概要:
針對西氣東輸工程干線中具有3PE 外防腐層的X80 鋼油氣管道,首先沿著管道每隔500 m 采用相應(yīng)的防雷接地措施,將雷電流導入大地,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(wěn)定的等電位,又可防止管道直接產(chǎn)生二次放電損壞管道防腐層。最后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(shè)的措施,可消除防雷接地對油氣管道陰極保護系統(tǒng)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(zhì)溶液會形成無數(shù)的腐蝕原電池,這種腐蝕電池即為雙電極原電池系統(tǒng)。腐蝕原電池中的陽極發(fā)生陽極反應(yīng),產(chǎn)生電子向陰極輸送,同時陽離子融于電解質(zhì)溶液中。原電池的陰極發(fā)生陰極反應(yīng),得到陽極反應(yīng)所帶來的電子,根據(jù)電解質(zhì)溶液的不同,在陰極析氫或產(chǎn)生金屬陽離子沉淀。因此,如果能夠?qū)⒁粋€外加電流附到金屬表面上,使金屬完全處于陰極狀態(tài),就可以抑制陽極反應(yīng),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,使其處于陰極狀態(tài),遏制腐蝕的發(fā)生。目前陰極保護有犧牲陽極保護法和外加電流法[2-3]。
犧牲陽極保護法是將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標金屬的目的。外加電流法是通過外加電源設(shè)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態(tài),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,不會產(chǎn)生過保護,隨管道一起施工安裝,工作量小,且在運行過程中,維護工作相對簡單;但是由于驅(qū)動電位低,可控性小,導致保護范圍小,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(qū)動電壓高、輸出電流大,可用于長輸管線和區(qū)域性管網(wǎng)的保護,保護范圍廣、面積大;但保護過程依靠外部電源,需要定期繳納費用,且應(yīng)配有專業(yè)人員進行維護監(jiān)管。
2 油氣管道的防雷設(shè)計
油氣管道的防雷設(shè)計應(yīng)嚴格遵守《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范(GB50251) 》和《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(GB50057)》。一般可通過電屏蔽、接地網(wǎng)、管道等電位跨接來減輕雷電對管道的影響。沿著油氣管道每間隔500 m 采用相應(yīng)的防雷接地措施,可以迅速將雷電流導入大地,避免出現(xiàn)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(wěn)定的等電位,防止管道直接產(chǎn)生二次放電以損壞防腐層。以西氣東輸工程干線中具有3PE 外防腐層的X80 鋼油氣管道為例探討油氣管道的防雷設(shè)計,該管道沿線設(shè)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(shè)計
閥室一般為不超過5 m 高的平房,根據(jù)閥室的通風情況可將其分為爆炸性氣體環(huán)境1、2 區(qū), 可在閥室墻上鋪設(shè)避雷帶來作為防雷措施。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(GB50057)》, 對于第一類防雷建筑,避雷帶的網(wǎng)格一般不大于5 m×5 m 、6 m×4 m,對于第二類防雷建筑物避雷帶的網(wǎng)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(wǎng)直接連接,根據(jù)規(guī)范得知引下線的間距不得大于12m (對于第二類防雷建筑物該數(shù)值則為18 m)。通過閥室的油氣管道可根據(jù)規(guī)范的要求,就近與建筑物的防雷接地設(shè)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(zāi)害時管道產(chǎn)生很強的瞬間過電壓,造成管道自身防腐層的破壞,出現(xiàn)管道與閥室內(nèi)電子設(shè)備器件等的放電現(xiàn)象,造成閥室內(nèi)儀器設(shè)備損害甚至導致火災(zāi)或爆炸。
2.2 埋設(shè)管道的防雷設(shè)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(shè)計。當油氣管道所埋設(shè)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(qū)來向大地釋放電流。這將造成雷電直接擊中油氣管道,進而損害油氣管道的保護層,使管道裸露后因土壤腐蝕而造成穿孔,導致油氣泄漏,甚至雷電直接擊穿油氣管道,引發(fā)安全事故。
沿著油氣管道每隔500 m 對管道采取相應(yīng)的防雷接地措施,可以迅速將雷電流導入大地,避免管道防腐層被大面積破壞。同時為了防止雷電流沿著油氣管道的兩側(cè)傳輸,還應(yīng)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(shè)計。雷電擊中管道附近的建筑物、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將雷電流導入大地,引起油氣管道周圍的土壤電位產(chǎn)生急劇變化,導致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,產(chǎn)生放電現(xiàn)象。這個過程中,電流的熱效應(yīng)會損壞油氣管道的保護層,同時放電電流將通過油氣管道由放電點向兩側(cè)傳輸,造成沿線管道與土壤之間又產(chǎn)生電位差,導致土壤擊穿的再一次發(fā)生,使沿線管道產(chǎn)生程度不同的防腐層損壞,甚致造成油氣泄漏。與雷電直擊管道時防雷設(shè)計方法相同,沿著油氣管道每隔500 m 對管道采取相應(yīng)的防雷接地措施,可以迅速將雷電流導入大地,避免管道防腐層被大面積破壞。另外,針對這一情況,應(yīng)對油氣管道進行電屏蔽保護。
考慮埋設(shè)在土壤中的油氣管道都設(shè)置有相應(yīng)的陰極保護設(shè)施,本設(shè)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(tǒng)的保護電流會通過屏蔽線迅速泄流到大地,從而導致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(shè)置為陰極保護系統(tǒng)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(yè)中,為了防止雷電對油氣管道的危害,將雷電電流迅速導入到大地中,一般在油氣管道上都會設(shè)置相應(yīng)的防雷接地設(shè)施。對于埋設(shè)在土壤中的油氣管道,由于土壤是一個復(fù)雜的電解質(zhì)系統(tǒng),金屬管道在其中會受到腐蝕,因此需要相應(yīng)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(shè)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態(tài),從而達到防腐蝕的目的。然而在實際生產(chǎn)中,如果防雷接地安裝不當,則會導致陰極保護系統(tǒng)的保護電流通過防雷接地直接泄流到大地,造成油氣管道上的保護電流微乎其微,幾乎發(fā)揮不了保護作用,導致管道受到土壤的腐蝕,甚至穿孔,產(chǎn)生極大的安全隱患。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,導致兩者之間形成原電池,對安全接地造成腐蝕,同樣會產(chǎn)生安全隱患。所以,如何處理好防雷接地與陰極保護系統(tǒng)之間的關(guān)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(tǒng)產(chǎn)生影響,可將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態(tài),不影響油氣管道的陰極保護系統(tǒng),當油氣管道遭到雷擊時,接地電池導通,將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(lián)電火花間隙,當發(fā)生雷電電涌時,電火花間隙被擊穿,電涌通過防雷接地體泄流大地。平時電火花間隙起著隔離器的作用,隔絕了接地體對陰極保護系統(tǒng)的影響。
(2)輔助陽極和防雷接地分開埋設(shè),在各自埋設(shè)區(qū)域埋充低電阻率的降阻材料,并確保電子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間沒有直接電聯(lián)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。