深圳市次高壓天然氣管道陰極保護系統(tǒng)改善研究

摘 要

摘要：分析了深圳市次高壓天然氣管道運行現(xiàn)狀以及相關(guān)因素的影響，提出陰極保護系統(tǒng)改善方案。關(guān)鍵詞：天然氣管道；陰極保護；改善1 概述 深圳市天然氣利用工程是廣東LNG項目下游
摘要：分析了深圳市次高壓天然氣管道運行現(xiàn)狀以及相關(guān)因素的影響，提出陰極保護系統(tǒng)改善方案。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；陰極保護；改善
1 概述
    深圳市天然氣利用工程是廣東LNG項目下游的重要配套項目。城市天然氣利用工程主要包括：3座門站、3座LNG調(diào)峰站(梅林、大工業(yè)區(qū)、光明)、4座LNG氣化站、1座天然氣調(diào)度中心、1座高/次高壓調(diào)壓站、38座次高壓/中壓調(diào)壓站、150km高壓管線(設(shè)計壓力4.0MPa)、225km次高壓管道(設(shè)計壓力1.6MPa)和2500km中壓管道(設(shè)計壓力0.3MPa)，85萬用戶，項目總投資約29億元。未來幾年深圳燃氣將再投資數(shù)十億元建設(shè)西氣東輸二線深圳天然氣利用工程，形成全市高壓、次高壓、中壓天然氣“供氣一張網(wǎng)”，管網(wǎng)年輸氣能力達80億m3。
    隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展和2011年大運會的到來，深圳市各種市政改造、道路建設(shè)、軌道交通建設(shè)正如火如荼的進行，隨之而來的第三方施工破壞、雜散電流影響對城市燃氣管道造成了巨大的威脅。而且深圳市土壤腐蝕性較強、電阻率較高、變化明顯，物質(zhì)差異和環(huán)境條件差異形成各種宏電池腐蝕。深圳市天然氣管道基本敷設(shè)在人口稠密的四類地區(qū)，管道一旦出現(xiàn)腐蝕穿孔、破裂，不僅會造成大面積停氣，而且會引起爆炸、火災(zāi)、人身傷亡等災(zāi)難性事故，造成重大的社會影響。隨著在建的次高壓、高壓天然氣管道陸續(xù)投產(chǎn)運行，管線遍布全市，影響的范圍更大。雖然相對于長輸管道，城市燃氣壓力不高，但由于管線路由復(fù)雜、經(jīng)過的地區(qū)人口稠密、城市干擾影響因素多等原因，管理難度更高、發(fā)生事故造成的后果也更嚴重。因此采取切實可靠的防腐措施，持續(xù)改善，加強維護和管理，確保陰極保護系統(tǒng)有效運行，對安全穩(wěn)定供氣具有十分重要的意義。
2 次高壓天然氣管道陰極保護現(xiàn)狀和存在的問題
    深圳市已運行次高壓天然氣管道約120公里，設(shè)計壓力1.6MPa，材質(zhì)為X52，管徑分別為DN300、DN400和DN500，管道外防腐涂層采用加強；圾3PE防腐層。陰極保護為犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)，每隔250米安裝一對14公斤的鎂合金陽極，市政路段采用檢測井、山地路段采用檢測樁與管道相連，總共有檢測樁/井419個。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，采用參比電極測試管線的通電電位，比-0.85v正的檢測樁/井占33%；采用極化探頭測試管道的斷電電位，比-0.85v正的檢測樁/井占45%，說明很多地段管道沒有達到陰極保護要求，如果管道有防腐層破損，存在腐蝕穿孔風險，需要盡快整改。
2.1 陰極保護設(shè)計問題
   通過調(diào)查，深圳關(guān)外地區(qū)中西段平均315Ω·m，中段平均387Ω·m，東段平均803Ω·m。市區(qū)內(nèi)平均180Ω·m、農(nóng)田、河流、水塘位置電阻率平均30Ω·m，丘陵、山體地帶電阻率平均大于1000Ω·m，工業(yè)區(qū)、丘陵山體過渡地帶介于100～1000Ω·m之間。因此在高土壤電阻率地區(qū)，采用等間距、統(tǒng)一規(guī)格設(shè)置犧牲陽極的保護方式值得商榷(犧牲陽極通常用于低電阻率土壤中)。而且設(shè)計中也未詳細調(diào)查沿線雜散電流影響，對于特殊地段當然管線設(shè)計時無法得知管線實際運行的狀況，但應(yīng)根據(jù)經(jīng)過地區(qū)情況區(qū)別對待，對其它已存在的可能影響管道的設(shè)施采取一定的解決措施。
2.2 施工質(zhì)量
    經(jīng)過檢測，對異常點開挖驗證發(fā)現(xiàn)陰極保護系統(tǒng)施工存在質(zhì)量問題。如管道直接連陽極(未設(shè)檢測樁，無法檢測)、電纜包封不嚴、破損產(chǎn)生漏電、電纜與管道焊接處防腐不好、陽極數(shù)量不足、接線錯誤等問題影響陰保效果，造成陽極消耗快，達不到保護要求。
2.4 與其他管道并行段干擾
