深圳市次高压天然气管道阴极保护系统改善研究

摘 要

摘要：分析了深圳市次高压天然气管道运行现状以及相关因素的影响，提出阴极保护系统改善方案。关键词：天然气管道；阴极保护；改善1 概述 深圳市天然气利用工程是广东LNG项目下游
摘要：分析了深圳市次高压天然气管道运行现状以及相关因素的影响，提出阴极保护系统改善方案。
关键词：天然气管道；阴极保护；改善
1 概述
    深圳市天然气利用工程是广东LNG项目下游的重要配套项目。城市天然气利用工程主要包括：3座门站、3座LNG调峰站(梅林、大工业区、光明)、4座LNG气化站、1座天然气调度中心、1座高/次高压调压站、38座次高压/中压调压站、150km高压管线(设计压力4.0MPa)、225km次高压管道(设计压力1.6MPa)和2500km中压管道(设计压力0.3MPa)，85万用户，项目总投资约29亿元。未来几年深圳燃气将再投资数十亿元建设西气东输二线深圳天然气利用工程，形成全市高压、次高压、中压天然气“供气一张网”，管网年输气能力达80亿m3。
    随着城市建设的快速发展和2011年大运会的到来，深圳市各种市政改造、道路建设、轨道交通建设正如火如荼的进行，随之而来的第三方施工破坏、杂散电流影响对城市燃气管道造成了巨大的威胁。而且深圳市土壤腐蚀性较强、电阻率较高、变化明显，物质差异和环境条件差异形成各种宏电池腐蚀。深圳市天然气管道基本敷设在人口稠密的四类地区，管道一旦出现腐蚀穿孔、破裂，不仅会造成大面积停气，而且会引起爆炸、火灾、人身伤亡等灾难性事故，造成重大的社会影响。随着在建的次高压、高压天然气管道陆续投产运行，管线遍布全市，影响的范围更大。虽然相对于长输管道，城市燃气压力不高，但由于管线路由复杂、经过的地区人口稠密、城市干扰影响因素多等原因，管理难度更高、发生事故造成的后果也更严重。因此采取切实可靠的防腐措施，持续改善，加强维护和管理，确保阴极保护系统有效运行，对安全稳定供气具有十分重要的意义。
2 次高压天然气管道阴极保护现状和存在的问题
    深圳市已运行次高压天然气管道约120公里，设计压力1.6MPa，材质为X52，管径分别为DN300、DN400和DN500，管道外防腐涂层采用加强；圾3PE防腐层。阴极保护为牺牲阳极阴极保护系统，每隔250米安装一对14公斤的镁合金阳极，市政路段采用检测井、山地路段采用检测桩与管道相连，总共有检测桩/井419个。经过检测发现，采用参比电极测试管线的通电电位，比-0.85v正的检测桩/井占33%；采用极化探头测试管道的断电电位，比-0.85v正的检测桩/井占45%，说明很多地段管道没有达到阴极保护要求，如果管道有防腐层破损，存在腐蚀穿孔风险，需要尽快整改。
2.1 阴极保护设计问题
   通过调查，深圳关外地区中西段平均315Ω·m，中段平均387Ω·m，东段平均803Ω·m。市区内平均180Ω·m、农田、河流、水塘位置电阻率平均30Ω·m，丘陵、山体地带电阻率平均大于1000Ω·m，工业区、丘陵山体过渡地带介于100～1000Ω·m之间。因此在高土壤电阻率地区，采用等间距、统一规格设置牺牲阳极的保护方式值得商榷(牺牲阳极通常用于低电阻率土壤中)。而且设计中也未详细调查沿线杂散电流影响，对于特殊地段当然管线设计时无法得知管线实际运行的状况，但应根据经过地区情况区别对待，对其它已存在的可能影响管道的设施采取一定的解决措施。
2.2 施工质量
    经过检测，对异常点开挖验证发现阴极保护系统施工存在质量问题。如管道直接连阳极(未设检测桩，无法检测)、电缆包封不严、破损产生漏电、电缆与管道焊接处防腐不好、阳极数量不足、接线错误等问题影响阴保效果，造成阳极消耗快，达不到保护要求。
2.4 与其他管道并行段干扰
    由于部分路段次高压天然气管道与上游LNG管道和成品油管道并行(采用外加电流阴极保护)，为了判断LNG管线对次高压管线的影响，技术人员进行了现场测试，主要包括：LNG管线的保护电位、次高压管线保护电位，并在LNG管线平湖门站阴极保护站恒电位仪开10分钟一停10分钟一开10分钟共30分钟的时间段内，用记录仪检测了次高压管线的阴极保护电位波动情况。通过检测发现，LNG管线和次高压管线闭路电位都不稳，波动较大。
 

