阀室接地与阴极保护

 

阀室接地与阴极保护

冯洪臣

黄骅市瑞晨防腐材料有限公司

杨会香

中石油管道局国际部

 

摘要:

       近年来,国内的输气管道建设到了高峰,随着管道里程的增加,阀室数量也迅速增大。阴极保护要求被保护结构尽量与大地绝缘,而出于安全及排流方面的考虑,又希望管道与大地尽量导通,这就产生了管道接地与阴极保护之间的矛盾。尤其在输油气管道站场、阀室,这种矛盾更为突出。在阀室的安全防护上,国内的阀室很多是安装在室内,一旦出现可燃气体、油品泄露,也会为阀室的安全埋下隐患,国外的管道阀室露天安装、围栏防护,消除了可燃气体集聚带来的爆炸危险。为了兼顾阴极保护及安全接地的需求,设计人员尝试了很多方式,该文对目前所采用的阀室接地方式进行了分析总结,希望对设计及管理人员有所指导。

 

关键词: 阴极保护  直流去耦合器 接地电池 活性材料

 

       随着社会的进步,技术的发展,那些地处偏远的资源,如石油、天然气被不断开发出来。而为了把这些能源输送到繁华的消费区,就需要修建长距离的输油、输气管道。由于管道沿途经过各种地质、土壤环境,因此,防止管道腐蚀,有效地延长其运营寿命就成为急需解决的问题。

       目前,腐蚀控制的主要方式是防腐层和阴极保护相结合,而实现阴极保护的前提是管道与周围土壤的有效绝缘,以最大限度的发挥阴极保护的作用。

然而,管道沿线每隔10 30 公里,就安装一处截断阀,截断阀的动力头(阀头)多数是电力驱动。为了防止壳体带电,及时将故障电压、雷击电压、静电电压导入大地,避免造成仪器仪表的损坏或对其工作的干扰,保证操作人员的安全,根据电力规范,阀室都装有接地网。

接地网一般由16mm镀锌圆钢 (曾经使用过石墨接地模块)和将其连通的镀锌扁钢组成。镀锌圆钢间距一般为 3 ,环绕阀室布置。阀体、压力变送器、温度变送器、等设施的外壳接接地以及电缆套管接地线与之连接,构成排流系统。这样的结构,虽然满足了电器安全的要求,但对阴极保护将产生很大的影响。大多数情况下会造成管道,尤其是靠近阀室处的管段保护不充分甚至无保护。

    哈中输油管道一期工程采用了石墨接地极,对阴极保护的影响更大,造成阴极保护无法正常投用,在非阴极保护站阀室,保护电位不足-0.85V CSE,而在带阴极保护站的阀室,保护电位也很难下降到设定电位,并造成离开阀室不远处的管道电位过低,甚至造成过保护,危害管道防腐层的完整性。在后期的整改中,在阀头接地线与接地网之间安装避雷器(火花隙)。但这样做,尽管阻止了阴极保护电流的流失,消除了对阴极保护的影响,但接地系统只有在高电压(220V)的情况下才导通,无法消除系统运行时产生的静电影响, 如果出现故障电压而避雷器不能及时导通,还会对操作人员构成威胁,也不符合电气规范规定。

    在哈中二期管道上,设计人员接受哈中一期的教训,在压力变送器引压管上安装绝缘接头,将压力变送器与管道绝缘;
对于温度变送器,也采取措施,保证热电偶不与仪器外壳短路。采取这样的措施,可以防止温变、压变外壳接地对阴极保护的影响。同时在设计中,要求阀头与阀体绝缘。由于阀体也高出地面,操作人员会接触到,如果管道带电,也会造成操作人员的伤害。

     受传统的观念的影响,以及考虑到安全防盗方面的要求,国内的干线阀室多数安装在一个房间内,更有甚者,将放散管的绝缘接头以及引压管绝缘接头也安装在阀室内,一旦阀门漏气加上绝缘接头处电打火,阀室就很有可能发生爆炸。国外的干线阀室多用围栏防护,即时有漏气发生,也会散失到大气中,不至于引发爆炸。

     处于安全以及保证阴极保护系统正常运行的考虑,阀室内不要安装绝缘接头,以避免带电打火,必须安装绝缘接头时,应采用直流去耦合器、锌接地电池、极化电池等进行防护。避免高电压对人身的伤害,消除电打火的风险。处于人身及阀室的安全考虑,最好用镀锌扁钢做接地极,并施加牺牲阳极阴极保护,以减轻对干线阴极保护系统的影响。不安装绝缘接头,使阀室内所有结构为等势体,之间没有电压差。阀室地面铺设碎石子,增大人体的接地电阻。

     对于采用惰性材料制作的接地极,应在阀头与接地网之间安装接地电池、或直流去耦合器,该方法简单易行。接地电池实际上是用绝缘块隔开的两支锌棒,由于锌棒自身的电位较低,不会漏失太多的阴极保护电流。一支锌棒与阀头连接,另一支锌棒与接地网连接。由于两支锌棒之间有绝缘块隔开,不会造成短路,又由于两支锌棒用特种填料回填,电阻很小,当有雷击或故障电压时,能够及时排放到接地网中。这种方式要经常检查接地电池,避免其消耗失效。直流去耦合器具有通交隔直的作用,不会散失阴极保护电流,但对交流电流的通过阻碍很小。见图。

 

     安装活性材料接地模块,一种是电位为-1.55V CSE的镁接地模块、另一种是电位为-1.10V CSE的锌接地模块。之所以称之为接地模块,是因为其铁芯为扁钢,能够承受较高的故障电流。该扁钢预留接线孔,与阀头地线连接。根据阀室处是否有阴极保护站,选择不同的接地模块。

1.  在阴极保护站阀室, 安装锌接地模块,以防止镁接地模块电位太低对恒电位仪参比电极的干扰,影响恒电位仪输出。接地模块的数量的确定,一是保证能够排除故障,静电电压,二是不会漏失太多的阴极保护电流。这样,故障电压,静电电压由接地模块排除,雷击电压由避雷器及接地网排除,兼顾了安全、阴保的要求。

2.  在非阴极保护站阀室,安装镁接地模块。镁接地模块电位较低,为-1.55V CSE,一般不会漏失阴极保护电流。它既能排除静电电压,又不会对阴极保护系统产生不利影响。

 

关于阴极保护电位,很多人受传统思维的影响,仍然认为只要日常测量的通电电位低于-0.85V
CSE
,阴极保护就没问题了。受此错误观念的影响,已经造成国内几条管道发生了严重的腐蚀事故。在此进一步指出,这种观点是错误的。阴极保护电位分为通电电位和断电电位,我们日常测量的是通电电位。规范中要求的-0.85V CSE 最低值是指消除了IR 降的电位, 即断电电位。因此,只有断电电位比-0.85V CSE更负(或者阴极极化大于100mV),才说明保护充分。目前,哈中一期管道的通电电位设定在-1.10V – 1.20V CSE,并没进行断电电位的测量。以此很难确定管道是不是得到了充分保护。根据我们的经验,尽管在防腐层完好的地方,阴极保护可能没问题,但在防腐层有缺陷的地方,很有可能阴极保护电位不够负,阴极保护不充分。

测量管道的断电电位是一件很麻烦的事,且保证各恒电位仪同时通断也很困难。建议在各阀室安装极化探头,来测量管道的断电电位,计算土壤IR降的数值并从以后通电电位测量中扣除。

 

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