肖剑烽 张争伟 唐振峰

1国家管网集团西气东输分公司

2大庆市汇通建筑安装工程有限公司

管道完整性管理作为一种确保长输管道安全运行的现代化安全管理技术，受到国内研究人员的广泛重视，形成了以现有HSE 管理体制和相关管理制度为基础，涵盖建设期全生命周期的完整性管理技术体系[1-3]，帅义等还在此基础上研究开发了基于B/S 架构的管道完整性管理系统，实现了完整性管理技术的智能化[4]。近年来，管道完整性管理技术正在向油气田生产管道拓展，并取得显著降低管道失效率的良好效果[5-7]，而区域阴极保护是该体系中在净化油气管道及站场方面的主要工作内容之一，其运行过程中存在的问题及解决方法受到了业内研究人员的普遍重视[8-12]。针对衢州压气站的阴极保护系统，从系统设施检查、区域阴极保护系统有效性测量、系统优化运行三个方面论述了完整性管理技术在该站场区域阴极保护系统的应用情况，并提出工作建议。

1 衢州压气站区域阴保系统

衢州压气站是华东地区重要的分输压气站，承担着为上海、浙江、江苏地区的天然气输送任务，其输送介质为净化后的天然气。站场管道防腐主要为环氧底漆+冷缠带外护，采用强制电流阴极保护技术进行站场区域内设备设施的腐蚀控制。衢州压气站区域阴极保护分为压气站、分输站两大保护系统：压气站阴保系统设有三个保护回路，分别保护压缩机区域、收发球区、工艺区和实验站区；分输站阴保系统设有二个保护回路，分别保护工业管道区域和地网区域。阳极地床采用伴行埋设MMO 柔性阳极及浅埋高硅铸铁阳极相结合形式，恒电位仪采用PS-3F 多路恒电位仪，规格为50 V/30 A。阴极保护系统于2015年与主体同步建设投产运行。

2 常见故障及排查方法

站场区域阴极保护系统通常采用强制电流阴极保护法，其结构及原理如图1所示。强制电流阴极保护系统是由工作输出回路和反馈控制回路组成。工作输出回路由恒电位仪供电电路、阴极电缆、被保护对象、大地、阳极地床、阳极电缆构成，用于提供直流电流；反馈控制回路由恒电位仪的自动控制电路、参比电缆、参比电极、零位接线点、零位电缆构成，用于控制工作输出回路的输出。

图1 强制电流阴极保护系统结构原理图Fig.1 Schematic diagram of forced current cathodic protection system structure

其工作原理为：使用参比电极、零位电缆测量阴极接线点电位，该电位作为取样信号与控制信号（设定的控制电位）进行比较，实现控制并调节恒电位仪的电流输出，使通电点电位得以保持在设定的控制电位上。

针对站场区域阴极保护系统长期运行管理和维修维护工作中出现的各种系统故障表象和排查方法进行了归纳总结，结果如表1所示。

表1 阴极保护系统常见故障表象及排查方法Tab.1 Common fault symptoms and troubleshooting methods of cathodic protection system

3 完整性管理技术的应用

3.1 阴极保护系统主要设施完整性检查

依据前述的站场区域阴极保护系统常见故障及排查方法，进行衢州压气站区域阴保系统的完整性检查。发现已建阴极保护系统的主要问题是阳极地床中少数阳极支线断路，阳极支线电阻无穷大，判断施工时此阳极支线与高硅铸铁阳极（或柔性阳极）连接处密封防水处理措施不到位，随着阴极保护系统运行，阳极处产生的氯气会腐蚀连接处密封不严的铜线，产生腐蚀断裂，使阳极支线与阳极脱离，造成阳极支线电阻无穷大的现象。对阳极地床的各支线电阻要定期测试，及时维修阳极支线与高硅铸铁阳极（或柔性阳极）连接处并做好密封防水处理措施。

3.2 区域阴极保护系统有效性测量

阴极保护系统有效性参数测量，应将埋地被保护体消除IR 降时所测得的保护参数，作为管道实际达到的保护参数。IR 降引起的电位测量误差有时高达数百上千毫伏，致使埋地管道阴极保护测量电位完全失真，影响阴极保护有效性的判断。消除IR 降测量方法通常采用ON/OFF 断送器+极化探头（极化试片）+数据记录仪的方法。这种测量方法可得到管道外覆盖层破损漏铁处与周围电解质（如土壤）形成的局部双电层电位，有效消除了阴保测量IR 降，反映管道外覆盖层破损漏铁处的真实阴极保护电位。

（1）保护电位的测试分析。衢州压气站区域阴极保护系统采用5回路的恒电位仪，较难同时加装5 个同步ON/OFF 断送器，所以采用了可以直接连接到检测桩接线并内置ON/OFF 断送器的数据记录仪UDL2 对保护电位进行检测。UDL2 数据记录仪还有一个优点，在测量记录ON/OFF 电位的同时，还可以区分高频率长周期（≥24 h）测量记录交直流干扰数据，即一次测量可同时得到埋地被保护体的消除IR 降的真实阴极保护电位测量数据和被保护体交直流干扰测量数据，使得测量更加简捷、方便。

