深阳极遥测技术在长输管线阴极保护上的应用
2013-06-20 14:25:36
作者：韩啸 潘永才 刘畅来源：
韩啸1，潘永才2，刘畅2
1.廊坊百川燃气公司，河北永清县武隆路219号，中国，065600);
Email: hxbclf@263.net;
2.永新电子与电化学防腐蚀中心，北京，朝阳区北苑路拂林园20-904，100107)，
Email: pqcc@vip.Sina.com
作者简介：
韩啸，男，40岁，文学、理学学士，清华大学工程硕士在读。1996年进入城镇燃气行业，现供职于百川燃气。具备注册安全工程师、注册建造师、注册咨询工程师等执业资格，历任燃气公司工程师、项目经理、总工、副总经理等职，主持过多个城市燃气项目的投资建设和运营工作。
摘要：本文介绍了在我国北方长输管线阴极保护中，采用深阳极外加电流法方案施工及遥测遥控技术测量调控的一个成功工程案例。
关键词：阴极保护；长输管线；深阳极地床；遥测遥控
1引言
祖国建设一日千里，昨天的荒野，今天已经高楼林立。地下金属设施也相应星罗密布。为了保护这些金属设施采用阴极保护，已是家喻户晓。为了减少阴极保护对临近设施的干扰业内朋友深知，采用深阳极法进行阴极保护，由浅阳极方法所带来的地表电流将较大减小，大量有色金属将被节约，保护距离也会大大延长。2005年以来，我们采用了二个深阳极地床，妥善地解决了从天津武清，经香河、廊坊、大厂到燕郊等180公里的天然气阴极保护问题。本文主要介绍永清至廊坊40公里管线采用深阳极地床阴极保护。
业内共知，阴极保护长输管道沿线的电位测量工作，是一项麻烦和必须完成的工作。尤其是在人烟稀少的荒野及山区更加耗费时间和精力。GB T21448规定当管道穿过无人地区，或很难接近的地方，应当采用远距离监测、遥感技术或其他数据传输系统，国家重点工程如西气东输主体管线的阴极保护数据的测量与传送，已经采用了遥测技术。可是地方支线与民营企业油气管道阴极保护的项目，仍然难以已广泛采用。主要因为这项技术造价很高，为了节省开支，我们采用了自己研制的GPRS模块与恒电位仪遥控同步转换接口。成功地实现了阴极保护用遥方法传回的现场测量数据。遥控技术是电脑接到传回的电位数据，会急速做出判断，再通过同步器，控制恒电位仪的电流增加或减少，使管道沿线的保护电位达到标准数据，实现全线阴极保护达标的目的。遥控工作，虽没有遥测急迫，也在进行中。
2 永-廊线土壤腐蚀情况调查:
2.1、管线概况：本管线为DN350 L360天然气螺旋焊接埋地管道,全长40.77公里，沿线2米以上为沙质冲积潮土。主要部位土壤电阻率为25-80Ωm，防腐覆盖层为三层PE结构，直埋为普通级，穿越段为加强级，交叉段为特加强级，弯管处为环氧粉末喷涂，外加聚乙烯热收缩带防腐结构，补口采用热收缩带防腐结构，管道穿越道路、河流45处共3168米，电气化铁道一处，管线10次与11万伏以上高压交流电网交叉及平行。本工程所经过的地理环境、沿线上部土壤为冲积潮土，多为沙质型，深处土壤可能为黏土型，部分管段或含水量较高。因此电阻率较低。管线经过地区主要为农田、河床、树林。临近本管道的地下管道和金属构筑物相对城市较少。但沿线仍时有光缆、金属管道、其他带有阴极保护的油气管线与其在地下交叉或相距较近。总之影响该管道安全运行的因素较多，土壤对管线的腐蚀性较强。沿线土壤电阻率测量结果见图1.
