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概要：
針對(duì)西氣東輸工程干線中具有3PE 外防腐層的X80 鋼油氣管道，首先沿著管道每隔500 m 采用相應(yīng)的防雷接地措施，將雷電流導(dǎo)入大地，既可達(dá)到防雷目的，又可避免管道防腐層被大面積破壞。其次每隔一段間距對(duì)管道進(jìn)行等電位跨接，既可保證管道之間保持穩(wěn)定的等電位，又可防止管道直接產(chǎn)生二次放電損壞管道防腐層。最后合理選擇防雷接地極材料與輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極材料。采取防雷接地極通過(guò)隔離器與管道相連、輔助陽(yáng)極與防雷接地極分開(kāi)埋設(shè)的措施，可消除防雷接地對(duì)油氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響。
1 油氣管道的陰極保護(hù)
1.1 陰極保護(hù)基本原理
由于金屬表面中存在的電解質(zhì)溶液會(huì)形成無(wú)數(shù)的腐蝕原電池，這種腐蝕電池即為雙電極原電池系統(tǒng)。腐蝕原電池中的陽(yáng)極發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)，產(chǎn)生電子向陰極輸送，同時(shí)陽(yáng)離子融于電解質(zhì)溶液中。原電池的陰極發(fā)生陰極反應(yīng)，得到陽(yáng)極反應(yīng)所帶來(lái)的電子，根據(jù)電解質(zhì)溶液的不同，在陰極析氫或產(chǎn)生金屬陽(yáng)離子沉淀。因此，如果能夠?qū)⒁粋€(gè)外加電流附到金屬表面上，使金屬完全處于陰極狀態(tài)，就可以抑制陽(yáng)極反應(yīng)，從根本上阻止金屬被腐蝕[1]。
1.2 陰極保護(hù)的種類
通過(guò)上述分析可知，陰極保護(hù)的基本原理就是給金屬輸送大量的電子，使其處于陰極狀態(tài)，遏制腐蝕的發(fā)生。目前陰極保護(hù)有犧牲陽(yáng)極保護(hù)法和外加電流法[2-3]。
犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是將一種金屬材料與被保護(hù)金屬連接，由于該金屬材料與被保護(hù)金屬相比有更負(fù)的電極電位，其在土壤電解液中自身會(huì)不斷受到腐蝕，同時(shí)向被保護(hù)金屬輸送電子，通過(guò)犧牲該金屬而達(dá)到保護(hù)目標(biāo)金屬的目的。外加電流法是通過(guò)外加電源設(shè)備對(duì)被保護(hù)金屬施加保護(hù)電流，以提供足夠多的電子，使被保護(hù)金屬處于陰極狀態(tài)，從而達(dá)到防腐蝕的效果。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法簡(jiǎn)單易行，不需要外部電源，保護(hù)電流利用率高，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)保護(hù)，隨管道一起施工安裝，工作量小，且在運(yùn)行過(guò)程中，維護(hù)工作相對(duì)簡(jiǎn)單；但是由于驅(qū)動(dòng)電位低，可控性小，導(dǎo)致保護(hù)范圍小，且陽(yáng)極壽命有限，需人工定期更換。外加電流法的外部電源驅(qū)動(dòng)電壓高、輸出電流大，可用于長(zhǎng)輸管線和區(qū)域性管網(wǎng)的保護(hù)，保護(hù)范圍廣、面積大；但保護(hù)過(guò)程依靠外部電源，需要定期繳納費(fèi)用，且應(yīng)配有專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)監(jiān)管。
2 油氣管道的防雷設(shè)計(jì)