采用数据记录仪UDL2 和极化探头（极化试片）进行管道24 h 的通断电电位和交直流干扰检测，极化探头的试片面积为6.5 cm2。具体检测方法如下：在检测桩处被保护埋地管道周围埋设极化探头（极化试片）和饱和硫酸铜参比电极，极化探头与管道连接极化24 h。将数据记录仪与检测桩接线（被保护体）、参比电极和试片相连接，参比电极置于被保护体正上方或附近（图2）。

图2 UDL2数据记录仪测试接线示意图Fig.2 UDL2 data recorder test wiring diagram

将数据记录仪参数设置为每秒记录一组数据，试片通断周期设置为5 s，断电时间设置为1 s，记录管道的通电电位、断电电位、测试时间以及测试的位置；测试24 h后，将数据记录仪数据导出，绘制每个监测点的管道通断电直流电位曲线图和交流电位曲线图。

2021 年6 月衢州压气站在压气站压缩机区域，压气站发球区、工艺区，压气站实验站，分输站管道区域各选取一个测试桩进行测试。其测试数据见表2、表3。

从表2、表3直流断电电位数据、交流电压数据可看出：①对于区域内被保护的管道及其他共同防护构筑物，管地电位达到阴极保护电位标准；②交流干扰电压数据最大值为0.741 127 V，最大交流干扰电压数据平均值在分输站区域Qz-5 区域电位测试桩检测点处，为0.147 219 8 V，远低于4 V。交直干扰判定为区域内的防护构筑物无干扰，符合GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》中第7.0.1条规定、GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中第6.2 条规定，被保护体无需采取干扰防护措施。

表2 衢州压气站区域阴极保护UDL2测试第一组数据Tab.2 1st set of data of regional cathodic protection UDL2 test in Quzhou Compressor Station

表3 衢州压气站区域阴极保护UDL2测试第二组数据Tab.3 2nd set of data of regional cathodic protection UDL2 test in Quzhou Compressor Station

（2）IR 降的测试分析。测量埋地管道周围埋设的极化探头（极化试片）和饱和硫酸铜参比电极之间的直流电位，数据记录仪UDL2测试的直流通电电位(on)和直流断电电位(off)之间的差值可以认为是阴保测量IR 降，直流断电电位反映管道外覆盖层破损漏铁处的真实阴极保护电位，根据此数据来调节阴极保护系统恒电位仪的输出电流（表4）。

从表4 得出，四个区域4 个检测点处阴极保护测量IR 降在34.0～647.5 mV 之间，应该是埋设测试饱和硫酸铜参比电极周围埋地管道防腐绝缘状况越好，土壤电阻率愈大，IR降越大。表4中四个区域4个检测点处的真实阴极保护管地电位均在-0.85～-1.20 V(CSE)，符合GB/T 21448—2008 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中的4.3.1 条款的规定，也说明整个场站区域的5路阴极保护分别输出的电流大小是合理的。

3.3 区域阴极保护系统优化调试

以表3、表4数据为参考，对区域阴极保护的5路输出电流进行微调优化，对整个场站区域阴极保护的测试桩进行测试，详细数据见表5、表6。

表4 衢州压气站区域阴极保护测量IR降及真实阴极保护管地电位数据Tab.4 IR drop measured by cathodic protection in Quzhou Compressor Station and real cathodic protection tube ground potential data

表5 优化后的区域阴极保护系统的5路输出数据Tab.5 5 set of output data of the optimized regional cathodic protection system

表6中四个区域11个检测点处的真实阴极保护管地电位（断电电位）均在-0.85～-1.20 V(CSE)，符合GB/T 21448—2008 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中的4.3.1条款的规定。

表6 优化后的区域阴极保护系统的检测桩电位数据Tab.6 Test pile potential data of the optimized regional cathodic protection system

4 结论及建议

（1）埋地被保护体阴极保护系统有效性测量参数应是消除IR 降及交直流干扰后的真实电位数值，将IR 降及交直流干扰等因素消除后测量的数值才能反映被保护体是否在有效的阴极保护范围、是否达到真正保护。

（2）采用数据记录仪UDL2 和极化探头（极化试片）进行管道24 h的通断电电位和交直流干扰检测，一次测量可同时得到埋地被保护体消除IR 降的真实阴极保护电位测量数据和被保护体交直流干扰测量数据，简捷方便。

（3）对阳极地床的各支线电阻要定期测试，及时维修阳极支线与高硅铸铁阳极（或柔性阳极）连接处并做好密封防水处理措施。

（4）建议结合现有生产管理现状，确立实现阴极保护系统稳定达标为工作目标的完整性管理体系，其主要工作内容至少包括如下几个方面：对照设计文件，对阴极保护系统进行完整性检查，使系统各部分符合设计要求；按照本文表1阴极保护系统常见故障表象及排查方法，消除运行过程中出现的问题；定期开展阴极保护系统保护效果的测试；依据测试结果进行阴极保护系统的优化，确保系统运行效果达到标准要求的指标。