站内外管道联合阴极保护方法的原理及应用效果

王磊磊,舒 亮,叶建豹,陈玉亮,王小虎,刘金福

(1.国家管网集团西气东输分公司,上海 200120; 2.中石油天然气股份有限公司天然气销售南方分公司,广州 510220)

阴极保护是一种对埋地钢质构筑物行之有效的腐蚀防护方式，在油气管道行业已成熟应用，为埋地高压管道的安全运行发挥了巨大的作用。恒电位仪是目前最常用的强制电流阴极保护的电源设备。在运行中，恒电位仪根据通电点附近长效参比电极(铜/硫酸铜电极,CSE)测得的管道通电电位变化，自动、实时地调整输出，将通电点管道电位控制在预置的电位数值。

近年来，国内城市轨道交通的大力发展对埋地管道造成了越来越严重的动态直流干扰。在动态直流干扰严重区段，由于通电点反馈给恒电位仪内部控制单元的通电电位波动剧烈，超出了恒电位仪的控制范围，如图1所示，造成恒电位仪自动转恒流输出或者关机，由此对全线的阴极保护造成影响。

图1 受地铁动态直流干扰的通电电位波动

管道上较高的交流电压也可能对恒电位仪的运行造成影响。在较高的外部交流干扰电压下，恒电位仪可能无法开机或无法以恒电位方式稳定运行；如果恒电位仪长期在较高的交流干扰电压下工作，其内部元件会发热、烧毁，引起安全事故或造成阴极保护系统瘫痪。国内相关标准中对阴极保护电源设备的抗干扰基本要求是：抗电强度1 000 A，抗工频干扰电压30 V[1]。

站内外管道联合阴极保护(联合阴极保护)是近年来国内管道界应对恒电位仪受外部干扰问题的一种新方法。该联合保护方式采用电缆或可调电阻对绝缘装置进行跨接，如图2所示，将站场或阀室内埋地金属结构及站外管道作为一个整体，由站内和站外的阴极保护电源进行联合保护。该方法利用站场内接地网的低电阻通道，消减杂散电流干扰强度，令外管道阴极保护恒电位仪能正常开机运行。

图2 绝缘装置跨接示意

1 联合阴极保护方法的标准分析

对金属构筑物实施阴极保护的一个先决条件是被保护构筑物需电绝缘。如果没有实现电绝缘，即使对于覆盖层良好的管道，阴极保护都可能是不经济或不实际的防腐蚀方法。为了防止阴极保护电流流入与大地电连接的非保护构筑物上，应对管道系统进行电绝缘。国内外关于阴极保护的几个主要标准[2-6]都强调了阴极保护中构筑物电绝缘的重要性。

NACE SP0286-2007标准[2]提出：实施阴极保护的管道必须与其他金属结构电绝缘，除非阴极保护系统预留了足够的电流输出余量来应对其他金属结构所造成的电流泄漏。

ISO 15589-1:2015标准[4]提出：如果无法实现电绝缘，阴极保护设计方案应考虑向管道提供足够的电流并使电流有效分布，且不会对其他构筑物产生影响。

GB/T 21448-2017标准[5]提出的关于电绝缘的要求如下：阴极保护管道应与非阴极保护金属结构和公共或场区接地系统电绝缘;对于杂散电流干扰影响区内的阴极保护管道，安装电绝缘装置进行分段隔离;当电绝缘无法实现时，应在阴极保护设计时为管道提供足够的阴极保护电流和有效的电流分布。

在SY/T 0086-2012标准[6]中，关于电绝缘有如下描述：对存在杂散电流干扰的地区，可采用适当规格的可调电阻将绝缘接头或绝缘法兰两端跨接，来减缓杂散电流对绝缘接头或绝缘法兰临近段管道的影响。

综上可知，电绝缘是良好的阴极保护的保证，没有良好的电绝缘就难以实现良好的阴极保护。如果无法实现被保护结构物与非保护结构物的电绝缘(比如长输管道与站场)，则应确保阴极保护电流分布的合理性以及阴极保护电位达标。

以上标准对联合阴极保护的方式提供一定的支撑，即联保时，外管道阴极保护必须达标。此外，有些标准也明确提出，对于存在杂散电流干扰的地区可采用适当规格的可调电阻将绝缘接头或绝缘法兰两端跨接，以减缓杂散电流的影响。

2 联合阴极保护方法的原理

在国内外主要的阴极保护标准中，跨接绝缘接头的联合阴极保护方法没有作为推荐方法提出，但从标准的分析解读可以看到，该方法实施的关键前提是要确保被保护结构物上阴极保护电流足够且分布均匀。

根据管道阴极保护系统的长效参比电极测得的管道电位是管道防腐蚀层破损点处的混合电位。防腐蚀层破损点处吸收或排放的电流以及其电位，与该处对地电阻有很大的关系。假定防腐蚀层破损点为圆形，直径为D，土壤电阻率为ρ。则防腐蚀层破损点处对远地的电阻为ρ/2D。假定土壤电阻率为100 Ω·m，破损点面积为1 cm2(D=0.011 3 m)，计算得到破损点处对远地电阻为4 424 Ω。该电阻值远远大于站场地网的对地电阻。

