简述天然气长输管道外加电源阴极保护故障治理

2022-09-11

天然气是我国经济发展和社会稳定的重要能源, 由于其特殊的物理化学性质, 造成了自身开采运输方面的局限性。截至目前, 长输管道是天然气能源输送的主要手段, 具有提高输送效率、降低运输成本、提高安全性等诸多优点;同时, 天然气长输管道在运行中也要面临各种复杂、恶劣的情况 (如地震、滑坡、泥石流等) , 突然性自然灾害容易造成管道破损形成泄漏事故, 因此维护工作是相当重要的。

相比突发性自然灾害而言, 还有另外一项威胁是在潜移默化中进行的, 这就是因为环境原因造成的输送管道腐蚀。腐蚀性过程一般要经历较长的时间, 而且腐蚀问题不进行到一定程度是不明显的, 极难判断发生泄漏的可能性, 所以对于腐蚀性威胁的解决方案以预防和维护为主。

长输管道发生腐蚀的原因有很多, 其中电化学腐蚀是最为普遍的一种情况, 尤其在潮湿的酸性环境中。外加电源阴极保护措施正是基于电化学腐蚀的原理而设计出的一种阴极保护手段, 其特点就是便于在大型设备中开展使用。

1 外加电源阴极保护原理分析

外加电源阴极保护是一种典型的电化学防腐蚀措施, 这一方法利用了长输管道设备与四周环境的电位差, 来保护设备本身的电子不会流失, 从而长时间地域环境电位, 阻断电化学腐蚀反应的发生。因此, 要实现保护电子不会流失的目的, 可以从两方面入手, 即:外加电源阴极保护和牺牲阳极阴极保护。

从实践效果来看, 牺牲阳极阴极保护的方法存在一些明显的弊端, 设备的金属材质会在一定时期内积累大量的不导电硬壳 (3-5年) , 导致阳极的电流无法持续流失, 大大缩短了设备的使用年限。而要改变这现状, 就必须对施工的环境加以改造, 如土壤中的电阻成分不能过高, 环境保持一定的恒温和干燥度等。而这些条件对于天然气长输管道建设而言, 无疑增加了成本;如果从天然气管道材料方面入手, 其控制阳极的成分更难以达到要求, 因此这技术存在较大的局限性。

相应地, 外加电源阴极保护的方法, 采用外部配置辅助阳极的手段, 加上直流电源, 确保电流的流向是从土壤面对管道金属, 而不是管道金属向外部扩散, 简单地说, 就是将要保护的天然气管道金属材质的电位保持低于环境电位的水平。

以下通过分子式来详细分析电源阴极保护的原理:

天然气长输管道暴露在潮湿的空气中, 管道材质自身的铁 (Fe) 由于杂质的关系, 与氧气和水分子构成原电池形态。其中, 铁在吸氧作用下形成了负极 (Fe-2e=Fe2+) , 而正极则有材质本身含有的碳元素以及土壤中的其他成分提供 (2H2O+O2+4e-=4OH-) 。

以上天然气管道材质在流失大量电子之后, 就会形成与氢氧化铁 (三价Fe (OH) 3) , 进而在空气中反应失去水分子形成氧化铁 (三氧化二铁) , 也就是铁锈成分。

通过对以上的原理分析不难发现, 造成腐蚀的原因主要在于铁元素失去了电子并与氧分子、水分子进一步结合。

2 外加电源阴极保护系统存在的故障问题及治理措施

2.1 故障问题分析

首先, 主要的故障来源于电极保护装置。

外加电源阴极保护系统是随着天然气长输管道施工共同建立的, 尤其是针对一些需要深埋的管线部分, 需要稳定的直流电作业, 因此针对于电源保护装置的要求很高。

就目前现状而言, 我国在外加电源阴极保护系统中的电源保护装置模块中, 还存在一些落后情况。国外先进国家一般采用的设备是整流器, 这种装置的维护手段相对简单, 性能稳定, 一般定期选择参数调整即可;国内由于外加电源阴极保护系统设计施工是问题, 普遍采用的电源保护装置是恒电位仪。相比整流器而言, 恒电位仪只能控制一部分区域的电位数值, 一旦出现故障, 其维护过程比较复杂, 同时也加大了投资的成本。

电源保护装置故障通常表现为电流、电压、电位的指示数据停止或者失灵, 即在一定程度上的损坏率较高 (非认为破坏) , 也可以理解为对环境的适应程度不强;其次, 为了提高灵敏度, 也容易造成电压不稳烧坏的故障。

其次, 硫酸铜电极故障。硫酸铜电极主要是指便携式的硫酸铜参比电极产品, 最大的故障表现在运行不稳定方面, 通常会造成参比电极电位数量误差 (几十到几百毫伏) , 过大的误差会造成电源保护装置烧毁的可能性增加。

再次, 绝缘法兰失效故障。绝缘法兰一旦失效, 原本保护的天然气管道两端部分就会形成电流, 造成腐蚀性现象。绝缘法兰失效的原因很多, 如缺乏外部包裹、缝隙杂质形成短路、绝缘接头脱落等。

2.2 治理措施分析

第一, 电源保护装置维护。电源保护装置维护主要是针对恒电位仪, 要防止可能出现的故障, 最有效的办法是采用备份手段, 备份设备可以在发生故障之后立即启用。同时, 日常的维护工作主要针对损坏、元件松动、脱焊、杂质清理等方面。

第二, 硫酸铜电极维护。硫酸铜电极的维护主要是从精确度、稳定性入手, 目前国内生产的硫酸铜电极设备质量有待提高, 因此在维护程序中可以匹配一部分进口产品, 同时对于经常使用的设备做好维护, 自动矫正。

第三, 绝缘法兰是维护主要是做好日常的清理工作, 在发生突发性自然气候之后, 立即进行检查, 进行必要的干燥处理, 同时定期刷漆、擦拭。

摘要：外加电源阴极保护是利用电位差实现的用于保护的设备不被腐蚀的措施, 在当前国内天然气长输管道中得到了普遍的应用。鉴于天然气能源的化学物理性质, 长输管道一旦开始运行就必须保持其连续性、长期性, 而要实现这一点, 就必须加强天然气长输管道的维护工作, 防范由于管道设备腐蚀发生的泄漏事故。本文从天然气长输管道外加电源阴极保护故障方面展开研究, 分别对这一措施的原理、特征及常见故障进行分析, 并提出具体的应对措施。

关键词：天然气输送,长输管道,外加电源阴极保护,故障处理,防腐蚀性