影响油气管道阴极保护系统因素分析及对策.pdf

★ 石 油 化 工 安 全 环 保 技 术 ★ P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N M E N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 2 0 1 5年第 3 1 卷 第 2期 影响油气管道阴极保护系统因素分析及对策 张小月，何 晔，武 威 华 东管道设计研究院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要近年来管道事故频发，腐蚀因素是事故的主要原因之一。而阴极保护系统是管道 重要的防腐蚀保护措施。根据阴极保护的原理，分析 了采用钢套管保护和电气化铁路等杂散 电流 两个方面对埋地管道 阴极保护 系统的影响，并引用实例进行分析。针对这两方面的影响 因素提 出 对策措施 ，特别针对电气化铁路等杂散 电流排流问题 ，比较 了极性排流、嵌位式排流、固态去耦 合器排流三种排流方式的优缺点，在实际应用中应根据实际情况选择合理的排流方法。 关键词 油气管道 阴极保护影响分析对策措施 随着经济的发展和清洁生产 的需要 ，我 国油 气长输管道建设进入了发展的高潮期 ，根据 中 国管道运输行业 “ 十一五” 回顾及 “ 十二五”规 划投资分析及预测报告可知到 2 0 0 9年，中 国已建成原油管道 1 ． 7万 k m，成品油 1 ． 4万 k m， 天然气 3 ． 1 万 k m。国家能源局发布的 能源发展 “ 十二五”规划 中提到“ 十二五”时期 ，新增 原油管道 8 4 0 0 k m，新增成品油管道 2 ． 1万 k m， 新增天然气管道 4 ． 4万 k m，到 “ 十二五”规划期 末全国长输油气管道总里程将超过 1 0万 k m。 根据对近4 0年国内外油气长输管道事故统计 分析的结果表明外部影响、腐蚀、材料缺陷等 是油气管道发生失效 的主要因素 J ，腐蚀是造成 油气管道事故的主要原因之一。 对油气输送管道 ，因腐蚀引起的泄漏、管道 破裂等事故不但损失重大 ，抢修 困难 ，还可能引 起火灾爆炸及污染环境。防腐蚀是重要 的防护措 施。为确保防腐蚀工作 的可靠性 ，长输管道常采 用外防腐层 和强制 电流 阴极保 护的联合 保护 方 式。这种方式可大大提高管道的抗腐蚀性能 ，延 长管道寿命。阴极保护是一项非常有效 的防腐技 术 ，试验表明没有阴极保护 的管道 的腐蚀速率 是有阴极保护管道腐蚀速率 的 2 0倍以上。因此 ， 确保管道阴极保护系统的有效性 ，对 于管道 的安 全运行十分重要。 1 阴极保护原理 目前 ，国内外管道 的阴极保 护系统采用强制 电流为主 、牺牲 阳极为辅 的阴极保护方法。阴极 保护原理 从 电化学原理上讲 ，腐蚀电池 的阴极 是不发 生腐蚀 的，只有 阳极 才发生腐蚀 。因此 ， 将被保 护金 属变成 阴极 ，就可 以防止金 属 的腐 蚀。其原理是给金属补充大量的电子 ，使被保护 金属整体处于 电子过剩的状态，使金属表面各点 达到同一负电位 ，金属原子不容易失去电子变成 离子而溶入溶液。 阴极保护 电流方 向 图 1 管道强制电流阴极 保护 道 从 以上阴极保护原理得知 ，要使管道阴极保 护系统发挥有 效作 用 ，必 须让 电流 到达管 道表 面，从而保护管道不受腐蚀 。 收稿 日期 2 0 1 41 2 0 2 。 作者简介张小月，女，2 0 0 5年毕业于江苏工业学 院化学工程 与工 艺专业 ，现从事 油气 管道设 计工作 ， 工程师。 ★ 石油化工安全环保技术★ 2 0 1 5年第 3 1卷第 2期 牵引供电系统由接触网、钢轨及 回流线 N F 构成 回路 。利用接 触 网与 回流线之 间 的互 感作 用 ，使钢轨 中的回流尽可能 由回流线流 回牵 引变 电所 ，减小经钢轨泄漏 到大地 中的泄漏 电流。交 流电气化铁道是 以大地作为第二根导线来传送 电 流的。由于轨道和地之间并非完全绝缘 ，因此轨 道沿线总会有部分泄漏电流进入大地。在入地电流 点或牵引变电所周围大地中将形成高电位 ，就会对 附近的油气管道及油库产生影响。