苏里格气田集输管道阴极保护运行检测及优化案例分析
2019-07-10 10:43:16 作者:冯朋鑫,宋考平,于淑珍,茹志鹃,张晓虎,侯世颖 来源:东北石油大学石油工程学院,中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院,低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,北京安科管道工程科技

外防腐层和阴极保护是集输管道腐蚀防护最经济有效的方式,埋地管道防腐层破损点通过吸收阴极保护电流,使管道表面阴极极化,极化电位达到-0.85~-1.2 VCSE区间时能够有效抑制腐蚀的发生。为使管道达到全面保护,阴极保护保护率 (管道极化电位负于-0.85 VCSE长度占管道总长度百分比) 应达到100%。没有绝缘就没有阴极保护,为防止阴保电流的流失要将保护构筑物与非保护构筑物进行电绝缘。和电绝缘相对应,被保护构筑物系统间的电连续性是阴极保护的又一条件。集输管网中间串联有众多集气站,新建管道多采取就近跨接的方式实行联合阴极保护,多条管线通过阴极保护跨接连为一体,每个阴保站保护范围未知,给每条管道提供保护的阴保站数量和位置未知,给阴极保护管理,特别是阴极保护电位的常规测试以及密间隔测试 (CIPS) 带来难题,阴极保护远程监测系统融合传统阴极保护测试方法,可实现对通电电位、断电电位、交流电压等参数的准确测量、自动检测及预处理、无线数据传输和服务器数据管理等功能。进而实现阴极保护电位数据的远程监测和管理等功能,提升阴极保护管理的信息化、智能化水平。


本文通过一系列的现场测试、排查工作,明确苏里格典型区块阴极保护存在的主要问题,通过针对性的优化措施以及阴极保护数字化升级改造的成功实施,使得阴极保护有效性得到明显提升,实现阴极保护管理的信息化、智能化。


1 苏里格气田典型区块阴极保护概况


此区块共有管线8条,共计249.578 km。共有三座外加电流阴极保护站,分别安装于第B处理厂、第C处理厂、苏54-a集气站。2016年管线始末点通电电位测试结果显示 (表1),根据GB/T 21448-2008进行阴极保护效果评价,苏B干线、苏C干线B段、苏3-3干线C段、2号站来气管道、4号站来气管道通电电位偏低,通电电位偏低管线里程为115.078 km,其中苏C干线B段、苏C干线C段、苏75-b号站来气管道、苏75-d号站来气管道通电电位正于-0.85 VCSE,不达标管线里程为69.078 km。即便以通电电位作为评价标准,保护率也仅为72.3%,如果以断电电位作为评价标准,保护率更低。

 

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2 阴极保护现场评价与问题分析

 

依据GB 21446-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》中相关要求测试阳极地床接地电阻,结合恒电位仪输出参数日常记录数据,分析阳极地床接地电阻过高原因;采用电位法结合馈电试验确定绝缘装置有效性以及管线之间电连续性质量。


2.1 辅助阳极地床


在调研中发现,此区域三座阴保站的辅助阳极地床均为浅埋阳极地床,每个阴保站均满足浅埋型地床对于空间的要求,B处理厂浅埋型阳极地床的接地电阻高达48 Ω,此阴保站选用的恒电位仪额定输出电压为20 V,高回路电阻限制其预置电位只能调节至-0.96 VCSE,所能提供的阴保电流不能满足正常的阴极保护所需。接地电阻如此之高,分析浅埋阳极消耗殆尽或者多根阳极电缆断缆,维修难度较大,建议进行阳极地床更换。且根据前面的讨论,宜更换成深井阳极地床,深井阳极地床的设计、安装、运行与维护等技术要求应符合SY/T 0096-2013 《强制电流深阳极地床技术规范》的规定。


