1 概述
某市某次高压燃气管道于2008年投产，管道管顶埋深（管顶至地面）约1.2 m，管道外直径为508 mm，壁厚为7.9 mm，设计压力为1.6 MPa，运行压力为1.5 MPa，钢管材质为L360MB，采用3PE加强级防腐层和强制电流阴极保护系统进行联合保护。强制电流阴极保护系统智能抗干扰恒电位仪的额定输出电压为60 V，额定输出电流为30 A，保护的管道长度约15 km。通过调试恒电位仪输出参数，控制管道各通电点处试片的断电电位在-1.15~-1.20V范围。该次高压燃气管道沿线每1km埋设1片面积为6.5 cm2的试片，便于采集管道的断电电位。
该次高压燃气管道每间隔5km设置1座半敞开式阀室。阀室两侧埋地管道上均连接埋地的绝缘接头，且该绝缘接头均采用锌接地电池进行保护。阀室内的设备主要分为两类，即电气设备和机械设备。其中，电气设备主要包括压力变送器和执行机构；机械设备主要包括截断阀、旁通管、旁通球阀、控制箱、引压管等。正常情况下，阀室内的电气设备和机械设备均需连接防雷接地网，避免雷击后过电压产生火花，对电气设备、机械设备、人身安全造成伤害，甚至引发燃气爆炸。线路截断阀与干线阴极保护管道间连接绝缘接头，确保阀室内所有设备与阴极保护管道的电气绝缘［1］。但是，若线路截断阀任意一侧的绝缘接头绝缘失效，则阀室内的电气设备、接地网、机械设备和失效绝缘接头侧的阴极保护管道间将电气连通，失效绝缘接头侧的阴极保护管道的阴极保护电流将直接从低电阻接地网流入土壤，大大降低阴极保护系统效能。
2 绝缘接头失效对阴极保护系统的影响
通过对该次高压燃气管道沿线阀室两侧的绝缘接头进行绝缘性能测试可知，有两座阀室的一侧绝缘接头失效，且距离失效绝缘接头左侧最近的通电点处所测管道断电电位正于-0.85 V的通电点的数量与所有通电点的总数量的比例始终大于5%。该处管道阴极保护电流无法满足澳大利亚标准AS 2832.1-2015《金属的阴极保护——管道和电缆》（Cathodic protection of metals - Pipes and cables）中关于断电电位正于-0.85 V的通电点的数量与所有通电点的总数量比例小于5%的要求。
初步分析如下：失效绝缘接头引起该阀室防雷接地网与沿线阴极保护管道间电气连通。强制电流阴极保护系统输出的大量阴极保护电流将从阀室防雷接地网流入土壤，导致下游管道无法获得足量的阴极保护电流，严重缩短强制电流阴极保护系统的实际保护管道长度，且越靠近失效绝缘接头的管道区域，其阴极保护电流漏失越严重。因此，必须对失效绝缘接头进行绝缘处理。然而，城镇燃气管道基本与市政干道并行敷设，管道周边的车流量与人流量均较多，从经济、安全方面考虑，管道运行管理部门若采用不停输动火作业割断燃气管道以更换失效的绝缘接头，将承担较大的作业风险。因此，为解决管道阴极保护电流经阀室接地网漏失的问题，需要对两处失效绝缘接头所对应的阀室内部设备与接地网的电气连接模式进行调整。
3 调查与分析
根据往年绝缘接头测试结果可知，该次高压燃气管道上有两座阀室的某侧绝缘接头的绝缘性能已经失效，且失效绝缘接头均位于杂散电流干扰严重的管段。为此，我们对失效绝缘接头处的1号阀室工艺结构进行详细勘察，该阀室主要结构的电气连接情况（部分阀室内部结构未呈现），即整改前的1号阀室工艺见图1。
图1 整改前的1号阀室工艺
由图1可知，1号阀室内各设备之间的电气连接情况如下：控制箱内安装有执行机构，两者接触部位均采用绝缘材料，两者间电气绝缘。控制箱底部与截断阀间连接绝缘垫，两者间电气绝缘。截断阀、旁通球阀分别与所在管道电气连通。执行机构和压力变送器均通过绝缘柔性管保护的动力电缆连接市政电网。旁通管、控制箱、压力变送器均与接地网相连。
在左侧，埋地阴极保护管道与旁通管直接相连，旁通管与接地网直接相连，导致埋地阴极保护管道与接地网间电气连通。同时，在右侧，连接压力变送器的引压管与压力变送器间未设置绝缘卡套，导致压力变送器与其连接的引压管间电气连通。该压力变送器连接的引压管直接与埋地阴极保护管道直接相连，而压力变送器与接地网直接相连，导致埋地阴极保护管道与接地网间电气连通。
由此得出：因1号阀室左侧管道连接失效绝缘接头，通过上述左侧、右侧两条通路，均能导致埋地阴极保护管道与接地网间电气连通，引起1号阀室左侧埋地阴极保护管道的阴极保护电流从接地网漏失，从而影响阴极保护系统的防护效果。
4 整改措施
4.1 安装绝缘卡套和防爆火花间隙
4.1.1 做法
通过上述分析可知，为了有效防止管道阴极保护电流经接地网漏失，需要调整失效绝缘接头所对应的阀室接地网的电气连接模式。因此，我们对1号阀室内电气设备与机械设备的防雷接地系统进行技术改造，具体改造措施如下。
①在压力变送器与引压管间安装1个绝缘卡套，确保两者间电气绝缘。