阻性耦合影响可 以用地中杂散电流场的基本原理来说明 J 。 电气化铁路的牵引供电系统作为一种特殊形 式的不对称高压输 电线路 ，由于 电磁感 应作用 ， 常常会对电气化铁道附近的油气管道产生感应电 压或感应电流。 电气化铁道附近 的地下金属管道就会受 到干 扰。某条管道在用恒电位仪进行检测时发现，在铁 路附j 丘J叵电位仪的输出电压波动幅度较大 ，可能是 因为铁轨泄漏的杂散电流进入了阴极保护的回路 ， 对恒电位仪造成干扰。一旦高电位和低电位超 出阴 保电位的范围，管道就得不到有效的保护。 杂散电流流入埋地管道的地方带负电成为 阴 极区 时，则 管道 不会 受 到腐 蚀 ，但 电位 值过 负 时 ，金属管道表面就会发生析氢反应 ，造成管道 防腐层剥落。流出管道 的部位带正电，成 为阳极 区，在杂散电流的作用下 ，阳极 区发生剧烈 的电 化学反应 ，从而造成埋地管道的电化学腐蚀 。 3 对策措施 3 ． 1 提高管道本质安全 管道采用套管后影响了管道的阴极保护，如有 漏点 ，反而加快了腐蚀速率 ，不仅不能增加管道的 可靠性 ，而且降低 了其使用寿命。因此，推荐穿越 段管道采取增加管道壁厚来提高管道的本质安全 。 管道在穿越道路时尽量采用混凝土套管进行保护 ， 并在套管与油气管道之间采取绝缘陛较好的绝缘支 架 ，保证两者之间的良好绝缘 ，避免影响油气管道 的阴保效果。必要时，在套管穿越两侧补加牺牲阳 极对屏蔽管道进行 电化学保护。 4 ． 2 接地排流方式 当管道 和电气化铁路不 能满足安全间隔时 ， 对管道最可行 的防护方案是接地排流 。但接地排 流必须保证管道阴极保护系统的有效性 ，不能与 管道的阴极保护发生冲突 ，影响阴极保护系统的 保护范围和效果 。 极性排流 能够充分利用杂散 电流对管道进 行保护 ，具有经济合 理 、操 作简 单的优点 ，缺点 是会对其它的构筑物产生干扰影响 ，容易造成电 位过负，不适用于交流干扰 区域。极性排流器主 要结构为二极管和镁 阳极接地装置。管道上的正 电位通过二极管接人大地 ，而保 留了阴极保护电 位 。通过对某条管道的实际应用发现 ，极性排流 器在一定程度上减少了正电位 ，但是不能解决 管 道 电位过负的问题 。 钳位式排流 能够有效地减小管道上的交流 电压值 ，缺点是在交流电压过大时 ，直流电位可 能发生变化 ，影响阴保效果 ，排 流能力有 限，存 在较大 的排 流设施 被毁 坏 的可能 ，管 理 维护麻 烦、费用高。钳位式排流装置对接地材料要求较 严格，要求接地极与管道同材质，接地极随着时 问推移发生腐蚀而消耗 ，电位也随着变化 ，影响 阴极保护电位。 固态去耦合器排流去耦合器采用先进的固态 技术 ，非金属壳体，能有效的控制管道上交流故障 电流或雷电流对埋地管道的影响，延长管道的使用 寿命。同时 ，又能防止杂散电流在管道上汇集。固 态去耦合器加接地体方式是 国外应用较普遍的方 式 ，也是 N A C E S P 0 1 7 7 --2 0 0 7标 准和加拿 大管道 腐蚀研究会 的专题研究报告 P R ． 2 6 2 9 9 1 3 交流接 地对阴极保护的影响报告 中推荐的方式，在西 气东输二线和晋东南 1 0 0 0 k V特高压交流试验示 范输电线路工程中应用 ，由于其低阈值 电压 一2 v ／ 2 V 和雷 电冲击漏泄电流量大 1 0 0 k A 的特 点 ，具有降低感应 电压效果好 、维护方便 、适用性 强的优点，但相对成本较高。去耦合器排流方式对 管道的接地材料没要求，现场试验过程中，选择镁 合金阳极或钢管接地 ，都能有效地排除交流干扰 ， 对管道的直流电位几乎没有影响 J 。 管道采取何种排流方式去除杂散电流 ，需要 根据管道周 围实地情况选择合理的排流方法 ，在 安装排流装置后要及时进行检测和调试 ，使管道 阴保电位处于正常范围内，确保管道阴保系统发 挥作用 ，避免管道发生腐蚀 。 4 实际应用案例 4 ． 1 水泥套管的应用 为 了使采用套管保护的管道 阴保系统正常工 2 0 1 5 年第3 1 卷第 2 期 ★ 张小月等 ． 