油气管道防雷接地对阴极保护系统的影响与对策

概要：

针对西气东输工程干线中具有3PE 外防腐层的X80 钢油气管道，首先沿着管道每隔500 m 采用相应的防雷接地措施，将雷电流导入大地，既可达到防雷目的，又可避免管道防腐层被大面积破坏。其次每隔一段间距对管道进行等电位跨接，既可保证管道之间保持稳定的等电位，又可防止管道直接产生二次放电损坏管道防腐层。最后合理选择防雷接地极材料与辅助阳极或牺牲阳极材料。采取防雷接地极通过隔离器与管道相连、辅助阳极与防雷接地极分开埋设的措施，可消除防雷接地对油气管道阴极保护系统的影响。

1 油气管道的阴极保护

1.1 阴极保护基本原理

由于金属表面中存在的电解质溶液会形成无数的腐蚀原电池，这种腐蚀电池即为双电极原电池系统。腐蚀原电池中的阳极发生阳极反应，产生电子向阴极输送，同时阳离子融于电解质溶液中。原电池的阴极发生阴极反应，得到阳极反应所带来的电子，根据电解质溶液的不同，在阴极析氢或产生金属阳离子沉淀。因此，如果能够将一个外加电流附到金属表面上，使金属完全处于阴极状态，就可以抑制阳极反应，从根本上阻止金属被腐蚀。

1.2 阴极保护的种类

通过上述分析可知，阴极保护的基本原理就是给金属输送大量的电子，使其处于阴极状态，遏制腐蚀的发生。目前阴极保护有牺牲阳极保护法和外加电流法。

牺牲阳极保护法是将一种金属材料与被保护金属连接，由于该金属材料与被保护金属相比有更负的电极电位，其在土壤电解液中自身会不断受到腐蚀，同时向被保护金属输送电子，通过牺牲该金属而达到保护目标金属的目的。外加电流法是通过外加电源设备对被保护金属施加保护电流，以提供足够多的电子，使被保护金属处于阴极状态，从而达到防腐蚀的效果。牺牲阳极保护法简单易行，不需要外部电源，保护电流利用率高，不会产生过保护，随管道一起施工安装，工作量小，且在运行过程中，维护工作相对简单；但是由于驱动电位低，可控性小，导致保护范围小，且阳极寿命有限，需人工定期更换。外加电流法的外部电源驱动电压高、输出电流大，可用于长输管线和区域性管网的保护，保护范围广、面积大；但保护过程依靠外部电源，需要定期缴纳费用，且应配有专业人员进行维护监管。

2 油气管道的防雷设计

油气管道的防雷设计应严格遵守《输气管道工程设计规范（GB50251） 》和《建筑物防雷设计规范（GB50057）》。一般可通过电屏蔽、接地网、管道等电位跨接来减轻雷电对管道的影响。沿着油气管道每间隔500 m 采用相应的防雷接地措施，可以迅速将雷电流导入大地，避免出现管道防腐层被大面积破坏的危险。每隔一段间距对管道进行等电位跨接可以保证管道之间保持稳定的等电位，防止管道直接产生二次放电以损坏防腐层。以西气东输工程干线中具有3PE 外防腐层的X80 钢油气管道为例探讨油气管道的防雷设计，该管道沿线设有阀室、清管站、分输站、压气站、起始站、末站以及管道控制中心站等。

2.1 阀室的管道防雷设计

阀室一般为不超过5 m 高的平房，根据阀室的通风情况可将其分为爆炸性气体环境1、2 区， 可在阀室墙上铺设避雷带来作为防雷措施。根据《建筑物防雷设计规范（GB50057）》， 对于第一类防雷建筑，避雷带的网格一般不大于5 m×5 m 、6 m×4 m，对于第二类防雷建筑物避雷带的网格一般不大于10 m× 10 m 、12 m× 8 m。避雷带的引下线则与阀室周围的接地网直接连接，根据规范得知引下线的间距不得大于12m （对于第二类防雷建筑物该数值则为18 m）。通过阀室的油气管道可根据规范的要求，就近与建筑物的防雷接地设施连接。这样可以使管道与阀室的各器件达到等电位，防止雷电灾害时管道产生很强的瞬间过电压，造成管道自身防腐层的破坏，出现管道与阀室内电子设备器件等的放电现象，造成阀室内仪器设备损害甚至导致火灾或爆炸。

