吳桐宇
(中航油石化管道有限公司,北京 101318)
油氣埋地鋼制管道腐蝕防護(hù)的核心工作包括持續(xù)識(shí)別和評估各種影響管道陰極保護(hù)有效性的風(fēng)險(xiǎn)因素,不斷采取行動(dòng)將管體腐蝕控制在可接受范圍之內(nèi),以確保生產(chǎn)安全。GB/T 21448《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中提及在一般土壤和水環(huán)境下管道的最小保護(hù)電位(即管/地界面極化電位)應(yīng)為-850mVCSE[1],即應(yīng)根據(jù)極化電位的水平評價(jià)管道陰極保護(hù)效果。
獲取極化電位的方法包括試片斷電法和通/斷電位法,由于管道長距離穿越各類地質(zhì)、地貌環(huán)境,管道交叉并行,施工建設(shè)期隱患問題,外界環(huán)境干擾問題,管道自身及外界環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致陰極保護(hù)運(yùn)行可靠性降低,有效開展陰極保護(hù)的維護(hù)管理需要綜合多種方法,通/斷電位法在其中發(fā)揮著不可替代的作用。基于測試樁位置開展的同步通/斷電位測試,可以確定陰極保護(hù)站的保護(hù)半徑、管道電連續(xù)狀態(tài)、輔助陽極地床陽極場的影響范圍、管道存在直流干擾的區(qū)間、陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)的區(qū)間。即使管線受地鐵干擾,密間隔電位數(shù)據(jù)通過固定的靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀做校正處理后依然可以分析出管線陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)的區(qū)間[2,3],尤其是在兩個(gè)測試樁之間的管線。
但是,要準(zhǔn)確獲取通/斷電位數(shù)據(jù),其中的關(guān)鍵步驟需要保證恒電位儀安裝同步中斷器后能持續(xù)穩(wěn)定的工作,密間隔電位測試作為同步通斷法的典型應(yīng)用[4],大約在2000年前后從國外引進(jìn)至中國,近20年的應(yīng)用,行業(yè)逐步認(rèn)識(shí)到,國內(nèi)在恒電位儀上安裝同步中斷器與國外在整流器上安裝同步中斷器,其電源工作的穩(wěn)定性存在本質(zhì)差別。在國內(nèi)使用的陰極保護(hù)電源中,恒電位儀用量超過90%,這種現(xiàn)象正好與國外相反,例如美國、英國、德國、獨(dú)聯(lián)體等國家,在選擇陰極保護(hù)電源設(shè)備時(shí),原則上只考慮以可靠性高、穩(wěn)定性好、故障率低、結(jié)實(shí)耐用等性能特征的整流器[5]。整流器的優(yōu)勢在于實(shí)施同步中斷前后輸出電壓保持恒定不變,其穩(wěn)定的工作狀態(tài)更適合開展通/斷電位測試,而恒電位儀在中斷時(shí)存在不能快速恢復(fù)輸出、故障報(bào)警、自動(dòng)關(guān)機(jī)等問題[6,7], 嚴(yán)重影響通/斷電位測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
