一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法
阅读说明：本技术 一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法 (Analysis method for failure reasons of oil-gas field pipeline cathode protection system ) 是由 唐德志 陈宏健 杨莉娜 李冰 谷坛 付勇 徐英俊 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法,属于管道腐蚀控制领域。该方法包括：确认待排查油气田管道的阴极保护系统类型；若为牺牲阳极阴极保护系统,判断牺牲阳极自身是否失效,若否,则进行步骤S3；若为外加电流阴极保护系统,则判断外加电流阴极保护装置是否失效,若否,则进行步骤S3；步骤S3、判断绝缘装置是否失效,若否,则进行步骤S4；步骤S4、判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内,若否,则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰。该方法针对性地对油气田管道阴极保护系统的失效原因进行分析,具有较高的准确度,获得较好的排查效果。(The invention discloses an analysis method for failure reasons of an oil-gas field pipeline cathode protection system, and belongs to the field of pipeline corrosion control. The method comprises the following steps: confirming the type of a cathodic protection system of an oil-gas field pipeline to be investigated; if the sacrificial anode is a sacrificial anode cathode protection system, judging whether the sacrificial anode per se fails, and if not, performing step S3; if the system is an impressed current cathodic protection system, judging whether the impressed current cathodic protection device fails, and if not, performing step S3; step S3, judging whether the insulation device fails, if not, performing step S4; and step S4, judging whether the interference level of the pipeline stray current is in an acceptable range, if not, judging that the reason of the failure of the oil-gas field pipeline cathode protection system to be inspected is the pipeline stray current interference. The method analyzes the failure reason of the oil-gas field pipeline cathode protection system in a targeted manner, has high accuracy and obtains a good investigation effect.)
技术领域
本发明涉及管道腐蚀控制领域，特别涉及一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法。
背景技术
阴极保护指的是，以通电的方法使被保护物成为阴极，由此减缓、避免腐蚀，其包括两种类型：一是外加电流阴极保护，也称强制(电流)阴极保护，二是牺牲阳极阴极保护。阴极保护系统在油气田管道外腐蚀控制中得到广泛应用。
由于油气田管道自身的复杂性和服役环境的特殊性，对于一油气田管道系统通常同时采用外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方式进行联合保护，例如，多条油气田管道由不同类型的阴极保护系统进行联合保护，极大程度上增加了油气田管道阴极保护日常维护难度。目前，通常采用针对长输管道阴极保护系统故障排查方法来对油气田管道阴极保护系统进行故障排查，以获取其阴极保护系统失效原因。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下技术问题：
采用长输管道阴极保护系统的故障排查方法对油气田管道阴极保护系统失效原因进行分析时，其经常得到错误的分析结果，排查效果差。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法，针对性地对油气田管道阴极保护系统的失效原因进行分析，具有较高的准确度，能够获得较好的排查效果。
具体而言，包括以下的技术方案：
一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法，所述方法包括：
步骤S1、根据目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，确认待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统或者为外加电流阴极保护系统；
步骤S2、若所述待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统，则判断牺牲阳极自身是否失效，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为牺牲阳极自身失效，若否，则进行步骤S3；
