埋地钢质管道阴极保护电位测试方法探讨

PIMC油气管道完整性 2019-09-29 16:01:08

摘要:阴极保护是保障油气管道安全运行的可靠技术,国际上普遍应用断电电位评价管道阴极保护状态。介绍了国内管道断电电位测量技术现状,针对断电电位测量延迟时间存在差异,不能获得准确的管地极化电位等问题,以美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0497-2012为例,阐述了国际上普遍公认的阴极保护电位标准测试方法,包括测试断电电位的断电时间、电压冲击峰持续时间、参比电极精度和参比电极放置方法等。最后,提出了借鉴NACE TM 0497-2012修订GB/T 21246-2007的建议。

关键词:阴极保护,通电电位,断电电位,测试方法,电压冲击峰

 

1 概述

阴极保护是防止埋地钢质管道腐蚀最可靠安全的技术。阴极保护电位是一项重要参数,断电电位反映了管道是否受到充分的阴极保护,通电电位的分布反映了管道阴极保护状态和管道防腐层的劣化程度。生产实践证明:管道阴极保护电位达到-850 mV要求,管道仍会发生腐蚀。目前国际上普遍采用阴极保护有效性技术进行管道腐蚀防护,文中阐述了国内外标准关于阴极保护电位的准则,介绍了国内阴极保护断电电位测量技术现状,存在的问题是断电电位测试方法不统一,例如断电电位测量延迟时间存在差异,不能获得准确的管地极化电位。

鉴于此,以美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0497-2012为例,阐述了国际上普遍公认的阴极保护电位标准测试方法,对于管道阴极保护有效性评价具有指导意义,以供国内管道企业借鉴参考。

2 国内外阴极保护电位测试标准

GB/T 21246--2007《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》规定了埋地钢质管道阴极保护参数的现场测量方法,该标准替代行业标准SY/T 0023-1997《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》,借鉴NACE TM 0497NACE TM 0102NACE RP 0502ISO 15589-1等国外标准相关内容,结合国内管道运行管理工程实践经验编制。但上述标准内容近年来均有更新,应跟踪修订相关内容。

行业标准SY/T 5919-2009《埋地钢质管道阴极保护技术管理规程》规定了埋地钢质管道阴极保护技术管理的要求,附录中规定了管道阴极保护测试方法和阴极保护多功能测量探头的使用说明。

中石油标准Q/SY GD 0191.1-2013《油气管道阴极保护系统运行维护规范》规定了油气管道阴极保护系统运行维护的要求,包括现场测量方法、参比电极校准与维护以及采用瞬时断电法测量管地电位的步骤。

NACE TM 0497-2012《埋地或水下金属管道系统阴极保护参数测试方法标准》规定了埋地或水下金属管道系统基于阴极保护准则的电位测试程序,之前版本分别是1997版和2002版,已发展为世界上应用最广泛、最权威普遍公认的阴极保护技术标准。

3 阴极保护电位准则

3.1 最小保护电位

GB/T 21447--2008《钢质管道外腐蚀控制规范》和GB/T 21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》规定管道阴极保护效果应满足下列任意一项或两项指标:

1)管道阴极保护电位(即管-地界面极化电位)应不大于-850 mV(相对饱和Cu/CuS04参比电极,以下同)。

2)针对防腐层性能较差或者裸露的管道,保护电位难以达到-850mV要求,可采用管道保护电位比土壤自然电位至少低于100mV,即管道表面与土壤接触、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不小于100mV,但当运行温度较高、土壤中含有硫酸盐还原菌、管道受杂散电流或明显的电偶腐蚀影响时,不能采用该准则。

3.2 最大保护电位

最大保护电位应根据管道防腐层状态和环境确定,以不损坏防腐层的粘结力、防止产生析氢反应以及不造成临近非保护体的干扰为原则。

1)GB/T 21448-2008规定管道极限保护电位不能低于-1200mV,高强度钢(管材标准屈服强度大于550MPaX70以上等级)应根据实际析氢电位确定极限保护电位。从抑制析氢反应的角度,不同防腐层的析氢电位不同,沥青防腐层最大保护电位为-1.2V。

2)GB/T 21447-2008规定管道/电解质电位不应过低,避免管道防腐层产生阴极剥离。张合平在“埋地钢质管道的阴极保护准则”(煤气与热力,2015.07)中给出了石油沥青、煤焦油瓷漆和环氧粉末防腐层的最大保护电位分别是-1.5V,-3.0V和-2.0V。

NACE SP 0169-2013《埋地或水下金属管线系统的外腐蚀控制》规定铝制管道和铜质管道最大保护电位是-1.2 V,国内标准关于最大保护电位的规定是符合国内管道实际情况的。

4 管道通电/断电电位测量与分析

4.1 通电电位评价管道防腐层质量

管道阴极保护系统运行状态下测得的电位是通电电位,通电电位也是评价管道阴极保护程度的指标,可根据管道沿线阴极保护通电电位的衰减问接评定防腐层的质量状况,高质量的防腐层可以减缓通电电位的衰减。薛致远、张丰、毕武喜在“东北管网阴极保护通电/断电电位测量与分析”(油气储运,2010.10)中研究了铁秦线新民-黑山站通电电位变化规律,阴极保护站通电点处通电电位最高,距离通电点越远电位越低,2个阴极保护站中间通电电位最低;防腐层劣化严重的管段,通电电位下降较快,防腐层劣化较轻的管段通电电位下降平缓。

