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油氣管道防雷接地對陰極保護系統的影響與對策

發布時間:2017-06-09  

概要:

針對西氣東輸工程幹線中具有3PE 外防腐層的X80 鋼油氣管道,首先沿着管道每隔500 m 采用相應的防雷接地措施,将雷電流導入大地,既可達到防雷目的,又可避免管道防腐層被大面積破壞。其次每隔一段間距對管道進行等電位跨接,既可保證管道之間保持穩定的等電位,又可防止管道直接産生二次放電損壞管道防腐層。最後合理選擇防雷接地極材料與輔助陽極或犧牲陽極材料。采取防雷接地極通過隔離器與管道相連、輔助陽極與防雷接地極分開埋設的措施,可消除防雷接地對油氣管道陰極保護系統的影響。

1 油氣管道的陰極保護
1.1 陰極保護基本原理
由于金屬表面中存在的電解質溶液會形成無數的腐蝕原電池,這種腐蝕電池即為雙電極原電池系統。腐蝕原電池中的陽極發生陽極反應,産生電子向陰極輸送,同時陽離子融于電解質溶液中。原電池的陰極發生陰極反應,得到陽極反應所帶來的電子,根據電解質溶液的不同,在陰極析氫或産生金屬陽離子沉澱。因此,如果能夠将一個外加電流附到金屬表面上,使金屬完全處于陰極狀态,就可以抑制陽極反應,從根本上阻止金屬被腐蝕[1]。
1.2 陰極保護的種類
通過上述分析可知,陰極保護的基本原理就是給金屬輸送大量的電子,使其處于陰極狀态,遏制腐蝕的發生。目前陰極保護有犧牲陽極保護法和外加電流法[2-3]。
犧牲陽極保護法是将一種金屬材料與被保護金屬連接,由于該金屬材料與被保護金屬相比有更負的電極電位,其在土壤電解液中自身會不斷受到腐蝕,同時向被保護金屬輸送電子,通過犧牲該金屬而達到保護目标金屬的目的。外加電流法是通過外加電源設備對被保護金屬施加保護電流,以提供足夠多的電子,使被保護金屬處于陰極狀态,從而達到防腐蝕的效果。犧牲陽極保護法簡單易行,不需要外部電源,保護電流利用率高,不會産生過保護,随管道一起施工安裝,工作量小,且在運行過程中,維護工作相對簡單;但是由于驅動電位低,可控性小,導緻保護範圍小,且陽極壽命有限,需人工定期更換。外加電流法的外部電源驅動電壓高、輸出電流大,可用于長輸管線和區域性管網的保護,保護範圍廣、面積大;但保護過程依靠外部電源,需要定期繳納費用,且應配有專業人員進行維護監管。
2 油氣管道的防雷設計
油氣管道的防雷設計應嚴格遵守《輸氣管道工程設計規範(GB50251) 》和《建築物防雷設計規範(GB50057)》。一般可通過電屏蔽、接地網、管道等電位跨接來減輕雷電對管道的影響。沿着油氣管道每間隔500 m 采用相應的防雷接地措施,可以迅速将雷電流導入大地,避免出現管道防腐層被大面積破壞的危險。每隔一段間距對管道進行等電位跨接可以保證管道之間保持穩定的等電位,防止管道直接産生二次放電以損壞防腐層。以西氣東輸工程幹線中具有3PE 外防腐層的X80 鋼油氣管道為例探讨油氣管道的防雷設計,該管道沿線設有閥室、清管站、分輸站、壓氣站、起始站、末站以及管道控制中心站等。
2.1 閥室的管道防雷設計
閥室一般為不超過5 m 高的平房,根據閥室的通風情況可将其分為爆炸性氣體環境1、2 區, 可在閥室牆上鋪設避雷帶來作為防雷措施。根據《建築物防雷設計規範(GB50057)》, 對于第一類防雷建築,避雷帶的網格一般不大于5 m×5 m 、6 m×4 m,對于第二類防雷建築物避雷帶的網格一般不大于10 m× 10 m 、12 m× 8 m。避雷帶的引下線則與閥室周圍的接地網直接連接,根據規範得知引下線的間距不得大于12m (對于第二類防雷建築物該數值則為18 m)。通過閥室的油氣管道可根據規範的要求,就近與建築物的防雷接地設施連接。這樣可以使管道與閥室的各器件達到等電位,防止雷電災害時管道産生很強的瞬間過電壓,造成管道自身防腐層的破壞,出現管道與閥室内電子設備器件等的放電現象,造成閥室内儀器設備損害甚至導緻火災或爆炸。