若所述待排查油气田管道的阴极保护系统类型为外加电流阴极保护系统，则判断外加电流阴极保护装置是否失效，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为外加电流阴极保护装置失效，若否，则进行步骤S3；
步骤S3、判断绝缘装置是否失效，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为绝缘装置失效，若否，则进行步骤S4；
步骤S4、判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道防腐层破损，若否，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰。
在一种可能的实现方式中，所述判断外加电流阴极保护装置是否失效，包括：
步骤201、判断恒电位仪是否失效，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为恒电位仪失效。
在一种可能的实现方式中，所述判断外加电流阴极保护装置是否失效，还包括：
若所述恒电位仪未失效，则进行步骤202、判断阳极地床是否失效，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为阳极地床失效。
在一种可能的实现方式中，所述判断外加电流阴极保护装置是否失效，还包括：
若所述阳极地床未失效，则进行步骤203、判断参比电极是否失效，若是，则所述待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为参比电极失效，若否，则进行步骤S3。
在一种可能的实现方式中，所述判断牺牲阳极自身是否失效，包括：
获取牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组的临界接地电阻Rzmax；
测量牺牲阳极阴极保护系统中在服役中的牺牲阳极组的实际接地电阻Rz；
若Rz<Rzmax，则所述牺牲阳极组有效；
若Rz>Rzmax，则所述牺牲阳极组失效，导致所述判断牺牲阳极自身失效。
在一种可能的实现方式中，所述判断牺牲阳极自身是否失效，还包括：
根据牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组的临界接地电阻Rzmax，获取牺牲阳极组中的单支牺牲阳极的临界接地电阻Rdmax；
测量所述单支牺牲阳极的实际接地电阻Rd；
若Rd<Rdmax，则所述单支牺牲阳极有效；
若Rd>Rdmax，则所述单支牺牲阳极失效，导致所述判断牺牲阳极自身失效。
在一种可能的实现方式中，所述判断绝缘装置是否失效，包括：
利用电位法测量所述绝缘装置两端的电位差；
若所述电位差小于或等于100mV，则所述绝缘装置失效，反之，所述绝缘装置有效。
在一种可能的实现方式中，所述判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内，包括：测试所述待排查油气田管道的交流电流密度iac；
若iac＞100A/m2，则所述管道杂散电流干扰水平不在接受范围内；
若iac≤100A/m2，则所述管道杂散电流干扰水平在接受范围内，进一步测量所述待排查油气田管道的极化电位Ep；
若Ep≤-850mV，则所述管道杂散电流干扰水平在接受范围内；
若Ep＞-850mV，则所述管道杂散电流干扰水平不在接受范围内。
在一种可能的实现方式中，所述判断阳极地床是否失效，包括：
若所述阳极地床接地电阻满足以下公式的要求，则所述阳极地床未失效，反之，所述阳极地床失效；
Icpmax·Rg＜0.7U
式中，Icpmax为最大的预期保护电流需要量，单位为A；
Rg为阳极地床接地电阻，单位为Ω；
U为恒电位仪额定输出电压，单位V。
在一种可能的实现方式中，所述判断参比电极是否失效，包括：
获取所述参比电极的电位；
判断所述参比电极的电位与标准参比电极的电位之间的误差是否超过5mV；
若超过5mV，则所述参比电极失效，反之，则所述参比电极未失效。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法，针对油气田管道阴极保护系统的多样性和复杂性特点，根据目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，针对性地确定待排查油气田管道阴极保护系统类型。针对牺牲阳极阴极保护系统和外加电流阴极保护系统分别进行不同的失效原因分析，按照牺牲阳极自身是否失效(外加电流阴极保护装置是否失效)、绝缘装置是否失效、杂散电流干扰水平是否可接受的顺序逐步分析阴极保护系统失效的原因，能够显著提高油气田管道阴极保护系统失效原因的分析效率和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法，如附图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1、根据目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，确认待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统或者为外加电流阴极保护系统。
步骤S2、若待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统，则判断牺牲阳极自身是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为牺牲阳极自身失效，若否，则进行步骤S3。
若待排查油气田管道的阴极保护系统类型为外加电流阴极保护系统，则判断外加电流阴极保护装置是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为外加电流阴极保护装置失效，若否，则进行步骤S3。
步骤S3、判断绝缘装置是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为绝缘装置失效，若否，则进行步骤S4。
步骤S4、判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道防腐层破损，若否，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰。