    由于LNG管线采用的外加电流地床，由测试结果发现，平湖门站恒电位仪停止工作的情况下，次高压保护电位测试数据整体朝正方向移动。说明LNG管线外加电流系统工作时，次高压管线吸收了辅助地床发射的电流，吸收的电流会在某些地方流回到LNG管线中去，造成次高压管线的腐蚀和电位波动。
 

2.5 杂散电流影响
    杂散电流是指在大地中流动的设计之外的电流，如电气化铁路，各种供用电设备接地等漏散的电流均可视为杂散电流。这种电流能对地下金属管道产生腐蚀破坏作用。杂散电流分为直流杂散电流和交流杂散电流两种。通过检测发现，在与高压线并行的市政走廊段，有三处的管道交流电压超过6V，此处交流干扰超标(参考德国DIN标准)。标准的镁合金阳极的开路电位应在-1.57～-1.67之间，但随管道的运行和牺牲阳极发生消耗，阳极开路电位会发生电位变化。对在特区外次高压管线170个阳极的电位、电流进行检测，发现部分阳极电位偏低和电流输出异常，其中有22个阳极开路电位高于-1.4v，通过对2处阳极进行了开挖验证，证明了阳极因为杂散电流的影响达不到设计寿命。
2.6 测试标准
    传统的保护电位测试方法，为国内最为常用的测试方法，但有非常大的局限性，受到杂散电流影响后，没有办法准确测试，无法去除IR降的影响。通过现场实际测试分析与比较，最终确定定采用极化探头法，为检测管道阴极保护真实极化电位提供了较理想的手段，与其它测量方法相比能最大程度的消除IR降，在高电阻率土壤和有杂散电流干扰的情况下可以测到最接近真实值的阴极保护极化电位。
    根据《城镇燃气管道埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2003，阴极保护系统的判据(等同与美国NACE标准)如下：
    ① 施加阴极保护后的极化电位至少应达到-850mV(CSE)或更负；
    ② 采用断电法测得的极化电位应达到-850mV(CSE)或更负；
    ③ 在极化形成或衰减时的阴极极化值应不小于100mV；
    ④ 存在细菌腐蚀时，通电保护电位值负于或等于-950mV(CSE)；
    ⑤ 在沙漠地区，通电保护电位值负于或等于-750mV(CSE)
3 次高压天然气管道阴极保护改善方案
3.1 线路阴极保护设施完整性改造
    通过整改和增设阴保设施，实现阴保系统设施、数据的完整性建设，为阴保系统正常运行提供保障。
    主要工作内容简述：
    ① 土壤环境分析
    a. 干扰段土壤电阻率测试；
    b. 干扰段PH值调查、土壤环境理化分析。
    ② 阴极保护系统检测基础设施完善
    a. 阴保系统基础设施维护、维修整改；
    b. 统一检测桩/井接线标准；
    c. 检测桩外表面除锈防腐、统一进行编号；
    d. 与上游LNG、成品油管线并行段测试桩埋设；
   e. 长效极化探头埋设；
   f. 建立阳极寿命档案，定期维护、维修，确保阴极保护系统有效运行；
    g. 检测桩/井信息、检测数据录入到GIS中，实现数据动态管理。
3.2 阀室阴极保护系统改造
    针对运行次高压管道的28座阀室加装阴保系统，实现阀体防腐蚀保护。
    主要工作内容简述：
    ① 阀室两侧绝缘接头设置接地电池保护
    埋地绝缘接头处设置接地电池，提供一个低电阻通道，排放强电电流，但又不泄漏阴极保护电流，接地电池由并行靠近的2支锌合金牺牲阳极棒组成，中间用绝缘垫块隔开，然后一起装在装有填包料的棉布袋中，通过引出电缆焊接在绝缘装置的两侧，以防止强电冲击引起的损坏。锌合金棒的规格为：40×40×1000mm。
    ② 地上放散管绝缘接头加装火花隙排流措施