2、2土壤化学元素分析
本人在2000年，曾对永清及廊坊相同部位进行一次土壤取样分析，其结果见表1.可以借用其土壤分析为我设计参考。根据在廊坊末站、永清站外及高压线下三处土壤取样分析结果及土壤电阻率全部测量结果显示：永廊管沿线土壤的腐蚀性属于中等腐蚀等级。局部属于较强腐蚀等级。
表1 永廊线土壤化学成分分析
| 成分 | NO3— | Cl— | SO4= | CO3= | HCO3- | Ca++ | Mg++ | Na+ |
| 部位 | ||||||||
| 永清 | 0.021 | 0.009 | 0.014 | 0.015 | 0.108 | 0.009 | 0.002 | 0.05 |
| 南站 | 0.008 | 0.001 | 0.003 | 0.001 | 0.03 | 0.007 | 0.001 | 0.003 |
| 高压区 | 0.005 | 0.007 | 0.005 | 0.005 | 0.061 | 0.007 | 0.003 | 0.018 |
| 成分部位 | K+ | 全N | 有机质 | C/N | PH | 全盐 | 电导率 | 电阻率Ωm |
| 首站 | 0.014 | 0.057 | 0.758 | 7.71 | 9.14 | 0.242 | 0.39 | 27 |
| 末站 | 0.008 | 0.003 | 0.876 | 10.61 | 8.66 | 0.062 | 0.109 | 9.17 |
| 高压区 | 0.006 | 0.0018 | 0.78 | 7.3 | 9.16 | 0.117 | 0.218 | 45..9 |
2、3高压线影响区：
表2 110kv以上 高压线与管线交叉情况
| 交叉处数量 | 交叉形式 | 技术处理方法 | 降阻效果 |
| 10 | 垂直，斜交，平行 | 锌带或锌阳极组排流 | 接地电阻降到0.8—9Ω |
2.4管线水平定向穿越部分
表3 永廊线定向穿越部位名称
| 穿越道路、河流次数 | 水平穿越总长度,米 |
| 45 | 3168 |
3阴极保护方案的选定
对本工程(长输管道)来讲适于采用强制电流法。强制电流法，根据阳极地床的不同，也有两种方法(浅阳极地床法和深阳极地床法，或称深井)可供选择。因为强制电流法，可能会对地下临近管道或金属设施成干扰。但深井阳极地床的干扰相对较小。永清首站和廊坊末站的院内面积小，地下管道多，门站外的土地又不能借用，给阴极保护阳极的选择工作增加了许多工作。不宜采用浅阳极地床法，沧海桑田，随城市化进程的加快，为减少干扰，虽然增加一些投资，采用深井阳极地床法应当是该工程最合理的选择。#p#副标题#e#
4设计方案
4.1、设计依据：主要依据GB/T 21448-2008及国内外阴极保护相关规范
4.2、阴极保护设计参数
4.3保护站位置的选定：最佳位置应当是韩庄村(管线中心位置)，但，该处无电源，无支管，无人员，无房屋;在永清佃庄站内或廊坊市北旺西村门站内，电源、房屋、值班人员等一切完备，与甲方商定，保护站的位置就选定在这二处的一处。根据建设方意见选定在廊坊西村设保护站。
4.4深井阳极设计
阴极保护设计参数见表4
表4 强制电流阴极保护系统设计参数
| 基本参数 | 数椐 | 基本参数 | 数椐 |
| 管道长度 | 41km | 土壤电阻率 | 40Ω·m |
| 自然电位 | 0.55V | 电流效率 | 70% |
| 覆盖层电阻 | 10000Ώ.m2 | 辅助阳极 | 20支 |
| 保护电流密度 | 10μA/ m2 | 管道规格 | Φ355×6.4mm |
| 汇流点电位 | -1.25V | 钢管电阻率 | 0.166Ώ·m m2/ m |
| 最小保护电位 | -0.85V | 设计寿命 | 30a |
4.5强制电流深井阳极系统设计计算
管道阴极保护的工艺计算及结果见及工程设计见表5～表6
表5 工艺计算结果
| 项目 | 计算公式 | 结果 |
| 保护长度 |  |
141 km |
| 立式阳极 接地电阻 |
 |
5.74Ω |
| 组合接地电阻 | Rg=F·Rv1/N | 0.63Ω |
| 输出电流 | I=πD∙Js∙L | 0.3A |
| 输出电压 | V=I（Ra+Rc+RL）+ Vr | 4.25V |
| 阳极寿命 | G=(T·g·I)/K | »30a |
表6 主要工程设计
| 项目 | 数量 | 备注 |
| 阴极保护站 | 1座 | 带遥控接口与配件 |
| 高硅铸铁阳极 | 支 | 20,直径75，长1500 |
| 三组合恒电位仪 | 1套 | 15A/30V双系统 |
| 电位里程测试桩 | 45 | Φ108X3000 |
| 深井阳极地床 | 1处 | 104米 |
| 排流测试桩 | 10支 | 108X3000 |
| 绝缘接头 | 4套 | Φ356埋地型 |
| 接地电池 | 4套 | 双锌 |
| 等电位器 | 1套 |
5遥测遥控设备的制作
遥测遥控设备的制作，硬件制作主要是无线电位采集仪、智能测试桩、遥控同步控制器的制作。软件编制重点界面显示面板，是把分散采集的数据编成1~若干个界面显示图。传送技术不断发展，现在多是采用IP无线传播技术。这一整套传递系统，属于我们制作的设备，主要的是无线电位采集仪，统称RTU. GPRS模块等，需要根据国家GB标准，同时进行相应的严格试验，表7列出了对于安装技术性能要求，用于安装模块的测试桩也要达到结构防雷的相应要求。