油氣管道的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50251） 》和《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057）》。一般可通過(guò)電屏蔽、接地網(wǎng)、管道等電位跨接來(lái)減輕雷電對(duì)管道的影響。沿著油氣管道每間隔500 m 采用相應(yīng)的防雷接地措施，可以迅速將雷電流導(dǎo)入大地，避免出現(xiàn)管道防腐層被大面積破壞的危險(xiǎn)。每隔一段間距對(duì)管道進(jìn)行等電位跨接可以保證管道之間保持穩(wěn)定的等電位，防止管道直接產(chǎn)生二次放電以損壞防腐層。以西氣東輸工程干線中具有3PE 外防腐層的X80 鋼油氣管道為例探討油氣管道的防雷設(shè)計(jì)，該管道沿線設(shè)有閥室、清管站、分輸站、壓氣站、起始站、末站以及管道控制中心站等。
2.1 閥室的管道防雷設(shè)計(jì)
閥室一般為不超過(guò)5 m 高的平房，根據(jù)閥室的通風(fēng)情況可將其分為爆炸性氣體環(huán)境1、2 區(qū)， 可在閥室墻上鋪設(shè)避雷帶來(lái)作為防雷措施。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057）》， 對(duì)于第一類防雷建筑，避雷帶的網(wǎng)格一般不大于5 m×5 m 、6 m×4 m，對(duì)于第二類防雷建筑物避雷帶的網(wǎng)格一般不大于10 m× 10 m 、12 m× 8 m。避雷帶的引下線則與閥室周圍的接地網(wǎng)直接連接，根據(jù)規(guī)范得知引下線的間距不得大于12m （對(duì)于第二類防雷建筑物該數(shù)值則為18 m）。通過(guò)閥室的油氣管道可根據(jù)規(guī)范的要求，就近與建筑物的防雷接地設(shè)施連接。這樣可以使管道與閥室的各器件達(dá)到等電位，防止雷電災(zāi)害時(shí)管道產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬間過(guò)電壓，造成管道自身防腐層的破壞，出現(xiàn)管道與閥室內(nèi)電子設(shè)備器件等的放電現(xiàn)象，造成閥室內(nèi)儀器設(shè)備損害甚至導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。
2.2 埋設(shè)管道的防雷設(shè)計(jì)
雷電對(duì)油氣管道的危害可以分為雷電直擊管道、雷電擊中管道附近物體和雷電擊中大地[4-5]。
（1） 雷電直擊管道時(shí)的防雷設(shè)計(jì)。當(dāng)油氣管道所埋設(shè)地點(diǎn)的土壤電阻率達(dá)到周圍土壤電阻率的最小值時(shí)，雷電會(huì)尋求一個(gè)電阻最小區(qū)來(lái)向大地釋放電流。這將造成雷電直接擊中油氣管道，進(jìn)而損害油氣管道的保護(hù)層，使管道裸露后因土壤腐蝕而造成穿孔，導(dǎo)致油氣泄漏，甚至雷電直接擊穿油氣管道，引發(fā)安全事故。
沿著油氣管道每隔500 m 對(duì)管道采取相應(yīng)的防雷接地措施，可以迅速將雷電流導(dǎo)入大地，避免管道防腐層被大面積破壞。同時(shí)為了防止雷電流沿著油氣管道的兩側(cè)傳輸，還應(yīng)在管道的不同部位采用等電位連接措施，以保證管道的不同部位電位相等，避免二次擊穿。
（2）雷電擊中管道附近物體或大地時(shí)的防雷設(shè)計(jì)。雷電擊中管道附近的建筑物、高塔或高壓架空線時(shí)，雷擊點(diǎn)的電位瞬間上升，并通過(guò)高塔的接地裝置將雷電流導(dǎo)入大地，引起油氣管道周圍的土壤電位產(chǎn)生急劇變化，導(dǎo)致土壤與油氣管道之間的電位差升高，當(dāng)達(dá)到一定的值時(shí)會(huì)擊穿土壤，產(chǎn)生放電現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程中，電流的熱效應(yīng)會(huì)損壞油氣管道的保護(hù)層，同時(shí)放電電流將通過(guò)油氣管道由放電點(diǎn)向兩側(cè)傳輸，造成沿線管道與土壤之間又產(chǎn)生電位差，導(dǎo)致土壤擊穿的再一次發(fā)生，使沿線管道產(chǎn)生程度不同的防腐層損壞，甚致造成油氣泄漏。與雷電直擊管道時(shí)防雷設(shè)計(jì)方法相同，沿著油氣管道每隔500 m 對(duì)管道采取相應(yīng)的防雷接地措施，可以迅速將雷電流導(dǎo)入大地，避免管道防腐層被大面積破壞。另外，針對(duì)這一情況，應(yīng)對(duì)油氣管道進(jìn)行電屏蔽保護(hù)。