本发明实施例提供的油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法，针对油气田管道阴极保护系统的多样性和复杂性特点，根据目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，针对性地确定待排查油气田管道阴极保护系统类型。针对牺牲阳极阴极保护系统和外加电流阴极保护系统分别进行不同的失效原因分析，按照牺牲阳极自身是否失效(外加电流阴极保护装置是否失效)、绝缘装置是否失效、杂散电流干扰水平是否可接受的顺序逐步分析阴极保护系统失效的原因，能够显著提高油气田管道阴极保护系统失效原因的分析效率和精度。
以下对上述各步骤分别进行阐述：
对于步骤S1、根据目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，确认待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统或者为外加电流阴极保护系统。
目标油气田管道系统可以包括一条油气田管道，也可以包括多条油气田管道，在进行阴极保护系统失效原因分析时，需要对单条油气田管道或者每条油气田管道中的某段逐个地进行分析排查。本发明实施例中，将目标油气田管道系统中需要进行阴极保护系统失效原因分析的某条或者某段管道称作待排查油气田管道。
其中，目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，即指的是目标油气田管道系统的阴极保护系统的在服役方案。根据该设计方案，可以确定待排查油气田管道所使用的阴极保护系统的具体类型，要么是牺牲阳极阴极保护系统，要么是外加电流阴极保护系统。
对于步骤S2，其又包括步骤S2a和步骤S2b，具体如下：
步骤S2a、若待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统，则判断牺牲阳极自身是否失效；
若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为牺牲阳极自身失效；若否，则进行步骤S3。
其中，可以采用以下方法来判断牺牲阳极自身是否失效，具体包括：
获取牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组的临界接地电阻Rzmax；
测量牺牲阳极阴极保护系统中在服役中的牺牲阳极组的实际接地电阻Rz；
若Rz<Rzmax，则牺牲阳极组有效；
若Rz>Rzmax，则牺牲阳极组失效，导致判断牺牲阳极自身失效。
进一步地，判断牺牲阳极自身是否失效，还包括：
根据牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组的临界接地电阻Rzmax，获取牺牲阳极组中的单支牺牲阳极的临界接地电阻Rdmax；
测量单支牺牲阳极的实际接地电阻Rd；
若Rd<Rdmax，则单支牺牲阳极有效；
若Rd>Rdmax，则单支牺牲阳极失效，导致判断牺牲阳极自身失效。
可以理解的是，上述的“单支牺牲阳极”指的是在评价分析中的该支牺牲阳极。
上述判断牺牲阳极自身是否失效的具体分析方法可以参见相关文献(CN104060279A，牺牲阳极阴极保护系统的有效性判据及剩余寿命预测方法)中的相关记载。
对于步骤S2b、若待排查油气田管道的阴极保护系统类型为外加电流阴极保护系统，则判断外加电流阴极保护装置是否失效；
若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为外加电流阴极保护装置失效；若否，则进行步骤S3。
其中，判断外加电流阴极保护装置是否失效，又可以进一步包括以下步骤：
首先，进行步骤201，判断恒电位仪是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为恒电位仪失效。
恒电位仪是否失效的判断标准如下所示：
若恒电位仪的输出电流、输出电压、参比控制电位三者中的任一个不稳定或者不连续可调，则可判断恒电位仪为失效。
若恒电位仪的输出电流、输出电压、参比控制电位三者均稳定且连续可调，则可判断恒电位仪无异常，为有效状态。
若恒电位仪未失效，则进行步骤202，判断阳极地床是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为阳极地床失效。
阳极地床是否失效的判断标准如下所示：
判断阳极地床接地电阻是否满足以下公式的要求；
若满足，则阳极地床未失效；若不满足，则阳极地床失效；
Icpmax·Rg＜0.7U。
式中，Icpmax为最大的预期保护电流需要量，单位为A；
Rg为阳极地床接地电阻，单位为Ω；
U为恒电位仪额定输出电压，单位V。
其中，最大的预期保护电流需要量Icpmax为定值，一般从对应的阴极保护系统设计文件(例如，SY/T0036-99《埋地钢质管道系统强制电流阴极保护设计规范》)中获取；
可以按照标准GB/T 21246-2007中10.1章节提供的长接地极接地电阻测试法，来对阳极地床进行测试获得阳极地床接地电阻Rg；
恒电位仪额定输出电压U为定值，一般记载于恒电位仪的说明书中。
若阳极地床未失效，则进行步骤203，判断参比电极是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为参比电极失效，若否，则进行步骤S3。
其中，参比电极是否失效的判断标准如下所示：
获取参比电极的电位。
判断参比电极的电位与标准参比电极的电位之间的误差是否超过5mV。
若超过5mV，则参比电极失效，反之，则参比电极未失效。
其中，参比电极的电位与标准参比电极的电位之间的误差指的是：参比电极的电位与标准参比电极的电位的差值的绝对值。
本发明实施例中，上述标准参比电极为经过校准的硫酸铜参比电极。
本发明实施例根据各器件发生故障的概率，通过顺序地依次进行恒电位仪故障分析、阳极地床有效性分析、参比电极有效性分析，在确保分析精确度的前提下，能够显著提高分析效率，降低分析时间。
对于牺牲阳极阴极保护系统和外加电流阴极保护系统来说，分别就牺牲阳极自身，以及外加电流阴极保护装置进行是否失效分析后，若以上两者均未失效，则进行下一步如步骤S3所述的判断。
对于步骤S3，判断绝缘装置是否失效；
若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为绝缘装置失效；若否，则进行步骤S4。
其中，绝缘装置是否失效的判断标准，包括：
利用电位法测量绝缘装置两端的电位差，其中，该电位法可以参照国家标准GB/T21246-2007中9.2章节所涉及的电位法。
若电位差小于或等于100mV，则绝缘装置失效；反之，若电位差大于100mV，则绝缘装置有效。