表7 GPRS模块技术性能的设计要求
| 技术要求分项细则 | 要 求 说 明 | |
| 采集仪功能 | 无线电位采集仪主要用于管道保护电位的测量，使用GPRS无线网络，可实现数据的无线远传。 | |
| 执 行 标 准 | 低、高温恒湿试验方法GB/T2423.1-3，结构防雷GB50057 GB/T7450 | |
| 低压开关控制GB7251.1 低压熔断器GB13539.1 | ||
| 低压电源GB/T 17478锂离子电池，7.2VDC,电池容量在通讯信号良好、每天采集并上传1条数据的条件下，使用时间不少于2年。 | ||
| 主 要 技 术 性 能 |
环境条件 | 工作－25℃～＋55℃；环境－40℃～＋60℃；气压86KPa～106Kpa； |
| 安全要求 | 电源线绝缘电阻：大于10ＭΩ。 抗电强度：1500Ｖ，50Hz，1min无变化 |
|
| 采集范围 | 0～-3.000V；精度±10mV； | |
| 电位测量抗瞬间干扰能力 | 加50Hz、30V干扰电压，变化不大于5mV。输入端瞬间承受4焦耳、1000V过电后，仪器仍能正常工作。 | |
| 输入阻抗 | 输入阻抗大于1MΩ | |
| 自动采集自动定时通讯 | 能在设定状态下，自动定时采集保护电位数据，采样速度不小于10个/s； | |
| 电位超限时报警功能 | 设定的保护电位范围高于上限；或低于设定的保护电位范围下限时，采集仪报警。设定的保护电位范围上下限通过管理软件设定。 | |
| 自带时钟 | 时钟误差每24小时小于5秒； | |
| 数据通讯 | 采用GPRS无线网络方式或GSM短信方式进行数据通讯，数据上传时间可以设定 | |
| 防雷保护 | 仪器的输入、输出端装有防雷击保护电路，并符合GB50057的规定。 | |
| 采集仪接线口 | 两根信号线、一根信号地、GPRS无线通讯天线、电池电源引线。 | |
| 机壳： | 粉未静电喷涂，防护等级为IP65。 | |
| 寿命 | 仪器及部件都按照GB/T2423.1、GB/T2423.2、GB/T2423.3的标准要求进行高温、低温、湿热试验，印刷电路板采取防潮、防盐雾、防细菌等措施，设计使用寿命大于»15年。 | |
6阴极保护及遥测效果及分析
表8~表11为实现阴极保护及遥测运行前后时间的各项测量数据 。#p#副标题#e#
表8 施工现场参数测测
| 测试项目 | 钢干管自然腐蚀电位，-V | 土壤电阻率，ρ=Ω·m | 阳极组合，Ω | 钢干管沿线保护电位，-V | |
| 阳极地床 | 沿 线 | 站内 | 沿 线 | ||
| 数据 | 0．60-0.7 | 36~15~9~4 | 10~276 | 0. 6 | 0.85~1.32 |
表9 施工后阴极保护站数据测量
| 测试项目 | 阳极接地电阻Ω | 阴极接地电阻Ω | 给定电位（-V） | 保护管道通电点位（-V） | 保护管道终点电位（-V） |
| 数据 | 0.67 | 1.6 | 1.25 | 1.25 | 1.20 |
表10 启动恒电位仪保护后(设计参数：30V/15A)
| 测试项目 | 仪表 显示 |
输入电压（V） | 输入电流（A） | 输出电流（A） | 输出电压 （-V） |
通电点给定电位（-V） |
| 数据 | 稳定 | 220---230 | 0.5 | 0.30~0.5 | 0.8 | 1.25 |
表11 采用遥测RTU远传与现场用常规数字电表测出保护电位数据比较
| 测试桩 | 永1 | C5 | C14 | C26 | C35 | 永3 |
| 实 测-V | 1.23 | 1.20 | 1.20 | 1.25 | 1.28 | 1.25 |
| RTU(-V)遥传 | 1.24 | 1.20 | 1.20 | 1.25 | 1.28 | 1.25 |
1、全部数据显示埋地管道全线都得到了阴极保护;而且由于保护电压降很小，说明还可以大大延长保护距离;原设计计算保护距离可以达到141公里，表及曲线2显示，二次全程电压降为0.04~0.05V，40~50 mV也能说明，全线40Km的保护消耗的功率不到1瓦;
2、采用深阳极地床后，经实测，阳极地床站内地面金属管道的电位没有变化，显示深阳极地床上100米范围内，不对地面产生电场干扰;
3.图2显示当给定电位1.17V;1.24V.终点的保护电位分别为1.13V与1.20V都可以达到全线完全保护;
4、取样模块发回的数据，与实测一致，说明遥测模块采集数据准确无误，工作正常，可以代替人工工作，可以减少管理人员，节约运行成本。采用人工加专车需要二天才能完成的全线测量工作，采用遥测瞬间可以完成。遥控部分已经安装上备件,有关调试安装效果.将再次撰文报道。
References(参考文献)
[1] GB/T 21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》
[2] SY/T0017-96《埋地钢质管道直流排流保护技术标》
[3] SY/T0096-2000《强制电流深阳极地床技术规范》
[4] 埋地钢质管道交流干扰防护技术标准
[5] 部分参照西气东输二线GPRS电位采集仪及测试桩性能描述的说明书，
[6] 《百川燃气永廊天然气管道工程施工图》
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