    由于部分路段次高壓天然氣管道與上游LNG管道和成品油管道并行(采用外加電流陰極保護)，為了判斷LNG管線對次高壓管線的影響，技術(shù)人員進行了現(xiàn)場測試，主要包括：LNG管線的保護電位、次高壓管線保護電位，并在LNG管線平湖門站陰極保護站恒電位儀開10分鐘一停10分鐘一開10分鐘共30分鐘的時間段內(nèi)，用記錄儀檢測了次高壓管線的陰極保護電位波動情況。通過檢測發(fā)現(xiàn)，LNG管線和次高壓管線閉路電位都不穩(wěn)，波動較大。
 

    由于LNG管線采用的外加電流地床，由測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平湖門站恒電位儀停止工作的情況下，次高壓保護電位測試數(shù)據(jù)整體朝正方向移動。說明LNG管線外加電流系統(tǒng)工作時，次高壓管線吸收了輔助地床發(fā)射的電流，吸收的電流會在某些地方流回到LNG管線中去，造成次高壓管線的腐蝕和電位波動。
 

2.5 雜散電流影響
    雜散電流是指在大地中流動的設(shè)計之外的電流，如電氣化鐵路，各種供用電設(shè)備接地等漏散的電流均可視為雜散電流。這種電流能對地下金屬管道產(chǎn)生腐蝕破壞作用。雜散電流分為直流雜散電流和交流雜散電流兩種。通過檢測發(fā)現(xiàn)，在與高壓線并行的市政走廊段，有三處的管道交流電壓超過6V，此處交流干擾超標(參考德國DIN標準)。標準的鎂合金陽極的開路電位應(yīng)在-1.57～-1.67之間，但隨管道的運行和犧牲陽極發(fā)生消耗，陽極開路電位會發(fā)生電位變化。對在特區(qū)外次高壓管線170個陽極的電位、電流進行檢測，發(fā)現(xiàn)部分陽極電位偏低和電流輸出異常，其中有22個陽極開路電位高于-1.4v，通過對2處陽極進行了開挖驗證，證明了陽極因為雜散電流的影響達不到設(shè)計壽命。
2.6 測試標準
    傳統(tǒng)的保護電位測試方法，為國內(nèi)最為常用的測試方法，但有非常大的局限性，受到雜散電流影響后，沒有辦法準確測試，無法去除IR降的影響。通過現(xiàn)場實際測試分析與比較，最終確定定采用極化探頭法，為檢測管道陰極保護真實極化電位提供了較理想的手段，與其它測量方法相比能最大程度的消除IR降，在高電阻率土壤和有雜散電流干擾的情況下可以測到最接近真實值的陰極保護極化電位。
    根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣管道埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》CJJ95-2003，陰極保護系統(tǒng)的判據(jù)(等同與美國NACE標準)如下：
    ① 施加陰極保護后的極化電位至少應(yīng)達到-850mV(CSE)或更負；
    ② 采用斷電法測得的極化電位應(yīng)達到-850mV(CSE)或更負；
    ③ 在極化形成或衰減時的陰極極化值應(yīng)不小于100mV；
    ④ 存在細菌腐蝕時，通電保護電位值負于或等于-950mV(CSE)；
    ⑤ 在沙漠地區(qū)，通電保護電位值負于或等于-750mV(CSE)
3 次高壓天然氣管道陰極保護改善方案
3.1 線路陰極保護設(shè)施完整性改造
    通過整改和增設(shè)陰保設(shè)施，實現(xiàn)陰保系統(tǒng)設(shè)施、數(shù)據(jù)的完整性建設(shè)，為陰保系統(tǒng)正常運行提供保障。
    主要工作內(nèi)容簡述：
    ① 土壤環(huán)境分析
    a. 干擾段土壤電阻率測試；
    b. 干擾段PH值調(diào)查、土壤環(huán)境理化分析。
    ② 陰極保護系統(tǒng)檢測基礎(chǔ)設(shè)施完善
    a. 陰保系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施維護、維修整改；
    b. 統(tǒng)一檢測樁/井接線標準；
    c. 檢測樁外表面除銹防腐、統(tǒng)一進行編號；
    d. 與上游LNG、成品油管線并行段測試樁埋設(shè)；
   e. 長效極化探頭埋設(shè)；
   f. 建立陽極壽命檔案，定期維護、維修，確保陰極保護系統(tǒng)有效運行；
    g. 檢測樁/井信息、檢測數(shù)據(jù)錄入到GIS中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)管理。
3.2 閥室陰極保護系統(tǒng)改造
    針對運行次高壓管道的28座閥室加裝陰保系統(tǒng)，實現(xiàn)閥體防腐蝕保護。
    主要工作內(nèi)容簡述：
    ① 閥室兩側(cè)絕緣接頭設(shè)置接地電池保護
    埋地絕緣接頭處設(shè)置接地電池，提供一個低電阻通道，排放強電電流，但又不泄漏陰極保護電流，接地電池由并行靠近的2支鋅合金犧牲陽極棒組成，中間用絕緣墊塊隔開，然后一起裝在裝有填包料的棉布袋中，通過引出電纜焊接在絕緣裝置的兩側(cè)，以防止強電沖擊引起的損壞。鋅合金棒的規(guī)格為：40×40×1000mm。
    ② 地上放散管絕緣接頭加裝火花隙排流措施