苏里格气田阴保站都建在天然气处理厂或者集气站内,二者内部都有诸多的埋地管道和接地系统,目前处理厂和集气站内部埋地结构物还未进行阴极保护,不存在阴极保护系统之间的干扰问题,但考虑到以下几点因素,应合理进行阳极地床的设计和选址。(1) 存在临近管道或其他埋地构筑物的屏蔽;(2) 后期站内新建区域阴极保护系统与目前线路阴极保护系统之间存在干扰;(3) 不同季节土壤条件明显变化,阳极地床接地电阻呈季节性变化;(4) 阳极的布置应使保护电流在被保护系统表面均匀分布;(5) 兼顾经济因素。同时,满足相关国家和行业标准GB/T 21448-2008 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[10]和GB/T 33378-2016 《阴极保护技术条件》的要求,使其性能、寿命、经济性最佳。


2.2 被保护管道关键要素测试


2.2.1 电连续性排查 被保护的构筑物的不同部分之间需安装导电跨接,苏3-3干线B段和苏3-3干线C段电位偏正,几乎处于无阴保状态,现场调查发现,此两段管线与苏3-3干线A段跨接线已断开,测试过程测试数据如表2所示,跨接部位如图1所示。

 

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2.2.2 绝缘性排查 将苏C干线B段、苏C干线C段与苏C干线A段进行重新跨接,对比跨接前后的电位值 (表3),发现苏C干线A段电位略有正向偏移,这是因为阴保电流被另外两条管线吸收导致,苏C干线B段和苏C干线C段电位均电位负向偏移明显,但苏C干线B段电位值在跨接前后变化不明显,可能由于分配的电流不足或电流被其他埋地金属构筑物吸收导致,苏里格区域出现过由于管道保温铝板通过与抱箍扁铁直接接触而导致站内外管道绝缘失效的案例,苏75-b号站来气和苏75-d号站来气管道绝缘法兰外部包裹着保温铝箔,且铝箔在入地端随管道一同入地,入地深度至少1 m,由于铝箔的存在使得站内外电连通的可能性很大,包裹有铝箔的管道照片如图2所示。

 

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2.3 联合保护带来的管理难题


首先由于埋地管网情况复杂,服役时间长短不一,防腐层类型及质量不同,造成阴极保护电流分布不均匀;其次由于管网串联集气站较多,管道容易发生绝缘失效、金属搭接、与油田地面设施的防雷/静电技术不匹配等问题。因此有必要对阴极保护站、管道沿线电位,管道之间的绝缘性和电连续性加强检测频率和准确性,及时发现阴极保护运行中出现的问题并进行优化。目前多采用人工检测,第三处理厂片区管线覆盖区域跨度大,沿线地理地形环境复杂多变,且一个阴保站保护多条管线、区域内含有多个阴保站等工况,给常规的人工检测和管理造成了更大的难度,浪费大量的人力、物力和财力资源,且人工测试存在如下。


(1) 数据准确性难以保证,依赖于测试人员的专业技能和专用设备,环境变化影响较大,有干扰时准确性更低。


(2) 滚动式建设导致恒电位仪为多厂家、多代产品,且不具备远程监测和控制功能,在测试断电电位和调节恒电位仪的输出时,需要现场安装断路器和适时调节。


(3) 后期管线如果受到干扰,难以准确评判阴极保护水平以及干扰带来的影响。


(4) 人工测试周期长,对存在问题无法及时发现。


(5) 线路上不同位置不能同步测试,对于故障分析排查,以及干扰规律研究及后期缓解方案制定缺乏数据支持。

 

3 优化处理与效果


3.1 划分阴保范围


 

对于集输管道联合阴极保护状况,要想准确测量管道断电电位,最好的方式是在每个阴保站上串联同步断路器,但此方法的前提是要划清阴极保护范围,换言之测试某条管道的断电电位时要弄清楚此管道受哪几个阴保站的保护。此次研究的典型区域在最初的状态并不是独立的阴保系统,后来经过现场排查发现第二处理厂保护多条管道,这些管道同时还被其他阴保站保护,同时第二处理厂阳极地床接地电阻已达到48 Ω,恒电位仪基本不能输出,综上分析,将B处理厂和C处理厂之间联络线在B处理厂处断开,此时此区域的9条管道就只受第三处理厂和苏54-1两个阴保站保护,管线以及阴保站信息如图3所示。

 

