摘　要：隨著燃?xì)夤芫W(wǎng)的不斷發(fā)展與建設(shè)，閥門的使用量也隨之增多。閥門在安裝和使用時(shí)往往需要進(jìn)行接地，本文從手動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門的接地問(wèn)題出發(fā)，分析閥門接地對(duì)管網(wǎng)陰極保護(hù)的影響，同時(shí)根據(jù)不同情況，提出了解決接地影響的方法。希望本文能為科學(xué)研究和生產(chǎn)建設(shè)提供一定的參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：閥門　電動(dòng)閥門　接地　陰極保護(hù)　管道

Valve Grounded Problem Affecting to the Cathodic Protection

Abstract：With the continuous development and construction of the gas pipeline network，the amount of using valves also increases．Installation of valves often requires grounded．With the manual valves and electric valves grounded problems，this article will analyze the effects of grounded valve to the cathodic protection of pipelines and give solutions of the grounded methods under different circumstances．Hoping this article can provide sonic reference and basis to scientific research，production and construction．

Keywords：Valve Electric Valve Grounded Cathodic Protection Pipeline

1　引言

隨著燃?xì)夤芫W(wǎng)的不斷發(fā)展與建設(shè)，管網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，閥門的使用量也隨之增多^[1]。由于燃?xì)馐且环N易燃、易爆的介質(zhì)，燃?xì)庑袠I(yè)存在高危險(xiǎn)性。在燃?xì)廨斔瓦^(guò)程中，必須保證管網(wǎng)防靜電、防雷電、陰極保護(hù)等相關(guān)保護(hù)設(shè)施的正常運(yùn)行，以保證燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)的安全。

為了保證燃?xì)忾y門的密封性，在管網(wǎng)建設(shè)中普遍采用的是軟密封球閥。按照開關(guān)操作方式將球閥分類，可以分為手動(dòng)球閥和電動(dòng)球閥。囚傳統(tǒng)的手動(dòng)球閥具有對(duì)外界環(huán)境條件要求較小、開關(guān)限位能得有效保證等方面的優(yōu)點(diǎn)，在管網(wǎng)建設(shè)中使用量最大。但隨著電工電子技術(shù)的發(fā)展和遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，電動(dòng)閥門的安裝使用也不斷增多。無(wú)論是手動(dòng)閥門和電動(dòng)閥門，出于安全的目的往往都需要進(jìn)行接地^[2]，常見的接地方式主要有直接接地、惰性材料接地、鋅包鋼接地等。但是，閥門接地會(huì)給管網(wǎng)的陰極保護(hù)帶來(lái)很大的影響，特別是采用外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)。一旦陰極保護(hù)失效，埋地鋼質(zhì)管道發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)增大，甚至?xí)斐晒艿谰植扛g、腐蝕穿孔、腐蝕開裂等現(xiàn)象，直接影響著燃?xì)獍踩a(chǎn)與運(yùn)行。本文將從閥門不同的接地方式同時(shí)結(jié)合閥門的操作類型，對(duì)接地問(wèn)題中給陰極保護(hù)帶來(lái)的影響進(jìn)行分析，提出解決的方法。

2　接地對(duì)陰極保護(hù)的影響

陰極保護(hù)系統(tǒng)電路路徑的構(gòu)成包括：土壤、管道、導(dǎo)線^[2]。對(duì)于直流電路來(lái)說(shuō)，根據(jù)歐姆定律可以知道，電路中的電流在流動(dòng)過(guò)程中，電流會(huì)始終傾向于在電阻較小的路徑流動(dòng)。當(dāng)管道的防腐層面電阻率變化不大、防腐層沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的破損點(diǎn)和接地的情況時(shí)，管道表面陰極保護(hù)電流的分布是相對(duì)較為均勻的，如圖1所示。

但是由于接地原因直接與大地形成電通路(短路)時(shí)，接地短路點(diǎn)位置上的電阻是極小的。在這種情況下，陰極保護(hù)電流在流動(dòng)時(shí)會(huì)優(yōu)先選擇電阻較小的接地點(diǎn)位置，會(huì)在接地點(diǎn)的位置形成陰極保護(hù)電流的集中流入^[3](根據(jù)陽(yáng)極的位置情況、雜散電流的分布情況，也可能會(huì)出現(xiàn)電流集中流出的現(xiàn)象，電流流出的位置會(huì)受到強(qiáng)烈的腐蝕)，接地點(diǎn)附近的其他位置將得不到足夠的陰極保護(hù)電流而處于欠保護(hù)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象也叫做陰極保護(hù)的短路屏蔽效應(yīng)，如圖2所示。處于欠保護(hù)位置的管道，在水、土壤等環(huán)境的作用下發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使管道壁厚減薄，管道處于腐蝕失效的風(fēng)險(xiǎn)之中。