    地上放散管絕緣接頭設(shè)置半導(dǎo)體保護器裝置，阻止低電壓的陰極保護電流流失，同時可在高電壓脈沖和感應(yīng)交流電的情況下及時防護設(shè)備和人員的損傷，這種裝置不涉及腐蝕性電解液，通流容量大殘壓值低，具有防水、防爆功能，適用于不同環(huán)境的安裝，維護要求低。
    ③ 增設(shè)陽極，保護閥體防腐蝕
    原閥體并未納入全線陰極保護范圍，而閥體處在同一腐蝕環(huán)境中，須增設(shè)保護措施。采取每處閥體設(shè)置一支14kg鎂合金的陰極保護措施。在閥體兩個絕緣接頭外側(cè)各增設(shè)一組2×25kg鋅合金陽極保護組，作為分區(qū)保護后排流措施，陽極組導(dǎo)線加裝排流節(jié)，只允許電流單向流動。
   ④ 設(shè)置測試樁
   測試樁設(shè)置于閥室內(nèi)，專門定制。測試功能包括：絕緣接頭絕緣性能、接地電池性能、閥體保護陽極組指標、兩側(cè)排流組工作指標。
   ⑤ 閥室絕緣接頭跨接部分的改造
   斷開閥室兩絕緣接頭外側(cè)跨接電纜，使管道分段隔離、閥室兩端管道分區(qū)保護，以限制雜散電流干擾強度和范圍，增加管地電阻，避免雜散電流大范圍跨區(qū)流動。根據(jù)犧牲陽極的設(shè)置以及陰極保護系統(tǒng)運行狀況，在取消跨接后，對有需要的管段進行陰極保護系統(tǒng)調(diào)整，以確保管線維持在完好的保護狀態(tài)。
3.3 高壓電塔旁次高壓管線安裝耦合器保護
    現(xiàn)運行管線距離高壓電塔最近的距離約5米，如果電塔出現(xiàn)故障電流，將嚴重威脅管線的運行安全(美國有相關(guān)的案例)。因此，在管線距離電塔接地線50米范圍內(nèi)，對管道加裝固態(tài)耦合器，實現(xiàn)故障電流保護。
3.4 干擾段管線雜散電流的排流
    對兩閥室間管道(通常為5公里)分段進行排流，針對不同的干擾源的種類，交流、直流干擾的類型，采用多種排流方式，有效實現(xiàn)雜散電流排流，控制干擾電流，防止管線腐蝕。
3.5 與其他管道、軌道交通并行段的聯(lián)合保護
   與次高壓管道交叉和平行的其他管道(特別是其它采用外加電流的陰極保護管道)和電氣化鐵路、地鐵協(xié)商，進行聯(lián)合保護和系統(tǒng)的排流。
3.6 安裝陰極保護在線監(jiān)控系統(tǒng)
    安裝陰極保護在線監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控陰保運行狀況，評估管線的保護狀態(tài)，記錄、分析運行參數(shù)，為排流工作提供數(shù)據(jù)支持。在線陰極保護數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是為了嚴密監(jiān)測地下管道腐蝕保護狀況的系統(tǒng)。在燃氣管道沿線的野外監(jiān)測點裝數(shù)據(jù)采集器，實時采集該處與腐蝕保護狀況相關(guān)的各項數(shù)據(jù)。通過SCAD系統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò)，遙測各站測試樁點的數(shù)據(jù)，并集中進行處理，同時采用友好的人機界面，使監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖表直觀方便，從而達到最佳的陰極保護管理效果，使管道系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)代化設(shè)備信息管理，達到長期安全運行的目的。
3.7 依托GIS系統(tǒng)對陰極保護系統(tǒng)進行完整性管理
   將全線陰極保護檢測樁/井根據(jù)座標錄入GIS系統(tǒng)，建立靜態(tài)、動態(tài)的設(shè)備檔案進行數(shù)據(jù)管理，對定期的檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分類、趨勢分析，及時全面了解掌握管道陰極保護狀況。
4 結(jié)論
    對于城市天然氣管道，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮所處環(huán)境和雜散電流的影響，選擇合理的陰極保護力案，加強施工質(zhì)量的管理。依托先進的SCADA系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)開展管道陰極保護系統(tǒng)的完整性管理，加強管道的檢測和數(shù)據(jù)分析，對管道的陰極保護系統(tǒng)進行持續(xù)的改善，控制管道的腐蝕，保障長期穩(wěn)定的供氣。
參考文獻：
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(本文作者：王晨 安成名 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518055)