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3.2 绝缘问题整改


基于排查工作可以判断,管线保护端与非保护端绝缘失效,怀疑铝箔导致导通的可能性很大,但由于管道与铝箔的搭接点太多,无法针对搭接点进行针对性优化,因此,现场采取将绝缘法兰外侧的一圈铝箔包裹层拆除,将此处搭接断开后,C处理厂阴保站单独保护苏C干线、b号站来气管道、d号站来气管道,绝缘法兰外侧管道电位明显变负,且都能满足-850 mV准则,铝箔包裹层拆除后现场如图4所示,具体测试数据如表4所示。

 

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3.3 增加阴保站


由于C处理厂阴保站阳极采用浅埋地床敷设方式,目前回路电阻达到6.4 Ω,同时由于C处理厂保护管线较多,阴保电流需求量大,高电流输出也会缩短阴保站的使用寿命,因此建议在苏53-a站新建阴保站,前期通过馈电试验确定新建阴保站和C处理厂以及苏54-a站协同保护时输出参数的选取以及保护效果。临时阴保站阴保输出电流为1 A,C处理厂阴保站阴保输出电流为1.3 A,苏54-a阴保站阴保输出电流为0.3 A时,整个区域的管线首末端阴保电位均达标,测试结果详见表5。

 

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3.4 阴极保护智能化管理系统的应用


由于集输管道阴极保护复杂性,给常规测试带来很大的挑战,难以测试极化电位测试数据可靠性、故障诊断时效性和专业性不足等问题,因此亟需提升阴保管理的信息化、智能化水平,减少站内人工阴保数据采集及设备操作任务,从而提高测量数据的准确性。


阴极保护远程监测系统是集成了阴保检测技术、智能仪表技术、无线通信技术和计算机网络技术等多学科领域的数据监测系统。该系统主要由智能测试桩、数据传输网络和主站服务器三部分构成,系统架构如图5所示。

 

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阴极保护远程监测系统主要功能:(1) 服务器管理软件采用 B/S架构,实现数据接收、历史数据查询和监测点的远程控制等;(2) 采用GPRS无线数据通信网络,支持实时传输和批量传输;(3) 可检测管道通电电位、断电电位、交流电压,具有量程自动切换功能;(4) 可实现试片断电法的断电电位测试,电位远程监测终端自动通断;(5) 自动采集和存储数据,支持实时传输和存储后批量传输;(6) 具有可远程设置的触发阈值,超阈值后自动启动并传输数据;(7) 设备采用低功耗设计,采用专用电池供电;(8) 服务器具有数据查询和短信报警功能。


在B处理厂和C处理厂之间的联络线上选取三处安装阴极保护智能远程监测终端,通过管理软件可以查看各监测部位埋地管道的电位等数据。可以实时显示智能测试桩监测的数据,包括运行状态、通电电位、断电电位、供电电压、交流电压、断电间隔以及采集时间等信息。


针对每个监测点,软件上可以查看通电电位、断电电位值随时间的变化。电位监测结果显示:监测点电位均满足GB/T 21448-2008 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》相关要求,电位波动较明显的几处均由恒电位仪输出变化导致,电位较平稳,不存在直流杂散电流干扰。


4 结论


(1) 苏里格气田典型区块阴极保护有效率以通电电位来评价也仅为72.3%,通过现场详细测试,明确被保护管道与现有接地系统意外搭接,管线之间导电跨接线断开是导致保护电流漏失,阴保效果不佳甚至失效的主要因素,经过现场的优化处理后研究区块内管线保护率提升至100%。


(2) 集输管道阴极保护系统由于滚动式建设、联合保护导致阴极保护范围不清,进而导致无法对阴极保护极化电位进行日常检测以及密间隔电位 (CIPS) 测试,需要统筹梳理,明确阴极保护范围,并对阴极保护资料加强管理;


(3) 阴极保护智能化管理系统的成功应用,提升了阴保管理的信息化、智能化水平,减少人工阴保数据采集及设备操作任务,提高了测量数据的准确性,根本上解决集输管道阴极保护复杂性给阴极保护电位常规测试带来的难题。

 

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