管道项目工程阴极保护系统技术服务介绍材料.doc

^` 管道工程阴极保护系统 技术服务手册 2015年08月  目录 第一章 前言 3 第二章 阴极保护的简介 4 第三章 阴极保护相关技术规范与标准 7 第四章 阴极保护类型的选择及其经济性的分析 8 第五章 区域性阴极保护系统运行与数据记录 20 第六章 区域阴极保护系统的维护 26 第七章 区域阴极保护系统运行维护安全注意事项 31 附录 32 第一章 前言 对管道而言，腐蚀是影响油气站场管道安全的主要因素之一，其严重后果是造成站场内的管道穿孔泄漏。为了使管道免于腐蚀威胁，目前国内普遍采用的大多为防腐涂层的方法。防腐层的防腐机理是通过隔绝管道金属体与外部的土壤腐蚀环境来实现的，土壤中的水分、氧气和无机盐等物质由于防腐层的阻隔作用而不能到达管体表面，从而抑制了腐蚀的发生。但是由于防腐层在涂覆和管道安装过程中往往不可避免的会存在一些诸如局部破损等缺陷，如果没有其他的补充有效腐蚀防护手段，在这些涂层缺陷处就会发生腐蚀。因此，对管道而言，单纯的防腐涂层并非完善的腐蚀防护技术体系，在这种情况下，阴极保护保护作为一种有效的电化学腐蚀防护手段，可以有效的对防腐涂层破损处进行腐蚀防护。阴极保护是利用金属的极化原理，通过施加一定的直流电流到金属保护对象，实现对电解质（如站场的土壤）中金属构筑物（如管道）电化学腐蚀防护的方法。 阴极保护系统包括电源设备、被保护结构物、测试系统和阳极床系统四大部分，需要有效的运行维护才能保证其发挥腐蚀防护的功能。本手册编制的目的即在于为管道阴极保护运行维护管理人员提供有效的学习培训、运行维护作业指导，保证管道阴极保护系统的高效稳定运行。  第二章 阴极保护的简介 现在，人们已经普通认识到了管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防腐措施，这是因为防腐层在生产、运输与施工中无法保护不受到任何损坏，因此不可能完全将管道与腐蚀环境及介质完全隔离。而且用于防腐层的各种材料都有不同程度的吸水和透气性，因此埋地后，在土壤中电解质溶液的作用下会逐步吸水老化。要维持有效的防腐，就必须同时采取阴极保护进行联合保护。阴极保护的使用已经产生了巨大的经济效益，通常采用阴极保护的管道寿命可以延长一倍以上，而阴极保护的投资不及总投资的3%，此其经济效益与社会效益是显而易见的。国标GB 50393-2008《钢质石油管道防腐蚀工程技术规范》对管道提出了必须采用阴极保护的要求。 下面介绍阴极保护的原理及其方法。 2.1阴极保护的原理及类型 对于管道而言，阴极保护是目前最有效减小腐蚀的手段之一。阴极保护的原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，因而金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。 2.1.1牺牲阳极阴极保护 牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的、相同的电位。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，埋设后很少需要专业人员来维护，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆米）的金属结构，如城市管网、小型管道等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，如牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年，最多5年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳（氧化产物与周围介质的混合物），限制了阳极的电流输出，甚至造成阳极窒息。