其中，对于待排查管道，其起始端和末端均安装有绝缘装置，在分析时，需要对这两端处的绝缘装置均进行分析。
若待排查油气田管道阴极保护系统失效原因并不是绝缘装置失效，则进行步骤S4。
其中，步骤S4又包括：判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内；
若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道防腐层破损；
若否，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰。
具体地，判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内，包括：测试待排查油气田管道的交流电流密度iac；
若iac＞100A/m2，则管道杂散电流干扰水平不在接受范围内，意味着待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰；
若iac≤100A/m2，则管道杂散电流干扰水平在接受范围内，可以进一步测量待排查油气田管道的极化电位Ep，利于进一步提高分析精度。
若Ep≤-850mV(相对于硫酸铜参比电极)，则管道杂散电流干扰水平在接受范围内；
若Ep＞-850mV，则管道杂散电流干扰水平不在接受范围内，意味着待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰。
综上，本发明实施例提供这样一种油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、根据目标油气田管道系统的阴极保护系统的设计方案，确认待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统或者为外加电流阴极保护系统。
步骤S2a、若待排查油气田管道的阴极保护系统类型为牺牲阳极阴极保护系统，则判断牺牲阳极自身是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为牺牲阳极自身失效，若否，则进行步骤S3。
其中，判断牺牲阳极自身是否失效，包括：
获取牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组的临界接地电阻Rzmax；
测量牺牲阳极阴极保护系统中在服役中的牺牲阳极组的实际接地电阻Rz；
若Rz<Rzmax，则牺牲阳极组有效；若Rz>Rzmax，则牺牲阳极组失效，导致判断牺牲阳极自身失效。
根据牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组的临界接地电阻Rzmax，获取牺牲阳极组中的单支牺牲阳极的临界接地电阻Rdmax；
测量单支牺牲阳极的实际接地电阻Rd；
若Rd<Rdmax，则单支牺牲阳极有效；若Rd>Rdmax，则单支牺牲阳极失效，导致判断牺牲阳极自身失效。
步骤S2b、若待排查油气田管道的阴极保护系统类型为外加电流阴极保护系统，则判断外加电流阴极保护装置是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为外加电流阴极保护装置失效，若否，则进行步骤S3。
其中，判断外加电流阴极保护装置是否失效，包括以下步骤：
步骤201，判断恒电位仪是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为恒电位仪失效。
若恒电位仪未失效，则进行步骤202：判断阳极地床是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为阳极地床失效。
若阳极地床未失效，则进行步骤203，判断参比电极是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为参比电极失效，若否，则进行步骤S3。
步骤S3、判断绝缘装置是否失效，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为绝缘装置失效，若否，则进行步骤S4。
步骤S4、判断管道杂散电流干扰水平是否在接受范围内，若是，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道防腐层破损，若否，则待排查油气田管道阴极保护系统失效原因为管道杂散电流干扰。
以下通过具体实施例来进一步描述本发明实施例提供的油气田管道阴极保护系统失效原因的分析方法：
某一条油气田集输干线管道采用阴极保护和外防腐层联合控制外腐蚀措施，阴极保护系统运行5年后，现场阴极保护电位测试结果表明管道靠近管道末端2km范围内的TP35和TP36测试桩处测得的管道极化电位不能满足-850mV(相对于硫酸铜参比电极)阴极保护标准的要求，即管道阴极保护系统出现了故障。采用本发明实施例提供的方法对该管道阴极保护系统进行故障分析，步骤如下：
第一步，调取该待排查管道的阴极保护设计方案，根据该设计方案可知，该条待排查管道全线采用外加电流阴极保护系统，在阴极保护电位不达标的TP35和TP36测试桩处并未施加任何牺牲阳极，进而判断该待排查管道的阴极保护系统为外加电流阴极保护系统。
第二步，判断恒电位仪是否失效，经故障分析发现，恒电位仪输出电压为3.5V，输出电流为2A，控制电位的-1200mV(相对于硫酸铜参比电极)。分别对输出电压、输出电流以及控制电位进行调大或调小操作，发现均连续可调，判断恒电位仪无异常。
第三步，利用国标GB/T 21257-2017提供的长接地体接地电阻法测试阳极地床接地电阻，为4Ω，从阴极保护设计书中得知这条管道最大的预期保护电流需要量为5A，恒电位仪说明书显示恒电位仪额定输出电压为60V，
由于4Ω×5A＝20V＜0.7×60V＝42V，故而阳极地床未失效。
第四步，利用国标GB/T 21257-2017提供的电位法测试待排查管道起始端和末端绝缘装置的性能。
测试结果显示，起始端绝缘装置两端电位差为500mV，大于100mV，故起始端绝缘装置未失效。
末端绝缘装置两端电位差为5mV，远小于100mV，故末端绝缘装置失效，意味着，该段待排查管道阴极保护系统的失效是由于末端绝缘装置失效引起的，完成对阴极保护系统的失效原因的分析。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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