從防腐層破損點(diǎn)的角度上看，接地點(diǎn)的位置相當(dāng)于一個(gè)較大的破損點(diǎn)。對(duì)于正常的帶有防腐層的管道，一般在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，認(rèn)為防腐層破損點(diǎn)的面積只占防腐層總面積的1％-10％左右，而在出現(xiàn)接地點(diǎn)后，特別是由于接地極或接地網(wǎng)引起的接地短路(接地電阻在幾個(gè)歐姆或者零點(diǎn)幾個(gè)歐姆)，在陰極保護(hù)的電流需求計(jì)算時(shí)，折合成破損點(diǎn)的面積時(shí)甚至可能會(huì)占到總面積的50％以上，在這種情況下可能會(huì)使接地點(diǎn)附近幾公里的管線得不到有效保護(hù)。

另外，在管道有接地發(fā)生時(shí)，會(huì)使陰極保護(hù)所需要的電流增大，增加了陽(yáng)極消耗速率，降低了陽(yáng)極壽命。對(duì)于外加電流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸出電流的增大，造成了不必要的電力浪費(fèi)。所以接地問(wèn)題應(yīng)該在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)中引起關(guān)注。

3　閥門的接地方式

在輸送易燃、易爆氣體時(shí)，應(yīng)該對(duì)管道進(jìn)行防靜電處理使靜電不會(huì)形成積累過(guò)程，常用的方法是將管道、閥門、法蘭等關(guān)鍵位置進(jìn)行接地。對(duì)于場(chǎng)站、野外的露空閥門還要采取防雷擊處理措施，將露空閥門接地能夠有效地防止雷擊帶來(lái)的大電流放電、擊穿損壞等。閥門接地還能降低或避免人員在開關(guān)操作時(shí)觸電的危險(xiǎn)。

3．1　閥門直接接地

閥門直接接地常見于閘井中，對(duì)于大口徑的閥門，為了有效的避免懸空帶來(lái)的自重下墜的趨勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)，往往將閥門下方砌筑平臺(tái)。如果平臺(tái)是磚砌、砂石、混凝土結(jié)構(gòu)，閘井內(nèi)的環(huán)境一般都陰暗潮濕，這些平臺(tái)會(huì)在水的作用下，變得濕潤(rùn)、導(dǎo)電，接地電阻變小。如果閥門的外防腐或者防銹漆脫落、破損時(shí)，會(huì)與平臺(tái)、大地形成電通路。在沒有絕緣隔離措施或者線路跨接的情況下，陰極保護(hù)電流會(huì)通過(guò)土壤、平臺(tái)、閥門構(gòu)成的短路點(diǎn)位置集中地流入，會(huì)引起管道的其他位置陰極保護(hù)電流不足，管道處于欠保護(hù)的狀態(tài)。

對(duì)于直流電動(dòng)閥門來(lái)說(shuō)，存在直流負(fù)極共享閥門金屬外表面電流通道的問(wèn)題。從遠(yuǎn)地點(diǎn)來(lái)說(shuō)，負(fù)極與變壓器是相互連接的，而變壓器又是與市電電網(wǎng)相互連接，在電通路上，等同于閥門外表面、直流的負(fù)極、遠(yuǎn)端大地是相互連接的。所以，在這種情況下，陰極保護(hù)電流也會(huì)通過(guò)閥門流入流出大地。為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該將電機(jī)部分、直流電路部分、閥門殼體采取一定的絕緣措施，避免負(fù)極與閥門殼體的共享導(dǎo)致的陰極保護(hù)電流回路在遠(yuǎn)端大地短路的情況。

使用交流電動(dòng)閥門時(shí)，為了防止人員操作時(shí)帶來(lái)的觸電風(fēng)險(xiǎn)，閥門殼體的面表面一般采取接地措施。這種接地方式，等同于將閥門直接接地，造成管道接地的短路。另外，交流電在連接時(shí)，中性線也可能會(huì)造成遠(yuǎn)端大地連接的情況。為了有效地避免直接接地的發(fā)生，可以將電動(dòng)頭與閥門進(jìn)行絕緣處理，如圖3所示。在接地線上串聯(lián)電容的方法，可以起到隔離陰極保護(hù)電流的作用，但是遇到大電流或者雷電電擊時(shí)，串聯(lián)的電容很容易燒毀。