2020年更新的GB/T 21246《埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》與2007年版本相比,細(xì)化了斷電電位的測量方法,增加了密間隔電位測試中電流同步性的驗(yàn)證要求[8],但沒有針對國內(nèi)應(yīng)用較多型號(hào)的恒電位儀給出推薦的中斷周期參數(shù),當(dāng)恒電位儀安裝同步中斷器后其工作不穩(wěn)定時(shí),沒有給出解決方案,也沒有說明適應(yīng)通/斷電位測試要求的恒電位儀和檢測設(shè)備應(yīng)滿足的性能指標(biāo)。因此,開展同步通斷條件下恒電位儀運(yùn)行狀況對通/斷電電位測量準(zhǔn)確性的影響,對于有效開展管道通/斷電位測量,評估長輸管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)工作的有效性具有重要的指導(dǎo)意義。
在西部、西南、華北、華東、華南等地區(qū),選取國內(nèi)具有代表性的長輸油氣管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng),兼顧管道投產(chǎn)年份、敷設(shè)環(huán)境、直徑、防腐層類型及市場占有率較高的可控硅式和高頻開關(guān)式恒電位儀,累計(jì)涉及10種型號(hào)總計(jì)72臺(tái)恒電位儀,管線跨度3000公里。
在管道沿線多臺(tái)恒電位儀上加裝GPS中斷器,同步控制恒電位儀陰極保護(hù)電流的通斷[9],在恒電位儀的輸出端子和每個(gè)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)站特征點(diǎn)位置,采用Hexcorrder Pro可視化GPS同步高頻數(shù)據(jù)記錄儀[10],基于恒電位儀恒電位、恒電壓、恒電流和手動(dòng)工作模式下測試不同中斷周期和不同斷電時(shí)間恒電位儀輸出電壓和特征點(diǎn)電位的波形曲線,選擇合理的中斷周期,計(jì)算讀取通/斷電位的延遲時(shí)間[11-12],同步監(jiān)測恒電位儀的工作狀態(tài),開展恒電位儀中斷有效性測試?;跍y試數(shù)據(jù),分析同步中斷條件下恒電位儀對通/斷電位測試準(zhǔn)確性的影響:(1)選取72臺(tái)恒電位儀,結(jié)合各類陰極保護(hù)電源的工作原理,分析國內(nèi)不同類型(可控硅式和高頻開關(guān)式)、不同型號(hào)恒電位儀及國外應(yīng)用較多的整流器在同步中斷后工作的穩(wěn)定性;(2)分析不同的工況下恒電位儀的響應(yīng)時(shí)效,即不同工作模式(恒電位、恒電壓、恒電流和手動(dòng)工作模式)、中斷周期和輸出參數(shù)條件,同時(shí)兼顧不同管徑,確定中斷周期和采集通/斷電位延遲時(shí)間的選取原則,當(dāng)恒電位儀在強(qiáng)制中斷條件下不能有效工作時(shí)給出解決方案。
表1為選取的72臺(tái)恒電位儀的型號(hào)與管線分布,由表可見,72臺(tái)恒電位儀涉及兩個(gè)廠家的10種型號(hào),諸多型號(hào)按照大類分為可控硅式恒電位儀和高頻開關(guān)式恒電位儀。其中PC-1A-1,PC-1B,PS-3E,PS-3F為可控硅式恒電位儀,HDV-4D/5B,HDV-4D-5,HDV-4D-9,HPS-1D,HPS-2,IHF為高頻開關(guān)式恒電位儀。
表1 不同型號(hào)恒電位儀分布
表2為不同類型陰極保護(hù)電源工作原理和各種工作模式說明,由表可見,恒電位儀與整流器的工作原理差異為:整流器需要用手動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器的抽頭來改變輸出;恒電位儀具有自測電路,可連續(xù)監(jiān)測管地電位,并自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出電流。
表2 不同類型陰極保護(hù)電源工作原理[13-18]