影响 篁 堡 墨 圈盍坌堑 筮 作，目前 ，国内长输管道套管穿越多采用混凝土 套管 ，在 已建 成 投 产 的仪征一长 岭原 油 管道 工 程、苏南成品油管道工程、环北京成品油管道工 程等多个工程 中都采用混凝土套管 ，套管与输油 钢管之 间设绝 缘 内支 架。套 管 内可采 取填 土密 封 ，这样既不影响管道的阴保系统 ，也 消除了套 管内的油气空问，提高了管道 的本质安全。 4 ． 2 杂散电流排流应用 直流电流排流 苏南成品油管道在南京市栖霞 区段与市政地铁距离较近 ，受到直流杂散 电流干 扰 ，安装 了4个点的镁合金牺牲阳极接地排流 ，要 求接地电阻小于 0 ． 5 Q。还有环北京成品油管道多 处因北京地铁直流杂散电流干扰 ，也安装 了9个点 的牺牲 阳极排流，都取得 了一定的排流效果 。 交流杂散电流排流 苏南成品油管道工程 在 镇江段与京沪 高铁交叉处 ，交流杂散 电流较大 ， 此段管道采用了钳位式排流方式。在管道与接地 极之间安装 了耦合器 ，防止杂散 电流在管道上汇 集 。接地极采用 1 2 0 IT I 的镀锌 角钢 ，深 井安装 ， 要求接地电阻小于 0 ． 5 Q。采取此种排 流方式后 取得了一定 的排流效果。 5 结语 阴极保护是一项非常有效的防腐技术 ，在管 道的设计 、施工及运行过程 中都要重视 阴极保护 系统的设计 、施工和维护。管道投用后 ，定期 对 其进行检测 ，特别是文 中提 到的采用钢套管保护 段和杂散电流干扰段 的管道要作 为高后果 区，对 其进行定期检测 ，发现 问题及 时整 改，确保管道 阴保 系 统 发 挥 有 效 作 用 ，从 而 保 护 管 道 免 受 腐蚀。 参考文献 郎需庆 ，赵 志勇，宫宏 ，等．油气管道事 故统计分析 与安全运行 对策 [ J ] ．安 全、 健康和环境 ，2 0 0 6 ，6 1 0 1 5 1 7 ． 卜文平 ，王俊 ，王乃和．沧临线腐蚀 穿孔 与 阴极 保 护 的 关 系 [ J] ． 油 气 储 运， 1 9 9 4 ，1 3 4 5 4 - 5 6 ． 姜玉梅．长输油气管道环境污染事故的预 测与预防 [ J ] ．油气储运 ，1 9 9 9 ，1 8 6 4 446． 路振尧．沧临输油管道漏油分析 [ J ] ．油 气储运，2 0 0 5，2 4 1 0 5 5 5 7 ． T B ／ T 1 6 7 7 1 9 7 7电气化铁道 牵引供 电系统 术语 『 S} ． 谭 秀炳，刘向阳． 交流 电气化铁道牵引供 电系统 [ M] ．成 都西南 交通 大学 出版 社 ，2 0 0 6 ． 张永飞，王树 立，李 恩田，等．长输埋地 管道 阴极保护故障诊 断排 除的 实践与探讨 [ c ]／ ／ 2 0 1 4北 京 国 际 腐 蚀 技 术 大会 论 文集． 滕延平，张永盛 ，王禹钦 ，等．杂散 电流 排流设施有效评价研究 [ J ] ．管道技 术与 设备 ，2 0 1 2 ，44 0 - 4 2 ． 上接 第 3 7页 高度等影响因素 ，分别 降低储罐重量 ，增加介质 重度 ，增加介质高度 ，减小环墙高度都有助于降 低环墙厚度 。介质重度越轻 ，介质 高度越小 ，环 墙厚度反而增大 ，而不是想 当然认为 的介质重度 越重 ，介质高度越高，环墙厚度越大 。因此 ，设 计人员在进行储罐环墙设计时要对计算公式和受 力情况进行深入分析和深刻理解 。 2 对于设有 内罐的储罐环墙计算 ，罐壁底端 传给环墙顶端的线分布荷载g 的取值应减去内罐 重量。储罐内罐基础应根据储罐 内罐 和内罐液体 重量单独计算 ，内外罐之间应设置连 系梁 以保证 内外罐共同沉降。 3 罐壁底端 传 给环墙顶端 的线分 布荷载 g 的取值至关重要 ，应根据储罐类型和实际受力情 况分析进行计算。当储罐为浮顶罐时，g 仅为储 罐重量 包含保 温层重 量 ；当储罐 为 固定 顶罐 含内浮顶 时 ， 应取罐壁和罐顶重量 包含保 温 层重 量 。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 4 7 3 --2 0 0 8钢制储罐 基础设 计规 范 [ S ] ． ]J]J 1 J]J]J]j] J]J 1 2 3 4 5 6 7 8 r ． L r ． L r 。 L r ． L r 。L r ． L r ． L r ． L