3．2采用接地極方式進(jìn)行接地

根據(jù)GB／T 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)防靜電和防雷電的要求，對(duì)于露空的閥門、閘井中的閥門應(yīng)該進(jìn)行接地處理。在接地時(shí)，為了有效地降低與土壤的接觸電阻和接地材料的自身腐蝕，往往會(huì)使用銅包鋼或者銅網(wǎng)等惰性材料接地方式，如圖4所示。

在金屬活動(dòng)順序表中，Fe要比Cu活潑，在相同的環(huán)境中，Fe的電位要比Cu負(fù)。當(dāng)異種金屬相接觸，處于相互連通的電解質(zhì)中時(shí)，由于不同金屬之間存在實(shí)際電位差而使電位較低的金屬腐蝕速度比原來(lái)增大，電位較高的金屬的腐蝕速度減小，這種現(xiàn)象稱為電偶腐蝕^[4]，見圖5所示。當(dāng)鋼與銅相互接觸時(shí)，鋼的腐蝕速率比其單獨(dú)存在時(shí)加大。在閥門位置，利用銅包鋼或者銅網(wǎng)進(jìn)行接地時(shí)，由于電偶腐蝕的作用，會(huì)加速閥門的腐蝕。同時(shí)由于銅的良好導(dǎo)電性和自腐蝕較低的特性，利用銅材質(zhì)進(jìn)行接地時(shí)，接觸電阻要比閥門直接接地更低，在這種情況下，陰極保護(hù)電流集中流入流出的現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。

4　閥門接地問(wèn)題的解決方法

為了解決閥門接地所帶來(lái)的對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響，最終目的是要防止陰極保護(hù)電流從接地位置集中地流入或者流出，同時(shí)還要有效的防止靜電的積累和雷擊的危害，解決方法的基本思路就是隔直通交(阻止直流通過(guò)，降低交流阻抗)。

(1)盡量較少惰性材料(如Cu)接地極的使用，而采取活性材料接地的方式，這樣能降低電偶腐蝕對(duì)閥門的危害。常用的材料包括：鋅包鋼、鋅帶等。另一方面，金屬鋅可以作為犧牲陽(yáng)極使用，為閥門提供陰極保護(hù)的同時(shí)，電回路中還降低了閥門在陰極保護(hù)電場(chǎng)的電勢(shì)。閥門電勢(shì)的降低，減少了閥門與陽(yáng)極之間的電勢(shì)差，使在接地位置的陰極保護(hù)電流不會(huì)出現(xiàn)過(guò)于集中的現(xiàn)象。

但由于接地極與管道直接連通，不但增加了管道從接地極接受雜散電流的危險(xiǎn)，而且在管道進(jìn)行瞬間斷電測(cè)量，評(píng)價(jià)陰極保護(hù)有效性時(shí)難以實(shí)施。另外，嵌位式排流方法也能起到隔直通交的作用^[5]，但其明顯的不足是耐雷電流或故障電流的強(qiáng)電沖擊性能較差，存在大電流毀壞設(shè)備的可能，管理維護(hù)繁瑣、費(fèi)用高，不推薦使用該方法。

(2)同態(tài)去耦合器加接地極的方式是國(guó)外應(yīng)用較普遍的方式，也是NACE SP0177—2007標(biāo)準(zhǔn)和加拿大管道腐蝕研究會(huì)的專題研究報(bào)告PR-262-9913《交流接地對(duì)陰極保護(hù)的影響報(bào)告》中推薦的方式。由于其低閾值電壓(-2V／+2V)和雷電沖擊漏泄電流量大(100kA)的特點(diǎn)，具有降低感應(yīng)電壓效果好、維護(hù)方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能防止雜散電流在管道上匯集后對(duì)人體的危害。作為直流隔離和交流耦合裝置，當(dāng)遇到交流故障電流或雷電電流時(shí)同態(tài)去耦合器會(huì)切換到短路模式，以提供過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)過(guò)電壓過(guò)去之后，又自動(dòng)切換回到直流隔離模式^[6]。