恒電位儀與整流器的工作模式差異為:整流器的輸出需要手動(dòng)調(diào)整;可控硅式與高頻開關(guān)式恒電位儀其恒電位或恒電流工作模式其調(diào)節(jié)輸出的方式大體相似,都需要采樣信號(hào)與預(yù)置信號(hào)比較后自動(dòng)調(diào)整輸出,其手動(dòng)或恒電壓工作模式則需要通過現(xiàn)場測量管地電位的數(shù)值,確定恒電位儀輸出電壓的大小。
陰極保護(hù)電源的工作原理和不同的工作模式導(dǎo)致了同步中斷時(shí)其調(diào)整輸出響應(yīng)時(shí)效的不同,其結(jié)果直接影響了同步通/斷電位測量時(shí)中斷周期和延遲時(shí)間的選擇。
經(jīng)現(xiàn)場測試,圖2為同步中斷前述不同類型陰極保護(hù)電源形成的波形曲線,由圖可見,中斷不同類型陰極保護(hù)電源時(shí)形成的輸出電壓曲線分為六種形態(tài):
(1)斷電周期內(nèi),恒電位儀輸出電壓持續(xù)上升至超出額定值,恢復(fù)通電,恒電位儀短時(shí)間(≤3s)無法啟動(dòng),無輸出電壓,測量通/斷電位數(shù)值一樣,計(jì)算IR降為0,代表設(shè)備為PC-1A-1,如圖2(a)所示;
(2)斷電周期內(nèi),恒電位儀輸出電壓持續(xù)上升至超出額定值,恢復(fù)通電,輸出電壓緩慢降至原始輸出值,當(dāng)讀取通電電位的延遲時(shí)間過短,其數(shù)值偏負(fù),計(jì)算IR降變大,代表設(shè)備為HPS-2、PC-1B、HPS-1D、PS-3E,如圖2(b)所示;
(3)斷電周期內(nèi),恒電位儀輸出電壓瞬間上升,未超額定值,隨后啟動(dòng)輸出保護(hù),其輸出電壓自峰值緩降,恢復(fù)通電,恒電位儀短時(shí)間(≤3s)無法啟動(dòng),無輸出電壓,測量通/斷電位數(shù)值一樣,計(jì)算IR降為0,代表設(shè)備為HDV-4D-5、HDV-4D-5B,如圖2(c)所示;
(4)斷電周期內(nèi),恒電位儀輸出電壓持續(xù)上升至額定值后,保持額定輸出狀態(tài)一直到結(jié)束斷電運(yùn)行,恢復(fù)通電,恒電位儀啟動(dòng)緩慢(≥3s),當(dāng)讀取通電電位的延遲時(shí)間過短,測量通/斷電位數(shù)值一樣,計(jì)算IR降為0, 代表設(shè)備為IHF,如圖2(d)所示;
表2(續(xù))
(5)恒電位儀在手動(dòng)或恒壓工作模式下,斷電周期內(nèi),恒電位儀輸出電壓呈圓弧狀上升,恢復(fù)通電,輸出電壓快速恢復(fù)至原始輸出值,測試通/斷電位和實(shí)際值一致,代表設(shè)備為PS-3E、IHF,如圖2(e)所示;
(6)中斷整流器輸出,中斷和導(dǎo)通狀態(tài)下,整流器輸出電壓恒定,測試通/斷電位和實(shí)際值一致,如圖2(f)所示。
可見,恒電位儀在實(shí)施同步中斷時(shí),只有呈現(xiàn)為(2)、(5)和(6)的工作曲線,才能有效開展通斷通/斷電位檢測,這就限定了陰極保護(hù)電源的選型:PC-1A-1、HDV-4D-5、HDV-4D-5B等型號(hào)的恒電位儀并不適合開展同步中斷測試;恒電位儀需要帶有恒電壓的工作模式,在開展通/斷電位測量時(shí)將其改至恒電壓運(yùn)行,圖2(e)所示;當(dāng)現(xiàn)有恒電位儀不能有效實(shí)施同步中斷時(shí),可以用便攜式電源(如整流器)替換故障工作恒電位儀,模擬原始輸出參數(shù),開展通/斷電位測試,圖2(f)所示。
圖2 同步中斷不同類型陰極保護(hù)電源形成的波形曲線
2.2.1 不同工作模式下恒電位儀響應(yīng)時(shí)效分析
相同的中斷周期下(斷電1s,通電3s),測試不同型號(hào)恒電位儀在恒電位模式、恒電流模式、恒壓(手動(dòng))模式及外部安裝模擬負(fù)載模式的輸出電壓波形,并比較分析恒電位儀在自帶通斷模式下(斷電3s,通電12s)的輸出電壓波形,圖3為不同型號(hào)恒電位儀在不同工作模式和輸出參數(shù)下實(shí)施同步中斷形成的波形曲線,結(jié)果表明:
(1)由圖3(a)、圖3(c)可見,斷電周期內(nèi),恒電位儀輸出電壓上升速度的排序?yàn)椋汉汶娏髂J剑竞汶娢荒J剑竞銐海ㄊ謩?dòng))模式,恢復(fù)通電,恒電位儀輸出電壓恢復(fù)輸出的速度的排序?yàn)椋汉銐海ㄊ謩?dòng))模式>恒電位模式>恒電流模式,可以看出,恒壓(手動(dòng))模式最有利于實(shí)施中斷;
(2)當(dāng)恒電位儀功能上不具備恒電壓(手動(dòng))工作模式,僅比較恒電位、恒電流工作模式下恒電位中斷時(shí)的響應(yīng)時(shí)效問題:圖3(a)所示,斷電周期內(nèi),恒電位模式相比恒電流模式,恒電位儀輸出電壓限值更小,恒電流工作模式為55V,恒電位工作模式為45V,雖然恒電位儀在恒電位模式和恒電流模式都達(dá)到輸出極限,但恒電位工作模式下恒電位儀通電后啟動(dòng)需要更長的時(shí)間,此時(shí)優(yōu)先選擇恒電流工作模式實(shí)施中斷。另比較圖3(a)、4(b)、4(d)3臺(tái)恒電位儀的原始輸出電壓,分別為11.5V、7.3V和0.7V,原始輸出電壓越大,中斷后,輸出電壓上升至極限值持續(xù)的時(shí)間更短,此時(shí)優(yōu)先選擇斷電時(shí)不會(huì)致電壓升達(dá)到極限值的工作模式來開展中斷測試,即參考圖3(b)、圖3(d)的工況選擇恒電位工作模式??梢?,恒電位儀的原始輸出電壓越大,恒電位儀瞬間斷電發(fā)生輸出電壓超限的可能性就越大,此時(shí),實(shí)施中斷測試選擇恒電位儀的工作模式時(shí)需要綜合和考慮恒電位的原始輸出參數(shù);
圖3 恒電位儀在不同工作模式下實(shí)施同步中斷形成的波形曲線
(3)圖3(e)為恒電位實(shí)施中斷不能有效工作時(shí),在外部加裝模擬負(fù)載[19]的測試曲線。由圖可見,外部加裝模擬負(fù)載后,反饋電位的信號(hào)和回路電阻同步切換至外部模擬負(fù)載上,斷電周期內(nèi)恒電位儀輸出電壓正常,恢復(fù)通電,外部負(fù)載斷開,恒電位儀可以快速的恢復(fù)至原始輸出;
(4)圖3(f)為恒電位儀在自帶通斷模式(斷電3s,通電12s)測試輸出電壓的波形,可見,自帶通斷模式下恒電位儀輸出電壓的波形與外部安裝中斷器時(shí)形成的波形形態(tài)一致,但由于其斷電時(shí)間為3s,更長的斷電時(shí)間導(dǎo)致恒電位儀恢復(fù)通電后不容易啟動(dòng),恢復(fù)正常輸出的時(shí)間大于12s,這種狀態(tài)下,則不能用恒電位儀自帶通斷模式開展通/斷電位測試。
綜上,為恒電位儀選擇最優(yōu)的工作模式實(shí)施中斷,有助于通/斷電位測試的順利開展。具體選擇方法為:臨時(shí)將恒電位儀轉(zhuǎn)至恒壓工作模式,模擬原始輸出電流參數(shù),開展通/斷電位測試;當(dāng)恒電位儀不具備恒電壓功能需采用恒電位或恒電流工作模式進(jìn)行中斷時(shí),應(yīng)采用較短的斷時(shí)間(≤1s),使恒電位儀輸出電壓在中斷時(shí)不發(fā)生超限問題,采用較長的通時(shí)間(≥3s),使恒電位儀能有效恢復(fù)至原始輸出狀態(tài),保證通/斷電位測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;利用GPS同步高頻測試的恒電位儀輸出電壓波形數(shù)據(jù)指導(dǎo)開發(fā)“外部模擬負(fù)載”,通過安裝模擬負(fù)載使恒電位儀在中斷前后輸出電壓基本一致,保證中斷狀態(tài)下恒電位儀能夠持續(xù)穩(wěn)定工作。