当根据管道阴极保护系统的长效参比电极测得的管道通电电位受到外界强烈杂散电流干扰时，如果在管道的通电点附近连接一个低电阻通道，比如跨接站内外绝缘接头将外管道与站内接地体连接，那么大部分杂散电流将通过站内地网低电阻通道流入、流出(见图3)。

站场内接地网的电阻非常低，远远低于防腐蚀层破损点处的对地电阻。在图3的并联回路中，路径中的电流反比于路径电阻。所以,此时通过管道防腐蚀层破损点流入、流出的直流杂散电流量显著减小，管道的通电电位波动将得到明显缓解，通电电位受干扰程度降低，恒电位仪就有可能恢复正常运行。如果外管道受到交流干扰，也可以用跨接绝缘接头的方法进行缓解。站内的接地网对地电阻很低，相当于一个庞大的交流干扰缓解地床，可以有效降低外管道的对地交流电压。

图3 联合阴极保护下站内外杂散电流导通电路

采用接地的方式缓解杂散电流干扰在管道界已经有成熟的应用。目前，缓解管道的交流干扰最常用的方法是使用锌带或裸铜线做接地极，其在缓解动态直流干扰方面也有广泛应用。

在实施联合阴极保护时，通过管道防腐蚀层破损点流进/流出的外界动态杂散电流减少，这也意味着，如果仅对该管道实施阴极保护，阴极保护电流也更倾向于从低电阻通道(站内接地)导通。这是联合阴极保护方法的一个重大负面影响，也是诸多标准中提到“如果无法确保电绝缘则应确保阴极保护效果”的原因。

此外，在联合阴极保护状态下，直流杂散电流通过站内接地网的低电阻通道流入，这可能造成距离站场较远的管道流出的杂散电流增加，该处管道的腐蚀风险升高。图4为采用联合阴极保护措施前后24 h内管道断电电位正于保护准则[7]规定的-0.85 V的比例。在该案例中，联合阴极保护跨接绝缘装置位置为770号测试桩，采取联保措施后，750号至764号段管道的断电电位正于-0.85 V的比例明显上升。

图4 联合阴极保护前后管道断电电位正于-0.85 V的比例

3 站内接地网接地电阻的影响

联合阴极保护方法对进出站绝缘接头跨接的目的是利用站内庞大接地网的低电阻通道将通电点附近的电位波动缓解，令恒电位仪正常运行。图5显示的是西气东输某站场在联合阴极保护前后通电点处通电电位波动情况，在实施了联合阴极保护后，通电点位置的通电电位波动得到明显的缓解。

图5 联合阴极保护前后某站场通电点处通电电位波动的缓解

外界杂散电流更倾向于从站内低电阻的接地网流进流出，站外管道阴极保护电流也会更多的流向站内的接地网，再通过跨接线回到电源负极。虽然借用站内低电阻接地网可降低通电点的电位波动，但是站内低电阻通道也会吸收阴极保护电流，令站外管道阴极保护效果降低。图6显示某站场采取联合阴极保护后通电点的通电电位发生了明显的正向偏移，这表明外管道的阴极保护电流减少了。

图6 联合阴极保护前后某站场通电点处通电电位的正向偏移

在跨接了绝缘接头后，有一部站外管道的阴极保护电流进入了站内接地网，影响了站外管道的保护效果。统计了七条管线采取联合阴极保护后，站外阴极保护电流的分配比例，结果列于表1中。从表1可以看到，除了站场2外，其他站场的外管道阴极保护电流都有很大一部分流入了站内，最高比例达到92.41%。

表1 采取联合阴极保护后站外管道阴极保护电流的分配

图7和图8分别为使用电缆和3 Ω电阻跨接某站场绝缘接头时，站外通电点的通电电位波动以及跨接线中的电流大小。此处用跨接电阻来模拟接地网对地电阻的变化。比较可见，站内接地网的接地电阻越小，站外通电点的电位波动越小，跨接线中的电流(站外阴极保护电流流入站内接地网)越大。保持站内接地网低电阻对联合阴极保护的实施具有重要的作用，但站内接地网的低电阻也会导致站外阴极保护电流大量流入站内。

图7 某站场绝缘接头跨接电阻对通电点通电电位的影响

图8 某站场绝缘接头跨接电阻对跨接电流的影响

4 结论

(1)跨接管道进出站绝缘接头对内部和外部管道进行联合阴极保护的方法，从管道防腐标准中得到了一定支撑，但一个重要的前提条件是阴极保护电流分布合理、阴极保护电位有效。

(2)在跨接管道进出站绝缘接头后，站内低电阻接地网被纳入到站外阴极保护系统范围内。该低电阻接地网令站外管道通电点的电位波动情况得到缓解；但低电阻接地网会吸收大量的站外阴极保护电流，有可能影响站外管道的阴极保护效果；同时杂散电流通过站内接地网的低电阻通道流入，可能造成距离跨接绝缘接头较远的管段流出的杂散电流增加，管道的腐蚀风险升高。

(3)在确保外管道阴极保护有效的情况下，联合阴极保护的方法可以用于解决强干扰地区阴极保护恒电位仪无法运行的问题。联合阴极保护方法对外管道阴极保护的影响取决于多个因素，对这些影响因素还需深入研究以优化该保护方法。