4.2 UIR降对管道通电/断电电位测量的影响

通电电位与真实的极化电位存在UIR降的差值,UIR降是流经土壤的阴极保护电流克服土壤电阻产生的电压,国内外标准强调阴极保护准则中测试电位应消除UIR降的影响,包括应用100mV极化准则也应去除UIR降的影响,以便对测试结果做出准确评价。

根据工程经验,防腐层恶化程度是影响UIR降的主要因素,防腐层老化越严重,UIR降越大。例如长吉输油管道采用3PE防腐层,UIR降在100~200mV,秦京输油管道采用石油沥青和聚乙烯缠带,且老化严重,UIR降从几十到五六百毫伏不等,最大可达1V。

4.3断电电位测量技术现状

去除UIR降的方法是在阴极保护电流中断瞬间测量电位,在恒电位仪阳极输出端安装电流中断器,采用GPS卫星同步断/送电技术,即电流中断器捕获GPS卫星时钟信号时中断恒电位仪电流,电位数据记录仪捕获GPS卫星时钟信号时自动测量并显示通电/断电电位。

在电流中断瞬间,管-地电位会出现1个冲击峰,冲击峰是由恒电位仪的电容效应引起的,断电电位测量时应避开冲击峰。善武在“阴极保护恒电位仪的技术现状与展望”(油气储运,2006.08)描述冲击峰持续时间在100ms以内,断电电位测量应在断电后延时至少100ms。针对断电电位测量延迟时间,国内管道企业做法存在差异,例如张其敏、陈宁在“埋地管道阴极保护效果监测技术分析”(油气田地面工程,2008.09)中采用12s通/3s断消除UIR降的断电电位,即阴极保护站向管道供电12s、停电3s,停电3s期间测得断电电位,但发现停电3s期间的前0.5s和后0.5s测量的数据可能大不相同;翁永基、阎茂成、李相怡在“断电法消除管道阴极保护电位UIR降的研究”(油气储运,2002.05)给出了测试断电电位应适当增加电流中断器通/断时间比,将通/断时间比由4:1增加到91;孙蕾、宁军、申龙涉在“铁秦线阴极保护电位分析及改进措施”(当代化工,2014.06)中认为断电时间在保证峰值过后的读数前提下越短越好,现场应用中采用了700ms通、300ms断的设定值。因此,断电电位测试方法有待统一规范。

5 NACE TM 0497-2012阴极保护电位测试方法

5.1 断电电位测试方法

NACE TM 0497-2012将断电电位称为“瞬间off”电位,规定应在电流中断后立即进行测量,断电时间不能大于3s,以避免发生去极化。电流中断可引起电压冲击峰,避免将电压冲击峰记成“瞬间off”电位。电压冲击峰的强度和持续时间可能会有些差别,但是持续时间通常在0.5s以内。结合国内管道工程实践做法,建议在阴极保护系统中断电流0.5~1.0s内测试管地断电电位。

5.2 参比电极精度

GB/T 21246--2007规定硫酸铜电极相对于标准氢电极的电位为+316mV(25℃),电极电位误差应不大于5mV。存在的问题是未说明5mV的具体含义,例如5mV是指多次测试误差,或者与标准参比电极的误差。Q/SY GD 0191.1-2013规定了参比电极校准与维护要求,指出温度、电解质浓度、清洁度和感光性影响参比电极电位,参比电极电位误差不超过10mV

基于土壤理化指标相差很大、参比电极与电解质接触不良等问题,NACE TM 0497-2012针对硫酸铜参比电极的精确度作出规定,现场测量前应对硫酸铜电极进行精度核实,以保证测量结果的准确性,采用双参比电极或多次测量法,或与校准硫酸铜电极置于装有淡水的容器中,其电极电位误差应不大于5mV。针对参比电极精度,NACE TM 0497-2012更为严格,给出了参比电极精度的说明,即硫酸铜电极的电极电位误差指测量用硫酸铜电极与校准过的硫酸铜电极之间的偏差;此外建议国内标准将参比电极误差的规定统一为5mV

5.3参比电极放置

NACE TM 0497-2012和GB/T 21246--2007规定的管道阴极极化和去极化测量步骤大致相同。NACE TM 0497-2012规定应标记瞬时断电电位测试中参比电极的位置,以便于去极化电位测试在同一地点进行。GB/T 21246--2007则未明确规定标记瞬时断电电位测试中参比电极的位置,使极化和去极化电位测试在同一地点进行,建议借鉴NACE TM 0497-2012的做法。

6 结论和建议

1)根据管道沿线阴极保护通电电位的衰减间接评定防腐层的质量状况,高质量的防腐层可以减缓通电电位的衰减。

2)防腐层恶化程度是影响UIR降的主要因素,防腐层老化越严重,UIR降越大。

3)NACE TM 0497-2012重要技术内容更新如下:

a)测试断电电位时断电时问不能大于3s,以避免发生去极化。

b)电压冲击峰持续时间通常在0.5s以内,建议在阴极保护系统中断电流0.5~1.0 S内测试管地断电电位。

C)给出了参比电极精度的说明,即硫酸铜电极的电极电位误差指测量用硫酸铜电极与校准过的硫酸铜电极之间的偏差,参比电极误差为5mV

d)断电电位测试应标注参比电极位置。

NACE TM 0497NACE TM 0102NACE RP 0502ISO 15589-1等多项国外阴极保护标准均已更新,建议应跟踪修订相关技术内容。


徐若语,中国石油集团东南亚管道有限公司;

刘士超,中交煤气热力研究设计院有限公司;

朱浩,北京中航油工程建设有限公司;

张菲石萌中国石油天然气股份有限公司管道工程第一项目经理部;

马伟平中国石油管道科技研究中心。

来源:《石油化工自动化》2016年6月


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