2.2 埋设管道的防雷设计

雷电对油气管道的危害可以分为雷电直击管道、雷电击中管道附近物体和雷电击中大地。

（1） 雷电直击管道时的防雷设计。当油气管道所埋设地点的土壤电阻率达到周围土壤电阻率的最小值时，雷电会寻求一个电阻最小区来向大地释放电流。这将造成雷电直接击中油气管道，进而损害油气管道的保护层，使管道裸露后因土壤腐蚀而造成穿孔，导致油气泄漏，甚至雷电直接击穿油气管道，引发安全事故。

沿着油气管道每隔500 m 对管道采取相应的防雷接地措施，可以迅速将雷电流导入大地，避免管道防腐层被大面积破坏。同时为了防止雷电流沿着油气管道的两侧传输，还应在管道的不同部位采用等电位连接措施，以保证管道的不同部位电位相等，避免二次击穿。

（2）雷电击中管道附近物体或大地时的防雷设计。雷电击中管道附近的建筑物、高塔或高压架空线时，雷击点的电位瞬间上升，并通过高塔的接地装置将雷电流导入大地，引起油气管道周围的土壤电位产生急剧变化，导致土壤与油气管道之间的电位差升高，当达到一定的值时会击穿土壤，产生放电现象。这个过程中，电流的热效应会损坏油气管道的保护层，同时放电电流将通过油气管道由放电点向两侧传输，造成沿线管道与土壤之间又产生电位差，导致土壤击穿的再一次发生，使沿线管道产生程度不同的防腐层损坏，甚致造成油气泄漏。与雷电直击管道时防雷设计方法相同，沿着油气管道每隔500 m 对管道采取相应的防雷接地措施，可以迅速将雷电流导入大地，避免管道防腐层被大面积破坏。另外，针对这一情况，应对油气管道进行电屏蔽保护。

 

          图1 油气管道屏蔽线示意图

考虑埋设在土壤中的油气管道都设置有相应的阴极保护设施，本设计采用去耦合器进行屏蔽线与油气管道的连接，解决了外加电流阴极保护系统的保护电流会通过屏蔽线迅速泄流到大地，从而导致管道的阴极保护功能失效的难题，保障了管道的安全运行。去耦合器的导通工作电压一般可设置为阴极保护系统工作的最大电压。

3 防雷接地对阴极保护的影响

在石化行业中，为了防止雷电对油气管道的危害，将雷电电流迅速导入到大地中，一般在油气管道上都会设置相应的防雷接地设施。对于埋设在土壤中的油气管道，由于土壤是一个复杂的电解质系统，金属管道在其中会受到腐蚀，因此需要相应的阴极保护措施。本文中对油气管道采用了外加电流保护法来进行阴极保护，这种方法是通过外加电源设备对被保护金属施加保护电流，以提供足够多的电子，使被保护金属处于阴极状态，从而达到防腐蚀的目的。然而在实际生产中，如果防雷接地安装不当，则会导致阴极保护系统的保护电流通过防雷接地直接泄流到大地，造成油气管道上的保护电流微乎其微，几乎发挥不了保护作用，导致管道受到土壤的腐蚀，甚至穿孔，产生极大的安全隐患。另外，如果牺牲阳极法中采用的阳极或外加电流保护法中的辅助阳极与防雷接地所采用的接地极选材不当，导致两者之间形成原电池，对安全接地造成腐蚀，同样会产生安全隐患。所以，如何处理好防雷接地与阴极保护系统之间的关系，如何使两者成为一个和谐共存的整体显得十分重要。

4 解决方案及对策

（1）防雷接地通过隔离器与管道相连。在防雷接地的安装过程中，为了避免防雷接地极对阴极保护系统产生影响，可将防雷接地极通过防雷接地电池与管道相连。防雷接地电池平时处于开路状态，不影响油气管道的阴极保护系统，当油气管道遭到雷击时，接地电池导通，将管道上的过电压迅速导入到大地中，使管道得到保护。另外在管道与防雷接地极之间串联电火花间隙，当发生雷电电涌时，电火花间隙被击穿，电涌通过防雷接地体泄流大地。平时电火花间隙起着隔离器的作用，隔绝了接地体对阴极保护系统的影响。

（2）辅助阳极和防雷接地分开埋设，在各自埋设区域埋充低电阻率的降阻材料，并确保电子系统和其他系统之间没有直接电联接。

（3）选择腐蚀电位相近的防雷接地极材料、辅助阳极或牺牲阳极材料，这样可以保证两者之间的电位相近，电位差较小，以减轻原电池造成的腐蚀影响。