2.2 埋設管道的防雷設計
雷電對油氣管道的危害可以分為雷電直擊管道、雷電擊中管道附近物體和雷電擊中大地[4-5]。
(1) 雷電直擊管道時的防雷設計。當油氣管道所埋設地點的土壤電阻率達到周圍土壤電阻率的最小值時,雷電會尋求一個電阻最小區來向大地釋放電流。這将造成雷電直接擊中油氣管道,進而損害油氣管道的保護層,使管道裸露後因土壤腐蝕而造成穿孔,導緻油氣洩漏,甚至雷電直接擊穿油氣管道,引發安全事故。
沿着油氣管道每隔500 m 對管道采取相應的防雷接地措施,可以迅速将雷電流導入大地,避免管道防腐層被大面積破壞。同時為了防止雷電流沿着油氣管道的兩側傳輸,還應在管道的不同部位采用等電位連接措施,以保證管道的不同部位電位相等,避免二次擊穿。
(2)雷電擊中管道附近物體或大地時的防雷設計。雷電擊中管道附近的建築物、高塔或高壓架空線時,雷擊點的電位瞬間上升,并通過高塔的接地裝置将雷電流導入大地,引起油氣管道周圍的土壤電位産生急劇變化,導緻土壤與油氣管道之間的電位差升高,當達到一定的值時會擊穿土壤,産生放電現象。這個過程中,電流的熱效應會損壞油氣管道的保護層,同時放電電流将通過油氣管道由放電點向兩側傳輸,造成沿線管道與土壤之間又産生電位差,導緻土壤擊穿的再一次發生,使沿線管道産生程度不同的防腐層損壞,甚緻造成油氣洩漏。與雷電直擊管道時防雷設計方法相同,沿着油氣管道每隔500 m 對管道采取相應的防雷接地措施,可以迅速将雷電流導入大地,避免管道防腐層被大面積破壞。另外,針對這一情況,應對油氣管道進行電屏蔽保護。
考慮埋設在土壤中的油氣管道都設置有相應的陰極保護設施,本設計采用去耦合器進行屏蔽線與油氣管道的連接,解決了外加電流陰極保護系統的保護電流會通過屏蔽線迅速洩流到大地,從而導緻管道的陰極保護功能失效的難題,保障了管道的安全運行。去耦合器的導通工作電壓一般可設置為陰極保護系統工作的最大電壓。
3 防雷接地對陰極保護的影響
在石化行業中,為了防止雷電對油氣管道的危害,将雷電電流迅速導入到大地中,一般在油氣管道上都會設置相應的防雷接地設施。對于埋設在土壤中的油氣管道,由于土壤是一個複雜的電解質系統,金屬管道在其中會受到腐蝕,因此需要相應的陰極保護措施。本文中對油氣管道采用了外加電流保護法來進行陰極保護,這種方法是通過外加電源設備對被保護金屬施加保護電流,以提供足夠多的電子,使被保護金屬處于陰極狀态,從而達到防腐蝕的目的。然而在實際生産中,如果防雷接地安裝不當,則會導緻陰極保護系統的保護電流通過防雷接地直接洩流到大地,造成油氣管道上的保護電流微乎其微,幾乎發揮不了保護作用,導緻管道受到土壤的腐蝕,甚至穿孔,産生極大的安全隐患。另外,如果犧牲陽極法中采用的陽極或外加電流保護法中的輔助陽極與防雷接地所采用的接地極選材不當,導緻兩者之間形成原電池,對安全接地造成腐蝕,同樣會産生安全隐患。所以,如何處理好防雷接地與陰極保護系統之間的關系,如何使兩者成為一個和諧共存的整體顯得十分重要。
4 解決方案及對策
(1)防雷接地通過隔離器與管道相連。在防雷接地的安裝過程中,為了避免防雷接地極對陰極保護系統産生影響,可将防雷接地極通過防雷接地電池與管道相連。防雷接地電池平時處于開路狀态,不影響油氣管道的陰極保護系統,當油氣管道遭到雷擊時,接地電池導通,将管道上的過電壓迅速導入到大地中,使管道得到保護。另外在管道與防雷接地極之間串聯電火花間隙,當發生雷電電湧時,電火花間隙被擊穿,電湧通過防雷接地體洩流大地。平時電火花間隙起着隔離器的作用,隔絕了接地體對陰極保護系統的影響。
(2)輔助陽極和防雷接地分開埋設,在各自埋設區域埋充低電阻率的降阻材料,并确保電子系統和其他系統之間沒有直接電聯接。
(3)選擇腐蝕電位相近的防雷接地極材料、輔助陽極或犧牲陽極材料,這樣可以保證兩者之間的電位相近,電位差較小,以減輕原電池造成的腐蝕影響。

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