考慮埋設(shè)在土壤中的油氣管道都設(shè)置有相應(yīng)的陰極保護(hù)設(shè)施，本設(shè)計(jì)采用去耦合器進(jìn)行屏蔽線與油氣管道的連接，解決了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電流會(huì)通過(guò)屏蔽線迅速泄流到大地，從而導(dǎo)致管道的陰極保護(hù)功能失效的難題，保障了管道的安全運(yùn)行。去耦合器的導(dǎo)通工作電壓一般可設(shè)置為陰極保護(hù)系統(tǒng)工作的最大電壓。
3 防雷接地對(duì)陰極保護(hù)的影響
在石化行業(yè)中，為了防止雷電對(duì)油氣管道的危害，將雷電電流迅速導(dǎo)入到大地中，一般在油氣管道上都會(huì)設(shè)置相應(yīng)的防雷接地設(shè)施。對(duì)于埋設(shè)在土壤中的油氣管道，由于土壤是一個(gè)復(fù)雜的電解質(zhì)系統(tǒng)，金屬管道在其中會(huì)受到腐蝕，因此需要相應(yīng)的陰極保護(hù)措施。本文中對(duì)油氣管道采用了外加電流保護(hù)法來(lái)進(jìn)行陰極保護(hù)，這種方法是通過(guò)外加電源設(shè)備對(duì)被保護(hù)金屬施加保護(hù)電流，以提供足夠多的電子，使被保護(hù)金屬處于陰極狀態(tài)，從而達(dá)到防腐蝕的目的。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，如果防雷接地安裝不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電流通過(guò)防雷接地直接泄流到大地，造成油氣管道上的保護(hù)電流微乎其微，幾乎發(fā)揮不了保護(hù)作用，導(dǎo)致管道受到土壤的腐蝕，甚至穿孔，產(chǎn)生極大的安全隱患。另外，如果犧牲陽(yáng)極法中采用的陽(yáng)極或外加電流保護(hù)法中的輔助陽(yáng)極與防雷接地所采用的接地極選材不當(dāng)，導(dǎo)致兩者之間形成原電池，對(duì)安全接地造成腐蝕，同樣會(huì)產(chǎn)生安全隱患。所以，如何處理好防雷接地與陰極保護(hù)系統(tǒng)之間的關(guān)系，如何使兩者成為一個(gè)和諧共存的整體顯得十分重要。
4 解決方案及對(duì)策
（1）防雷接地通過(guò)隔離器與管道相連。在防雷接地的安裝過(guò)程中，為了避免防雷接地極對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可將防雷接地極通過(guò)防雷接地電池與管道相連。防雷接地電池平時(shí)處于開(kāi)路狀態(tài)，不影響油氣管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)油氣管道遭到雷擊時(shí)，接地電池導(dǎo)通，將管道上的過(guò)電壓迅速導(dǎo)入到大地中，使管道得到保護(hù)。另外在管道與防雷接地極之間串聯(lián)電火花間隙，當(dāng)發(fā)生雷電電涌時(shí)，電火花間隙被擊穿，電涌通過(guò)防雷接地體泄流大地。平時(shí)電火花間隙起著隔離器的作用，隔絕了接地體對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響。
（2）輔助陽(yáng)極和防雷接地分開(kāi)埋設(shè)，在各自埋設(shè)區(qū)域埋充低電阻率的降阻材料，并確保電子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間沒(méi)有直接電聯(lián)接。
（3）選擇腐蝕電位相近的防雷接地極材料、輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極材料，這樣可以保證兩者之間的電位相近，電位差較小，以減輕原電池造成的腐蝕影響。