设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。 2.1.2外加电流阴极保护 外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从阳极流向被保护金属，使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等。但是外加强制电流阴极保护的需要建设阴极保护站，阴极保护站的恒电位仪等电器设备一般需要专业人员的定期维护。 2.2牺牲阳极与强制电流阴极保护的区别 对于具体的保护对象，是采用牺牲阳极阴极保护还是采用强制电流阴极保护，应具体情况具体分析。以杂散电流干扰不大、土壤电阻率较低、保护电流较低的条件为例，管道采用牺牲阳极阴极保护的方法是既经济又合理的。2.3国内外阴极保护使用的现状 阴极保护技术在国外己有一百多年历史，四十年代开始应用于石油、化工设备的防腐之后又发展用在地下油、气、水的输送管道防腐方面。阴极保护不仅可以防止一般腐蚀，还可以防止金属的小孔腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀裂开、冲击腐蚀和黄铜脱锌等。我国在六十年代初开始研究阴极保护方法，六十年代末期在主要在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统并且收到明显的效果。由于这项技术可以为国家节约大量资金和节省日益匮乏的金属能源，延长钢质管道和管道的使用寿命，因此我国在钢质管道的保护上，也普遍采用了阴极保护技术。但目前我国的阴极保护在施工方面和管理方面都还不是很规范，我们对阴极保护管理的水平与国外的阴极保护管理水平还有相当大的差距，例如，在德国PLE工程公司阴极保护部只有不到一百人却担负则德国近万公里的760座阴极保护站，4.5万个绝缘接头，1万多个测试点。而我国的阴极保护管理工作主要是管道或管道所有权的公司进行，所以缺乏统一的管理标准。阴极保护的管理工作应该从头抓起，注重每个环节的工作，这样才能提高阴极保护的管理水平。首先就要了解有关阴极保护的相关的技术规范和标准。 第三章 阴极保护相关技术规范与标准 只有了解阴极保护的相关的技术规范与标准，才能从根本上抓住阴极保护的管理中的要点，否则无从谈起提高阴极保护的管理水平。现在有关这方面的标准很多，下面就列出以下国内外的主要标准。 3.1国外有关阴极保护的标准 1.DIN EN 13636-2004 Cathodic protection of buried metallic tanks and related piping 2.ISO 15589-1-2003 Petroleum and natural gas in dustries-Cathodic protection of pipeline transportation systems-Part1: On-land pipelines 3.DIN EN 13509-2003 Cathodic protection measurement techniques 4.BS EN 13509-2003 Cathodic protection measurement techniques 5.ASTM B843-1993(2003) Standard Specification for Magnesium Alloy Anodes for Cathodic Protection 6.NACE TM 0497-2002 Measurement Techniques Related to Criteria