并結(jié)合 GB/T 21447—2007中的陰極保護準則來判斷上述電位過負管段是否真正處于過保護狀態(tài)。具體步驟為:(1)在秦皇島首站及裝船線陰保間恒電位儀上各安裝了 GPS同步中斷器,通斷周期設(shè)置為 1.8 s通、0.2 s斷,延時 0.1 s;(2)將同步電流中斷器串聯(lián)在兩臺恒電位儀陽極輸出端;(3)待電流中斷器捕捉到 GPS衛(wèi)星后,即可實現(xiàn)電流中斷輸出;(4)設(shè)置電位智能記錄儀參數(shù)與電流中斷器一致;(5)測量人員攜帶智能記錄儀至上述測試樁處,待設(shè)備捕捉到 GPS衛(wèi)星后,測量管道通斷電位,具體數(shù)據(jù)見表 4。根據(jù)陰極保護準則 GB/T 21448—2008可知,上述電位異常點斷電電位均介于 -850～-1200 mV,管道處于正常保護狀態(tài),日常管理過程中所測到的通電電位過負是由于受陽極地床干擾所致。

表 4 各測試樁通電和斷電電位數(shù)據(jù)Table 4 Potentials data of each test pile when the circuit is on and off V

6 結(jié)論與建議

(1)目前管道的施工過程中,由于征地的困難,許多設(shè)計部門設(shè)計的陽極床的位置非?？拷艿?甚至靠近通電點,由于陽極地床的影響,這也直接導(dǎo)致恒電位儀不能有效的輸出,使得遠端的管道得不到有效的陰極保護。建議設(shè)計時,應(yīng)盡量將陽極地床的位置應(yīng)盡量遠離通電點,或?qū)㈥枠O地床的埋設(shè)方式由淺埋式改為深井式。

[1] 吳蔭順,曹備 .陰極保護和陽極保護-原理、技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:中國石化出版社,2007.

[2] 薛致遠,張豐,畢武喜,等 .東北管網(wǎng)陰極保護通電 /斷電電位測量與分析[J].油氣儲運,2010,29(10):772-773.

Analysis and Solution for Abnorm ity of Potential of Pipeline Nearby Cathodic Protection Station

Xu Chengwei1,Teng Yanping1,Cai Yongjun2,Cai Peipei1,Jiang Guohui3,Yang sh imei2,Xu Zhuo4
(1.PetroChina Pipeline R&D Center,Langfang,Hebei 065000;2.PetroChina Pipeline JiagedaqOil&Gas Transportation Sub-co mpany,Jiagedaq,Heilongjiang 165000;3.PetroChina PipelineQinhuangdaoOil&Gas Transportation Sub-company,Qinhuangdao,Hebei 066000;4.PetroChina Pipeline Dalian O il&Gas Transportation Sub-com pany,Dalian,L iaoning116300)

The potential of pipelines is an important parameter for evaluation ofwhether the pipelines have been effectively protected by cathodic protection nor not.In daily operation,the pipeline nearby cathodic protection station exhibits"over protection,"which will impose potential hazard for the safe operation ofpipeline.W ith a case study of pipelines nearby initialQinghuangdao station,the root causes of"over protection"of pipelines nearby cathodic protection station are studied through separate cathodic protection of two pipelines,and corresponding solutions are presented.In addition,the electric potential of"over protection"pipelines is measured by"off"electricity.The results show that the pipelines are properly protected,the"over protection"in daily measurement is the result from interference of anode beds.For"over protection"pipline,the potential measured is just a phenomenon and does not represent the real cathodic protection potential,and therefore,can not be used to decide whether the anti-corrosion insulation has been spalled or not.

anode bed,cathodic protection,voltage rise

TG174.41

A

1007-015X(2011)06-0046-04

2011-09- 02;修改稿收到日期:2011-12-01。

徐承偉,工程師,主要從事管道防腐方向的研究工作。E-mail:imr-xu@126.com

book=6,ebook=174

(編輯 董海青)

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