2.2.2 不同中斷周期下恒電位儀響應(yīng)時(shí)效分析
分別在斷電300ms/通電700ms、斷電1s/通電3s、斷電3s/通電12s三種周期下測試恒電位儀輸出電壓波形,如圖4(a)和圖4(b)顯示,斷電周期下它們的電壓升分別為28V、44V和48V,即斷電時(shí)間越短,恒電位儀在斷電時(shí)輸出電壓就越不容易超限,這樣恒電位儀再啟動(dòng)恢復(fù)至原始輸出花費(fèi)的時(shí)間就更短,因此,用較短的斷電時(shí)間和相對長的通電時(shí)間更有利于開展通/斷電位測試。
圖4 不同的中斷周期對恒電位儀實(shí)施同步中斷形成的波形曲線
但是,通斷周期還需要考慮管道直徑、防腐層質(zhì)量、管道敷設(shè)環(huán)境及沿線恒電位儀的輸出參數(shù)等因素,如圖5(a)所示,在同一條管線600km跨度內(nèi)測試9處管地電位的波形,斷電電壓尖峰最長時(shí)間為500ms,最短時(shí)間為200ms,通電的電壓尖峰則受管道沿線各恒電位儀的工作狀態(tài)影響,圖5(b)顯示,至少需要通電2.8s后,工況最差的恒電位儀才能恢復(fù)原始輸出。對于不同的管徑,圖6(a),?1219管徑的斷電電位尖峰時(shí)間達(dá)到400ms,圖6(b),?610管徑的斷電電位尖峰時(shí)間則只有200ms,即大管徑管道斷電周期內(nèi)形成的電壓尖峰持續(xù)時(shí)間更長。
圖5 同一條管線多臺(tái)恒電位儀輸出電壓和不同位置管地電位的波形曲線
圖6 不同管徑下管地電位的波形曲線
由上可見,恒電位儀在恒電位或恒電流工作模式下,中斷周期的選擇應(yīng)保證:斷電時(shí)間選取應(yīng)盡量短,通電時(shí)間選取要根據(jù)恒電位儀強(qiáng)制中斷后啟動(dòng)至恢復(fù)正常輸出的時(shí)間而定;需要兼顧(避讓)斷電形成的電壓尖峰持續(xù)時(shí)間和恒電位儀再啟動(dòng)恢復(fù)至正常輸出需要的時(shí)間;對于檢測距離較長的管線,讀取通/斷電位延遲的時(shí)間需要以管道沿線電壓尖峰持續(xù)時(shí)間最久位置點(diǎn)為基準(zhǔn)[20]。檢測設(shè)備應(yīng)滿足:中斷器應(yīng)能夠靈活設(shè)置中斷周期和通/斷電時(shí)間;采集電位的數(shù)據(jù)記錄儀可以分別設(shè)置讀取通/斷電位的延遲時(shí)間等。
圖7(a)記錄了3個(gè)周期的波形數(shù)據(jù),可以看出恒電位儀每間隔1個(gè)周期啟動(dòng)一次,按照這樣的狀態(tài)開展通/斷電位測試,利用數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后形成的曲線如圖7(c),而圖7(b)記錄了15個(gè)周期的恒電位儀輸出電壓波形,僅有4個(gè)周期內(nèi),恒電位儀做過啟動(dòng)動(dòng)作。這說明恒電位儀在中斷過程中可能發(fā)生間歇性工作,可見,僅采集一個(gè)周期的波形用來分析/識(shí)別中斷后恒電位儀能否穩(wěn)定工作是不夠的。
圖7(d)為采用GPS同步數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)長時(shí)間監(jiān)測恒電位儀輸出參數(shù),形成恒電儀輸出電流/通電點(diǎn)電位曲線圖,持續(xù)穩(wěn)定的輸出電流/通電點(diǎn)電位曲線說明了恒電位儀中斷過程中能夠穩(wěn)定工作??梢?,這種方法適用于追蹤恒電位的工作狀態(tài),有助于尋找現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)異常或無法合理解釋的原因。