for Underground or Submerged Metallic Piping Systems Item 3.2国内有关阴极保护的标准 1、GB 50393-2008 《钢质石油管道防腐蚀工程技术规范》 2、SY/T 0087.3-2010 《钢制管道及管道腐蚀评价标准 钢质管道直接评价》 3、SY/T 0088-2006 《钢质管道罐底外壁阴极保护技术标准》 4、SY/T 0047-1999 《原油处理容器内部阴极保护系统技术规范》 5、Q-SH 0086-2007 《钢制管道罐底外壁阴极保护网状阳极系统技术要求》 第四章 阴极保护类型的选择及其经济性的分析 阴极保护与涂层的联合保护可取得巨大的经济效益与社会效益，日益被人们所公认并逐渐被人们所接受，并在管道、贮罐的建设中做到了与主体工程同时勘察、设计、施工和投产。实施任何一个工程时都要考察其经济性，阴极保护工程也不例外，下面就介绍一下影响阴极保护工程经济性的因素。 4.1影响强制电流阴极保护的经济性的因素 按我国石油行业标准SYJ 36-89《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》对辅助阳极接地电阻没有明确规定，只是提出应与所用的仪器设备相匹配。接地电阻是阴极保护电能消耗的主要部位，约占60～80%，有人曾做过电能消耗的分配实验见表2。 阳极电能的消耗主要是用在克服接地电阻上，接地电阻越小，则消耗越小。从这点出发，为了达到这一目的，阳极装置必然过于庞大，或要做必要的处理，则经济上是不可取的。究竟取多大为宜，苏联规定该值应小于0.5Ω，事实证明，当阳极埋设处的土壤电阻率小于10Ωｍ时，一般阳极结构可以达到这一标准。如电阻率高，则阳极结构要十分庞大，甚至无法达到这一标准。现在多使用难溶高硅铸铁阳极，要求阳极工作电流密度应控制在5～80Ａ/ｍ2范围内，接地电阻可以不受此限制。目前我国生产的阴极保护专用仪器，恒电位仪的规格有限，选用时要注意与阴极保护系统的电阻相匹配。从表2可知，三部分中以阳极接地电阻占主要部分，又是可变部分，如何使它们之间相匹配，主要是看经济的合理性。 4.2影响牺牲阳极阴极保护的经济性的因素 目前牺牲阳极多以成组布置，一组4～5支或更多不等，阳极间距2～3ｍ，从现场测试结果表明，4支一组阳极发出的电流之和远小于单支发生电流的4倍，其原因也是由于阳极电场的相互影响，多支汇流一点与管道相连必然造成电场的屏蔽，影响阳极电流的输出。因此，建议采用单支分散布置会消除电场影响，使电位分布非常均匀，这对涂层略差的管道更显示出其优越性，这样设计牺牲阳极块的位置也是最经济的。 4.3保护电流需要量的确定 使被保护金属停止腐蚀所需要电流密度值，一般的确定方法是用被保护物体表面的几何面积与总电流相除求得。最小保护电流密度值主要根据被保护金属的类别、腐蚀介质成分，相对运动速度、温度、表面涂层或阴极沉积膜性质、完整性的接触电阻来决定，由于上述条件不同，最小保护电流密度数值变化幅度很大，从最小几μＡ/ｍ2到最大几百Ａ/ｍ2。在上面列举的诸因素中，影响地下管道和管道最小保护电流密度大小的主要因素是管道防腐涂层的性质、结构和完整性、及防腐层的电阻值。从实际工程观测得知：裸钢管所需的最小保护电流密度经验值为5～50ｍＡ/ｍ2，埋入混凝土内钢筋最小保护电流密度经验值<2ｍA/ｍ2。阴极保护电流密度的选取是设计成败的关键。只有了解不同防腐层所需要的保护电流密度值，才能做到少花钱做好事。 第五章 区域性阴极保护系统运行与数据记录 一、 概述 阴极保护系统是保护埋地金属设施免于土壤电化学腐蚀的有效手段，其由阴极保护电源、阳极床系统、保护对象及电位测试系统共同组成。这些系统运行的正确操作是保证阴极保护系统正常运行的基本保证。