浅谈电绝缘在阴极保护系统中的作用

浅谈电绝缘在阴极保护系统中的作用

 张帅华

西安市燃气规划设计院有限公司

摘要：基于西安市城市管网日益完善、地铁线路日益增多，埋地燃气钢制管道受到很大影响，燃气管网的优化及使用寿命尤为重要、也是未来西安市燃气管网的发展趋势、因此燃气管道的防腐对后期的管道的维护及运行尤为重要。

关键词：腐蚀、牺牲阳极、阴极保护、电绝缘

1. 背景概述

腐蚀是材料在各种环境作用下发生的破坏和变质，根据工业发达国家的统计调查，每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2%~4%，当然我国也每年受到很大的经济损失。因此，做好防蚀工作，已经是国家重大战略问题。西安市小寨十字，由于是地铁三号线和地铁一号线交汇处，此处燃气管道为DN300钢管，由于受到地铁等杂散电流的影响较大，若阴极保护失效会造成严重的后果；科技一路原为DN200埋地燃气钢制管道，由于管道腐蚀严重，已不能正常使用，燃气公司现已技改为DE200PE管道，若此处管道受到破损，且不能及时发现，不仅仅是对燃气公司的经济影响，甚至会造成严重的人员伤亡。

一、基础定义

1.腐蚀的定义：

金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化,并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。

2. 管道腐蚀原因：

由于土壤不均匀，氧气含量不同，土壤电解质不同、水含量不同均会形成浓度差。

3.管道腐蚀控制的原理：

1）隔离电解质（对管道增加涂层 ）；

2）中断金属管道（加装绝缘接头）；

3）消除阴极、阳极（施加阴极保护）。

4.阴极保护的定义：

将金属进行阴极极化以减小或防止金属腐蚀的方法成为阴极保护法。

二、解决办法：

1.干扰及杂散电流-静态直流干扰抑制方法

1）检查维修所有的绝缘接头，确保所有绝缘良好；

2）查找干扰源，对于非法干扰源通过法律途径移除；

3）在吸收杂散电流的区域

4）若管道断电电位负于1200mV（对于高强钢， SMYS>700N/mm2,负于1150mV），采用ACVG的技术，定位涂层缺陷，并修复；若不超过阴保准则上限，不需要采取措施。

5）在杂散电流流出的区域

6）若为强制电流阴保系统，可以先调节阴保站输出，以消除该热点区域。若调节阴保系统不可行，可以增加牺牲阳极，或者与干扰方跨接。

2.干扰及杂散电流-动态直流干扰抑制方法

1）检查维修所有的绝缘接头，确保所有绝缘良好；

2）对于后建干扰源，应依据法律要求对方，完善杂散电流控制，以减轻干扰，在五米管道路权内的新建干扰源，要求对方在建设后，修复管线所有图层缺陷；

3）用极化探头测量管线沿线电位，增加牺牲阳极或阴保站排流

4）采用牺牲阳极排流时，阳极与管道间需连接电流单向开关， 电流只可以流出管道不可以流入管道；

5）杂散电流成功抑制后，试片24小时断电测试，试片断电电位不会波动；

3.改造绝缘：

变大管网为小管网，管网变小了、通电点位波动变小了，牺牲阳极吸收杂散电流变小或者没有了，如果靠近地铁段的管段干扰仍然很严重，应逐步拆除直连的阳极；

三、电绝缘

根据GB/T21448-2017《埋地钢制管道阴极保护技术规范》要求。管道与其他结构金属接触或其他阻性接触，或其他直接与接地系统的连接都应避免，否则腐蚀风险增加 ；管道应与阴保系统以外的结构包括压缩站、泵站、减压站、计量站、交付站、水泵、存储设施、井口、海管、结构、接收站、工艺设施等与阴保管道的界面都应绝缘；电绝缘还用于阴保管段的分段，比如杂散电流区域 ；阴极绝缘通过安装绝缘接头或者绝缘法兰或者非导电的管段来实现，如果电绝缘不可能，那么阴极保护设计需要提供足够的电流、有效的电流分配系统以确保管道得到保护，而且不会影响其他结构。

电绝缘一般设置在1）由不同金属组成的管道2）管道末端3）电解质电阻率显著变化4）管线需要不同的阴极保护的管段5）需要不同阴极保护电流密度的管段6）杂散电流或大地电流影响的管段7）某些管网为适应阴极保护维护或测量的位置8）与末保护管段、结构或接地设备的界面9）对于输配管网，在与客户的界面处都应安装电结缘。

因为安全原因需要安装在管道上的接地装置或者用于消减感应电压的接地系统。如果接地是需要的，需要与阴极保护系统相配。国家法律法规允许的情况下，可以通过在接地回路中安装合适的直流解耦器。局部接地材料需要与管道直接相连的使用锌带、或者镀锌扁钢等材料，但是这样在将来还会对阴保系统产生不良作用（比如局部接地对远地的电阻可能比涂层缺陷对远地的电阻小很多，这样可能会导致流向涂层缺陷的电流减少）。