如果使用的是經(jīng)過(guò)Fail-Safe認(rèn)證的固態(tài)去耦合器，當(dāng)遇到自身故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)變?yōu)槎搪纺Ｊ剑瑑?yōu)先保證防止靜電和雷擊的危險(xiǎn)。當(dāng)固態(tài)去耦合器出現(xiàn)自身故障時(shí)，巡檢人員能夠通過(guò)測(cè)試樁的電位變化或者恒電位儀的輸出電流的變化來(lái)判斷固態(tài)去耦合器是否正常工作。特別是具有陰極保護(hù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的企業(yè)，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)固態(tài)去耦合器的工作狀態(tài)。而直接接地法和活性材料接地法這兩種方式在出現(xiàn)問(wèn)題或者故障時(shí)，往往不能及時(shí)地做出判斷，使管道處于欠保護(hù)、靜電、雷擊等風(fēng)險(xiǎn)之中，雖然安裝成本較低，但是卻為陰極保護(hù)的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了很大的閑難。

(3)對(duì)于電動(dòng)閥門，應(yīng)該對(duì)電動(dòng)部分與閥體部分進(jìn)行絕緣隔離，還需要保證直流電動(dòng)閥門的負(fù)極線與閥體之間的絕緣，交流閥門的中性線、零線與閥體之間的絕緣。在絕緣性檢測(cè)時(shí)可以使用國(guó)外某公司的CE-IT絕緣測(cè)試儀，該儀器是一款能夠全自動(dòng)、高靈敏度的檢測(cè)絕緣性的電子儀器，通常要比直接測(cè)試絕緣電阻更加可靠。在使用CE-IT檢測(cè)絕緣性過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量結(jié)果為“short”時(shí)，表示所測(cè)兩端的電壓降在10mV或者更小，此時(shí)絕緣不合格，會(huì)出現(xiàn)陰極保護(hù)電流在短路點(diǎn)集中的問(wèn)題；當(dāng)測(cè)試結(jié)果為“900d”時(shí)，表示所測(cè)兩端的對(duì)地電位極性相反或者電壓降在大于10mV，同時(shí)泄露電流小于25％，絕緣合格；如果顯示“Open”可能會(huì)需要進(jìn)行更進(jìn)一步的測(cè)量。

5　結(jié)論

對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)特別是采用外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)，閥門接地的接地問(wèn)題給陰極保護(hù)帶來(lái)的影響是很大的，特別是接地電阻非常小時(shí)，可能會(huì)造成閥門周同幾公里的管線得不到有效的陰極保護(hù)；如果接地點(diǎn)的位置距離很近，會(huì)出現(xiàn)臨近接地點(diǎn)位置的管段的陰極保護(hù)電位過(guò)負(fù)，而遠(yuǎn)端管段欠保護(hù)的情況，所以閥門的接地問(wèn)題應(yīng)該引起重視。

在閥門使用接地極的接地方式時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用活性材料作為接地極，減少使用惰性材料所引起的電偶腐蝕。利用同態(tài)去耦合器加接地極的方式是能夠非常有效地起到直流隔離和交流耦合的作用。同時(shí)還能夠避免大電流所帶來(lái)的對(duì)管道和閥門的危害，保護(hù)自身的正常工作。

對(duì)于電動(dòng)閥門來(lái)說(shuō)，應(yīng)該使電動(dòng)頭與閥體相互絕緣，還需要保證直流驅(qū)動(dòng)閥門的負(fù)極線，交流驅(qū)動(dòng)閥門的中性線、零線進(jìn)行絕緣保護(hù)。另外，還應(yīng)該對(duì)電動(dòng)閥門的絕緣性進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試時(shí)不能直接簡(jiǎn)單地進(jìn)行絕緣電阻值的測(cè)試，因?yàn)榻拥?、短路?duì)陰極保護(hù)產(chǎn)生影響的不是簡(jiǎn)單的電阻關(guān)系，還與極性、壓降、電勢(shì)、電流等因素相關(guān)，所以在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)該使剛陰極保護(hù)絕緣測(cè)試儀。

參考文獻(xiàn)

1蔣洪恩．燃?xì)忾y門應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．市場(chǎng)與技術(shù)，2012；19(4)：114-116

2柳葉．天然氣場(chǎng)站接地系統(tǒng)綜述[J]．天然氣技術(shù)，2009；1(1)：65-66

3俞彥英．套管腐蝕及屏蔽影響現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及其檢測(cè)方法[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2006；1(1)：31-32

4吳蔭順，曹備．陰極保護(hù)與陽(yáng)極保護(hù)[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2007：76-78

5李許立．可控式油氣管道感應(yīng)電流排流法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009；9：109-110

6滕延平，李熙．去耦合器排流技術(shù)在管道交流干擾減緩中的應(yīng)用[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2011；5：27-29

本文作者：白冬軍　和宏偉　馮文亮

作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院

  北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所