而阳极床系统、保护管道等对象及测试系统在施工完毕后主要的工作为监测，因此，运行操作实际主要涉及的是阴极保护电源的操作及各系统的监测。 管道阴极保护系统的运行工作主要包括以下内容： a) 定期观测记录保护电位： 确定系统是否达到了保护要求，在电位出现偏移时，应分析原因并做出调整。 b) 定期观测记录阴保系统恒电位仪运行参数： 观测记录恒电位仪的运行参数，判断设备是否运行正常；必要时调整恒电位仪系统输出，以保证站内格测试点的保护电位符合标准和规范要求。 按SY/T 0088-2006标准要求，罐底板的保护电位应为-0.85V至-1.2V (相对Cu/CuSO4参比电极)；最小极化电位为100mV。 二、 阴极保护系统运行 1、 区域阴极保护系统投运前检查 l 现场检查站内区域保护阳极床系统、电缆连接系统和测试系统功能正常； l 检查区域阴极保护系统阳极电缆、阴极电缆、零位接阴、控制参比电缆在恒电位仪上连接正确； l 现场没有进行涉及罐体用电作业项目（如焊接）。 2、 恒电位仪的运行 以青岛三立新源电器有限公司的KHV-15A/30V恒电位仪为例： （1） 基本操作方法 1) 手动操作（恒流模式） i. 检查设备无异常后，将单相电源接入端子L、N端，将联机电源L1、N1接好， X1的参比电极按图标连接，正负极按图示链接； ii. 将仪表板上的测量选择开关置于给定； iii. 将手动-自动选择开关置于手动； iv. 将停止-运行开关置于停止； v. 送入交流220V电源； vi. 合闸电源开关K0，此时，仪表板上停止指示灯应亮，如果故障指示灯也亮，可按动复位按钮解除； vii. 旋动停止-运行旋钮至运行，设备启动工作，停止指示灯灭，运行指示灯亮； viii. 顺时针缓慢转动手动调节器，使设备输出电流调节到所需值，设备手动启动完成。 2) 自动操作（恒位模式） i. 将停止-运行开关置于停止； ii. 手动-自动开关置于自动； iii. 送入交流220V电源； iv. 合闸电源开关K0，设备停止指示灯亮，如果故障指示灯亮，应按复位按钮解除； v. 逆时针转动自动调节器，使给定电位达到要求的保护值； vi. 旋动停止-运行开关至运行位置，设备输出缓慢启动到保护电位； vii. 旋动测量选择开关至测量位置，其参比电位应与给定值相同，设备自动启动完成。 （2）罐底电位测试 仪器设有通断电测试方式，可对管道保护电位进行测量（用于消除IR降的影响）。 通断测试方法： 将给定-测试按钮转到测试位置。 转动仪器面板上的正常-通断按钮至通断位置，仪器此时进入输出电流“通”12秒， “断”3秒的间歇工作状态。在输出“断”3秒时观察电位表的电位显示（在指针显示不易读出电位值或由于IR降导致电位指示超量程时，可采用数字万用表直接在参比电极接线端直接测量，读取断电后的第2~4位数值，根据IR降的情况来判断）。 测试结束后，应再转动正常-通断按钮至正常位，使仪器回到正常工作状态。 （3）复位 在开机（转动停止-运行开关至运行）/运行中产生故障、指针超量程、受到干扰等情况下出现声光报警时，可在判断出故障原因后将停止-运行开关至停止，然后按下复位按钮，消除警报。 （4）使用条件及注意事项 本仪器使用环境设计为室内，使用环境要符合说明书的规定。 调试前，手动/自动调节器应旋到最小，以免在停止转运行时输出电流过大。 仪器从手动档切换到自动档时，应先关机（转到停止位），将工作方式置换自动后再开机（反之亦然）。 开机的顺序应该为总开关KZ→单机开关KO→停止-运行开关转运行位。当需要切断系统电源时，关机顺序则相反。 恒电位仪的机壳接地必须接到地线上，不能接到电网的零线上，以保证仪器使用安全和有效的防雷。 具体恒电位仪操作请参考说明书。 三、 阴极保护系统参数测量 对区域保护系统而言，阴极保护系统参数测量主要包括：系统输出（直流电压、电流）、保护电位。