电绝缘的种类有绝缘接头、绝缘法兰、绝缘卡套、套管绝缘支架等。其中绝缘接头和绝缘法兰比较常用，对于两者的选择可以对比其优缺点及适用性。1）整体式绝缘接头应该可以用在任何地方，可以装在地上、井内或埋地；而绝缘法兰在大气条件下会老化、灰尘、污垢、潮气会进入，因此需要采用保护和或者粘弹体混合物包裹防止灰尘和潮气的进入。2）绝缘接头防水、防尘好、抗剪能力不好、有些介质不能用、不能在线维修、成本投资较大，判断绝缘是否失效多需要经验积累、只能安装在地上；而绝缘法兰防水防尘不好、抗剪能力强、氧气也可以用、可以在线维修、成本投资较小、绝缘失效更容易判断、可以安装在任何位置。

绝缘接头安装注意事项：

1）整体式绝缘接头应在安装前完成电绝缘检测；

2）对于气体管道尽量架空安装、利于检测（绝缘检测、超声检测）、维护；

3）有防止结冰要求的绝缘接头，可以考虑埋地安装，但不是一定要这样安装 （虽然埋地可以防冻、可以防止机械破坏及防火及有意、无意的损害；

4）阀井内安装兼有埋地和架空的优点，但对于气体管道或易燃品管道有气体聚 集的风险,折中的做法可能是安装在检查井中，填沙保护；

5）对于埋地绝缘接头需要考虑绝缘接头的涂层以及绝缘接头非阴极保护一侧的 涂层修复（建议采用粘弹体涂层发防腐）-定期检查；

6）对于含水多相流介质，绝缘接头需考虑垂直安装或倾斜安装，架空将是最好的选择，并在前端设置排污阀；

7）绝缘接头处不可以碰死口；

8）绝缘接头前后设计支撑。

电绝缘的检测

1）平行安装的多个绝缘-当多个绝缘平行安装（例如管汇上安装多个绝缘接头），每条管线IR降或者电流的测量或许是证明单个绝缘有效的唯一方法，测量绝缘装置处的磁场或许也可以作为 绝缘装置失效的方法。使用音频或者无线频率仪器可以比较个体绝缘装置的有效性。

2）在地上大气环境中暴露的绝缘装置需要定期检查、清除累积的灰尘，这些灰尘垃圾会导致绝缘搭接绝缘材料。为防水或者其他绝缘屏障的绝缘材料应保持良好的状态，这些材料不能使用有铝、锌这样的金属填充物。

3）在现场检测绝缘设施有效性的时候，绝缘接头保护装置也要一起检测。

4）绝缘组件也应检测，比如每只螺栓的对地电位是0v，意味着这个绝缘法兰是良好的。但是个别螺栓的电位不是0，绝缘法兰也可能不是坏的。

电绝缘的保护

为了保护绝缘接头不会过电压，绝缘火花间隙必须安装，跨接在绝缘接头两侧；为了消减各种电涌或干扰的影响，绝缘火化间隙、浪涌保护器需安装在管道与接地系统间；电缆长度、界面积以及类型对过电压保护的有效性有很大的影响，他们必须与绝缘火化间隙或者SPD特性相配。电缆长度尽可能的短，确保任何回路尽可能的短。

绝缘状况

1）通电电位 2）断电电位 3）土壤电阻率 4）交流感应电压 5）牺牲阳极阳极开路电位、接地电阻、输出电流 6）某些情况下需要做24小时连续测试 7）专项测试的条件-若例行测试结果达不到阴保准则 8）极化电池、SPD。

四、结语

电绝缘在阴极保护系统中有着举足轻重的作用，通过对电绝缘的设计及优化，可以起到保护管道延长其使用寿命的作用。由于现阶段，国内埋地钢管基本采用3PE防腐，防腐能力很好，管道不宜受到破损，据统计，10公里埋地管道采用3PE防腐，坏点不超过3个；因此绝缘如果失效，会导致阴极保护电流成备增加，或管段上过保护与欠保护同时存在，或杂散电流大量经过管道。通过对绝缘故障的分析，可以判断阴极保护是否正常运行，绝缘失效的表现如下：1）管道保护电位不符合阴保电流衰减规律2）阴保电流超过设计值很多3）地网电位异常波动；4）阴保电流突然增大；5）IR降很大，设定电位远远负于汇流点断电电位；6）试片断电电位波动；

参考文献：

阴极保护工程手册-胡士信

SY/T 0516 绝缘接头与绝缘法兰技术规范

GB/T 50698-2011 埋地钢制管道交流干扰防护技术标准

GB/T21447-2017 埋地钢制管道阴极保护技术规范

GB/T 10123-2001 金属和合金的腐蚀