    地上放散管绝缘接头设置半导体保护器装置，阻止低电压的阴极保护电流流失，同时可在高电压脉冲和感应交流电的情况下及时防护设备和人员的损伤，这种装置不涉及腐蚀性电解液，通流容量大残压值低，具有防水、防爆功能，适用于不同环境的安装，维护要求低。
    ③ 增设阳极，保护阀体防腐蚀
    原阀体并未纳入全线阴极保护范围，而阀体处在同一腐蚀环境中，须增设保护措施。采取每处阀体设置一支14kg镁合金的阴极保护措施。在阀体两个绝缘接头外侧各增设一组2×25kg锌合金阳极保护组，作为分区保护后排流措施，阳极组导线加装排流节，只允许电流单向流动。
   ④ 设置测试桩
   测试桩设置于阀室内，专门定制。测试功能包括：绝缘接头绝缘性能、接地电池性能、阀体保护阳极组指标、两侧排流组工作指标。
   ⑤ 阀室绝缘接头跨接部分的改造
   断开阀室两绝缘接头外侧跨接电缆，使管道分段隔离、阀室两端管道分区保护，以限制杂散电流干扰强度和范围，增加管地电阻，避免杂散电流大范围跨区流动。根据牺牲阳极的设置以及阴极保护系统运行状况，在取消跨接后，对有需要的管段进行阴极保护系统调整，以确保管线维持在完好的保护状态。
3.3 高压电塔旁次高压管线安装耦合器保护
    现运行管线距离高压电塔最近的距离约5米，如果电塔出现故障电流，将严重威胁管线的运行安全(美国有相关的案例)。因此，在管线距离电塔接地线50米范围内，对管道加装固态耦合器，实现故障电流保护。
3.4 干扰段管线杂散电流的排流
    对两阀室间管道(通常为5公里)分段进行排流，针对不同的干扰源的种类，交流、直流干扰的类型，采用多种排流方式，有效实现杂散电流排流，控制干扰电流，防止管线腐蚀。
3.5 与其他管道、轨道交通并行段的联合保护
   与次高压管道交叉和平行的其他管道(特别是其它采用外加电流的阴极保护管道)和电气化铁路、地铁协商，进行联合保护和系统的排流。
3.6 安装阴极保护在线监控系统
    安装阴极保护在线监控系统，实时监控阴保运行状况，评估管线的保护状态，记录、分析运行参数，为排流工作提供数据支持。在线阴极保护数据监测系统是为了严密监测地下管道腐蚀保护状况的系统。在燃气管道沿线的野外监测点装数据采集器，实时采集该处与腐蚀保护状况相关的各项数据。通过SCAD系统无线通讯网络，遥测各站测试桩点的数据，并集中进行处理，同时采用友好的人机界面，使监测数据、图表直观方便，从而达到最佳的阴极保护管理效果，使管道系统实现现代化设备信息管理，达到长期安全运行的目的。
3.7 依托GIS系统对阴极保护系统进行完整性管理
   将全线阴极保护检测桩/井根据座标录入GIS系统，建立静态、动态的设备档案进行数据管理，对定期的检测数据进行统计、分类、趋势分析，及时全面了解掌握管道阴极保护状况。
4 结论
    对于城市天然气管道，在设计时应充分考虑所处环境和杂散电流的影响，选择合理的阴极保护力案，加强施工质量的管理。依托先进的SCADA系统和GIS系统开展管道阴极保护系统的完整性管理，加强管道的检测和数据分析，对管道的阴极保护系统进行持续的改善，控制管道的腐蚀，保障长期稳定的供气。
参考文献：
[1] GB/T 21448-2008，埋地钢质管道阴极保护技术规范.
[2] GB/T 21447—2008，钢质管道外腐蚀控制规范.
[3] CJJ95-2003，城镇燃气管道埋地钢质管道腐蚀控制技术规程.
[4] 杨义军，李文玉，王芷芳，杜艳霞等.极化探头在埋地钢制管道阴极保护的应用.煤气与热力，2010，30(4)：A24-A27.
[5] 陆忠.天然气输送与城镇燃气.中国石油大学出版社，2007.8
[6] 郭生武，袁鹏斌，张十金.输送管线完整性检测、评价及修复技术.北京：石油工业出版社，2007.5
 
(本文作者：王晨 安成名 深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518055)