如果设计有牺牲阳极保护则还应该包括牺牲阳极输出电流测量等内容。具体每种阴极保护参数的测量周期应按照相应的标准或管理规范要求进行测量和记录。测算量设备包括：Cu/CuSO4参比电极、数字万用表（内阻>10MΩ）、ZC-8接地电阻测量仪等。 下面分别对阴极保护主要参数的测量方法加以叙述： l 阴极保护电位测量 阴极保护电位是确定阴极保护运行状况的基本手段，需要设备是便携式Cu/CuSO4参比电极和数字万用表。对管道的阴极保护系统电位测量来说，管道下大多数都预埋了长效Cu/CuSO4参比电极，因此，可直接通过测量测试桩的接线得到罐底保护电位值。 控制参比可以直接从恒电位仪上对保护电位进行读取。 四、 阴极保护系统运行数据记录 恒电位仪运行记录及保护电位测试记录及评价表： l 测量记录周期：每天 l 测量记录数据判断 恒电位仪运行数据： a. 设备输出电流电压在额定工作范围内； b. 保护电位在－0.85～-1.2V 之内，达到保护设计要求； c. 系统回路电阻（直流电压与电流比）稳定，反映阳极床系统及介质环境稳定无变化。 l 测量记录表 见附件：恒电位仪日常运行记录 五、记录数据的管理 以上所有记录的区域保护系统运行数据均应及时整理，并签署归档，并由专人管理。为了方便数据检索和使用，同时应该专门整理好电子档运行数据，存于管理计算机中，并定时备份。 第六章 阴极保护系统的维护 阴极保护系统维护主要是指对阴极保护电源设备、阳极床、电缆和参比电极进行有效维护，保证其工作正常可靠。 一、 阴极保护维护资料管理 技术资料应当齐备，并由专人进行管理。至少应包括以下资料： 1、 阴极保护竣工图 应包括全套的阴极保护竣工图纸以及历次改造涉及阴极保护部分的资料。阴极保护总平面图、外加电流系统接线图、系统原理图都应包括在内。 2、 阴极保护设备资料 至少应包括恒电位仪设备的说明书和运行维护记录，并建立设备档案，认真填写运行、维修、故障记录。 3、 运行数据记录表 包括恒电位仪运行数据记录表、故障记录表、绝缘法兰测试数据表（如果有）、牺牲阳极测试数据表（如果有）。 二、阴极保护电源系统的维护 阴极保护电源系统的维护主要是指恒电位仪的维护，主要是定期对恒电位仪进行维护与检修，保证其正常稳定工作。管道阴极保护采用的通常是硅整流恒电位仪，下面以HKV-15A/30V型恒电位仪为例进行说明。 1、恒电位仪的日常维护： l 阴极保护间应保持清洁、无尘、通风、干燥；仪器、设备、工具摆放整齐； l 运行和备用的电源设备应做到无灰尘、无缺件、无杂物，技术状况良好。各种技术指标应符合说明书规定。并常备设备易损备件，以备维修； l 运行和备用的电源设备（如果有）应定期切换运行。切换周期每月一次，备用设备应完全切断与阴极保护系统的电连接； l 电源设备在首次投运或整体断电时，应按顺序进行开关机； l 电源设备的调整维修需要带电运行必须在假负载上进行，不得在现有回路运行中进行维修。在设备维修时，不得擅自改变结构和线路，需要改变时，应向设计单位咨询意见，并将绘制改装后的图纸资料存档。 2、恒电位仪的定期维护 l 每月开备用机（如果有）至少一次确认其工作是否正常一次 l 电源设备应每月维护保养一次，每季检查维修一次。 l 每半年检查一次电源设备的避雷设施，雷雨季节增加检查次数。 3、恒电位仪常见问题解决办法及注意事项 表4 简单故障判断和处理方法 序号 故障情况 疑似原因 处理方法 1 开机无输出，指示灯不亮，表头不显示。 ⑴电源开路 ⑵输入保险管断或稳压电源变压器保险管断。 ⑴查输入电源并重新接好。 ⑵更换保险管。 2 输出电流、输出电压突然变小，仪器本身正常。 参比失效或参比井土壤干燥或零位接阴线断。 更换参比、重埋参比或接好零位接阴线。 3 开机转运行后，输出启动慢。 回路电阻较高。 