②利用火花间隙两端通常电气开路、大电流短路的特性，在旁通管和接地网间串联1个型号为LPD-100/1000的防爆型火花间隙，则可以将管道上的过电压限制在比较低的幅度范围内，以满足旁通管的防雷接地需求。同时，在管道阴极保护电流较小的情况下，旁通管和接地网间电气断开，从而确保1号阀室左侧埋地管道上的阴极保护电流无法从接地网漏失。改造后的1号阀室工艺见图2。
图2 整改后的1号阀室工艺
4.1.2 效果
改造完毕，为检验1号阀室接地网漏电问题的整改效果，我们对旁通管、接地网、压力变送器这三者之间的电气连通性进行了测试。具体方法如下：整改完毕，对1号阀室的旁通管与接地网间做电气断开或连通处理，分别测试1号阀室左侧管道与接地网上的通电电位。1号阀室管道和接地网的通电电位见图3。
图3 1号阀室管道和接地网的通电电位
结果分析如下：
①在旁通管与接地网间连接防爆火花间隙，测试时间段为0～1 000 s，采集1号阀室左侧管道的通电电位，在2.5～-1.0 V范围内波动，而接地网的通电电位维持0.4 V稳定状态。说明在无大电流通过的情况下，1号阀室外侧的阴极保护管道与接地网间电气绝缘。
②将旁通管与接地网间电气连通（即火花间隙两侧短路），测试时间段为1 000~1 756 s，管道与接地网的通电电位波动趋势基本一致，说明管道与接地网间电气连通。
由此判定：通过对1号阀室内电气设备与机械设备接地网进行整改，既可以避免1号阀室左侧管道阴极保护电流经接地网漏失，又可以满足机械设备与电气设备的防雷要求。说明上述整改措施的效果较好。
4.2 安装防爆火花间隙与固态去耦合器
4.2.1 做法
基于1号阀室接地网整改措施的成功经验，计划推广至2号阀室的接地网漏失阴极保护电流的整改工作中。通过现场勘查，发现2号阀室与1号阀室的电气连接情况以及接地网漏电因素基本一致，即通过上述左侧、右侧两条通路，均能导致埋地阴极保护管道与接地网间电气连通。我们计划沿用上述整改措施。然而，2号阀室的压力变送器安装运行至今，从未拆卸处理，压力变送器和引压管间的螺纹已锈蚀，无法拆卸。因此，在压力变送器与引压管间安装绝缘卡套的措施无法落实。由于火花间隙的导通电压较大，主要用于机械设备防雷击领域；而固态去耦合器的导通电压较低，主要用于防止电气设备和管道之间的电压过大的问题。因此，我们调整了整改措施，具体措施如下：
①利用固态去耦合器既有通交流、隔直流（低电阻时）的特性，又具备防雷、防故障电流的功能，在压力变送器与接地网之间串接1个固态去耦合器（直流阈值电压为2~-2 V），改变两者直接电气连通模式。当存在较大故障电流时，固态去耦合器两侧电压在直流阈值电压范围之外，固态去耦合器两侧电气连通，以满足压力变送器防雷接地需求。同时，在管道阴极保护电流较小的情况下，固态去耦合器两侧电压在直流阈值电压范围之内，固态去耦合器两侧电气断开，从而确保2号阀室左侧埋地管道上的阴极保护电流无法从压力变送器连接的接地网处漏失。
②利用火花间隙正常开路、大电流短路的特性，在旁通管和接地网连接线间串联1个防爆火花间隙，可以将管道上的过电压限制在比较低的幅度范围内，以满足旁通管的防雷接地需求。同时，在管道阴极保护电流较小的情况下，旁通管和接地网间电气断开，从而确保2号阀室左侧埋地管道上的阴极保护电流无法从接地网漏失。整改后的2号阀室工艺见图4。
图4 整改后的2号阀室工艺
4.2.2 效果
为了检验2号阀室的接地网漏电整改效果，我们对旁通管、接地网、压力变送器这三者之间的电气连通性进行了测试。具体方法如下：整改完毕，通过对旁通管与接地网间，以及压力变送器与接地网间，同时做电气断开或连通处理，分别测试2号阀室左侧埋地管道与接地网的通电电位。2号阀室管道和接地网的通电电位见图5。
图5 2号阀室管道和接地网的通电电位
结果分析如下：
①在旁通管与接地网间连接防爆火花间隙，且压力变送器与接地网间连接固态去耦合器，测试时间段为0～590 s，测得阀室左侧管道通电电位波动较大（为-3.3～2.2 V），而接地网通电电位波动较小。说明在无大电流通过的情况下，压力变送器与接地网间电气断开，阀室左侧的阴保管道与接地网间电气断开。
②将旁通管与接地网电气连通（即火花间隙两侧短路），将压力变送器与接地网间电气连通（即固态去耦合器两侧短路），测试时间段为591～800 s，管道与接地网的通电电位波动趋势基本一致。说明管道与接地网间电气连通。
由此判定：该整改措施的效果较好。
5 结论
①为了避免采用不停输作业更换失效绝缘接头的风险，通过将阀室内电气设备和机械设备分别与接地网间的电气连通模式由直接连通调整为间接连通模式，是处理因阀室一侧绝缘接头失效所引起的阀室接地网漏失管道阴极保护电流这一问题的关键。
②利用火花间隙和固态去耦合器的电气通断特性，实现阀室内电气设备和机械设备与接地网之间电气的断开与连通。
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