圖7 通/斷電位測試條件下判別恒電位儀工作穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)曲線
總結(jié)不同類型陰極保護(hù)電源在不同的工作模式、輸出參數(shù)、周期、管徑、管道敷設(shè)環(huán)境等因素下測試的各種波形曲線,確定選取中斷周期和采集通/斷電位延遲時(shí)間的基本原則。
2.4.1 同步通斷條件下中斷周期設(shè)置原則
(1)在恒壓或手動(dòng)的工作模式下,恒電位儀不存在強(qiáng)制中斷后響應(yīng)延時(shí)問題,對于中斷周期的選擇較靈活;
(2)恒電位儀在恒電位或恒電流工作模式下,斷電時(shí)間選取應(yīng)盡量短,控制在300ms~1s之間,斷電的最短時(shí)間應(yīng)比瞬間斷電形成電壓尖峰的時(shí)間大100ms,通電時(shí)間選取要根據(jù)恒電位儀強(qiáng)制中斷后啟動(dòng)至恢復(fù)正常輸出的時(shí)間而定,通電后恒電位儀如果長時(shí)間(≥3s)不能啟動(dòng)時(shí),應(yīng)開展測試(改變現(xiàn)有恒電位儀的工作模式、安裝外部模擬負(fù)載、應(yīng)用便攜整流器替換現(xiàn)有恒電位儀)選擇合理的緩解方案;
(3)中斷周期的調(diào)整原則:以管道系統(tǒng)內(nèi)工況最差的恒電位儀所選中斷周期為基準(zhǔn),確定檢測區(qū)間管線其它恒電位儀的中斷參數(shù)。
2.4.2 同步通斷條件下計(jì)算讀取通/斷電位的延遲時(shí)間
(1)準(zhǔn)確讀取通/斷電位需要確定兩個(gè)延遲時(shí)間,應(yīng)以管道沿線電壓尖峰持續(xù)時(shí)間最久位置點(diǎn)為基準(zhǔn),分別設(shè)置瞬間斷電延遲時(shí)間和恒電位儀恢復(fù)輸出的延遲時(shí)間;
(2)測試斷電電位延遲時(shí)間的選擇要考慮瞬間斷時(shí)形成的電壓尖峰,電壓尖峰的大小與管徑、防腐層質(zhì)量、管道敷設(shè)環(huán)境及恒電位儀輸出電流大小有關(guān),延遲時(shí)間要根據(jù)管地電位的波形計(jì)算確定,直徑小于700mm的管道推薦的斷電時(shí)間為300ms,延遲時(shí)間為200ms,直徑大于700mm的管道推薦的斷電時(shí)間為1s,延遲時(shí)間為800ms;
(3)測試通電電位的延遲時(shí)間需要考慮恒電位儀的型號(hào)及輸出參數(shù),根據(jù)恒電位儀輸出電壓的波形,計(jì)算其恢復(fù)正常輸出所需的時(shí)間,其延遲時(shí)間應(yīng)大于恒電位恢復(fù)輸出所需要的時(shí)間。
陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)采集為管道外腐蝕完整性管理提供數(shù)據(jù)支撐,是業(yè)主制定維修和維護(hù)方案的基礎(chǔ),同步中斷條件下分析恒電位儀運(yùn)行狀況對通/斷電位測量的適用性,通過改變恒電位儀的工作模式、調(diào)整中斷周期和采集通斷電位數(shù)據(jù)的延長時(shí)間、優(yōu)化恒電位儀及檢測設(shè)備選型、安裝外部模擬負(fù)載等方式改善恒電位儀中斷過程中的響應(yīng)時(shí)效問題,為順利開展通/斷電位測試奠定基礎(chǔ),準(zhǔn)確獲取陰極保護(hù)評價(jià)數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)分析管道陰極保護(hù)系統(tǒng)存在的各類問題并開展治理,以促進(jìn)管道外腐蝕管理的完整性,降低管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn),保證管道運(yùn)行安全。