等待3~7秒，如一直无输出，则转动手动调节旋钮，待出现较高输出后，再调回设定电流值。 4 给定转测量时，表头显示超量程，声光报警。 回路中IR降太大。 转到给定位，电位测量采取数字万用表在参比电极接线端测量的方式。 5 电位、电压（直流）、电流表头指针摇摆不定，或停止输出声光报警。 ⑴杂散电流干扰。 ⑵参比电极损坏。 ⑶IR降太大。 ⑴测定来源并排流。 ⑵切换参比电极。 ⑶转至手动（恒流模式）。 6 无电压、电流输出，“保护电位”比“控制电位”高，声光报警。 ⑴参比电极断线。 ⑵参比电极损坏。 ⑶IR降太高。 ⑴更换参比。 ⑵转手动（恒流模式）。 7 输出电压变大，输出电流变小或不变（恒流模式），恒电位仪正常。 ⑴土壤干燥。 ⑵阳极床发生“气阻”。 ⑴对阳极床注水。 ⑵关机一段时间。 8 有输出电压，无输出电流，声光报警，恒电流也无法工作。 ⑴一般是现场阳极电缆开路,但不排除阴极线被人为破坏。 ⑵机内输出保险管熔断。 ⑴重新接线。 ⑵更换保险管。 9 仪器“工作”正常，“通断测试”不能“通”、“断”输出，或“通”、“断”时间不对。 ⑴时间控制板损坏。 ⑵通断时间设定不正确。 ⑴更换控制板。 ⑵改变通断时间设置。 三、阳极床系统的维护 阳极系统是阴极保护系统的阳极电流输出系统，其寿命的长短、接地电阻的大小及位置直接决定阴极保护系统的实施效果和性能。但是由于阳极系统处于地下，属隐蔽工程，因此，阳极床系统的运行操作内容主要是监测反映阳极床性能的相关参数，并及时处理有关问题。 复杂的区域性保护的阳极床系统一般既包括浅埋阳极地床、深井阳极地床，也包括牺牲阳极系统。本管道阴极保护采用的是罐底网带状阳极地床。对强制电流阳极床系统主要是通过观察（通过恒电位仪）阳极床的输出情况变化，以判断接地电阻变化情况，及时发现问题并采取适当措施处理。 强制电流辅助阳极，结构型式多种多样，不管使用什么样的阳极，都要注意以下问题： a) 阳极引线接头防水绝缘密封完好； b) 阳极对电解质的电阻稳定不变； c) 土壤环境中的阳极“气阻”现象。 四、阴极系统测试系统的维护 阴极保护测试系统是评价/确定阴极保护系统保护效果的核心方式，主要是检查注意以下问题： 1）电位显示正常，零位电缆与被保护物连接良好； 2）进行改造施工时，应注意对站内区域保护测试桩及其连接线的保护。 五、阴极保护连接电缆系统的维护 阴极保护电缆系统包括阴极电缆、阳极电缆和参比电极电缆，其中，阴极电缆通电点和零位接阴也在运行维护管理范围内。 电缆连接系统的维护主要包括以下内容： 1、 通电点连接正确稳固，扁铁与管道的焊接牢固可靠，涉及到设置通电位置附近有施工作业时，应注意对通电点的防护，避免其遭到破坏。 2、 电缆及测试桩的维护 l 有改造工程时应注意对阴极保护电缆、测试桩的保护； l 每季度打开检查测试桩视窗，检查里面接线端子是否完好、是否有锈蚀。 第七章 阴极保护系统运行维护安全注意事项 一、 安全总则 l 在进行阴极保护运行维护过程中，应遵守和遵循管道安全管理规定和相关国家、行业安全规定； l 在管道内进行改造施工时，应对施工项目与现有阴极保护系统的冲突提前发现并加以协调。 二、 人员安全 l 所有阴极保护运行维护人员均应学习熟悉管道安全管理规定； l 进行恒电位仪检修和实验工作应由具备电工专业人员进行； l 在站内进行涉及管道和接地系统连接、断开等电连接项目时，应暂时关闭恒电位仪，待作业完成后再行打开运行。 三、 设备安全 l 恒电位仪应定期检查避雷器的有效性，经测试损坏，应及时更换； l 恒电位仪的机壳接地必须接到地线上，不能接到电网的零线上，以保证安全 恒电位仪日常运行记录 日期 开机号 天气 仪器给定电位（-V） 输出电流（A） 输出电压（V） 通电点电 位（-V） 测试人 阴极保护系统运行记事 日期 运行机号 问题处理及相关记录