動態直流雜散電流干擾下試片斷電法影響因素

覃慧敏,張 濤,杜艷霞,車 琨,路民旭

(1.北京科技大學新材料技術研究院,北京 100083;2.北京市燃氣集團有限責任公司,北京 100035)

隨著交通運輸和能源行業的飛速發展,埋地金屬管道與軌道交通地鐵線路平行或交叉鋪設的情況越來越多,由此引起的埋地管道動態直流雜散電流干擾問題日益突出。由于運行期間列車在軌道上的位置不斷變化,軌道交通系統產生的直流雜散電流具有動態波動性[1],電流的方向和大小隨機變化,使埋地管道涂層缺陷處的裸露金屬表面交替產生陰陽極極化,這反映在管地電位的測量結果上,主要表現為電位的動態正負波動[2-6]。對于動態直流雜散電流干擾下的埋地管道,采用常規的電流同步通斷法無法消除土壤介質中雜散電流的影響,通常采用試片斷電法來測量埋地管道的極化電位,從而評估管道的陰極保護效果或者干擾的嚴重程度。試片斷電法的原理是通過測量與管道連接的試片在與管道斷開瞬間的電位來近似得到與試片相同面積漏點處管道的極化狀態,可以在不斷開管道與外加電源連接的同時,較容易消除IR降的陰極保護電位測量方法[7]。

目前,大多數關于試片斷電法的研究都集中在試片面積大小、形狀、斷電延遲時間的選擇,以及試片瞬時斷電電位與管道真實極化電位之間的差異上。根據相關行業標準,試片的形狀可以設計為圓環形、圓柱形、圓盤形以及方盤形[8]。然而,對于在何種條件下選取什么形狀的試片仍然沒有一個統一的標準。NEKOKSA[9]認為圓柱形試片會從各個方向吸收陰保電流,這就導致探頭所處的電場環境與實際埋地管道涂層破損點附近電場有較大差異,而將平板式試片鑲嵌到探頭的幾何中心更有利于模擬實際情況中的管道漏點。RIEMER和ORAZEM[10]通過數學建模探索了極化探頭在評估管道涂層破損點極化水平時試片面積的合理選擇,結果證實了試片面積大于管道最大破損點是最保守的選擇,但試片面積究竟要比最大破損點面積大多少并沒有量化,而且試片面積太大會使陰保電流流失,使周邊管道欠保護。張豐等[11]研究表明,當試片面積不太大時,試片斷電法測量的斷電電位將負于恒電位儀瞬時同步斷電法測量的斷電電位;當試片面積增大到一定程度時,采用試片斷電法測量的斷電電位將正于采用恒電位儀瞬時同步斷電法測量的斷電電位。徐華天等[12]研究了流經不同面積漏點的陰極保護電流密度比與直徑比的關系,并根據極化曲線推算極化探頭電位與管道真實電位的關系,校正極化測試探頭測量電位與管道真實電位之間的差異。黃騰飛[13]研究表明,在檢查片與管道斷開50 ms后進行電位采集所得到的數據比較準確。秦鶯等[14]研究認為,試片與管道斷開500 ms后進行斷電電位采集,利用多次重復測試求平均值的方法,獲得更加接近管道實際對地電位的極化電位。姜有文等[7]利用電化學雙電層模型研究試片斷電后電位的衰減規律,建議試片斷電法采用的斷電延遲讀數時間應根據具體的環境而定。

近年來使用試片來測量埋地管道管地電位的方法開始得到認可并逐步得到應用。目前現行的國家陰極保護標準GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》也明確指出,在存在雜散電流干擾的區域,需要采用極化探頭或試片斷電法對陰極保護效果及干擾程度進行評判。盡管標準中提出了極化探頭或試片斷電法的測試方法,但對于具體的測試要求,如探頭或試片埋設時間、斷電延遲時間、埋設位置等都沒有明確規定,而經現場測試發現,這些因素會直接影響測試結果。如何選擇測試參數才能保證極化電位測量結果的準確性,是目前困擾動態直流雜散電流干擾下陰極保護有效性評價的難題。隨著國內城市軌道交通的大規模建設,動態直流干擾問題將日益嚴重,準確評估動態直流干擾程度及陰極保護有效性已成為實際生產的迫切需求。

1 試驗

1.1 埋設時間影響測試

試片材料為X70管線鋼,將其加工成長度為5 mm,直徑分別為8,11.3,28.8,35.7 mm的圓柱形試樣,用SiC砂紙將其表面進行逐級打磨后,用丙酮和無水乙醇依次進行除油,然后用去離子水沖洗后吹干。將試樣與銅導線進行電連接,并用環氧樹脂密封,留出—個圓形表面作為工作面,裸露面積分別為0.5,1,6.5,10 cm2。

在重慶某條受到動態雜散電流干擾的埋地管道上,選取兩處測試樁(TX1號和TX2號)進行現場試驗。開挖探坑后,分別在探坑底部(坑深1.2 m)和距離地面0.3 m處埋設不同裸露面積的試片。每處探坑包含16個試片,每種裸露面積的試片均設置2個平行試樣。試片安裝位置靠近參比測試土壤管,PVC管口盡量靠近試片的裸露面,但不應影響陰極保護或雜散電流的流動。所有試片的電纜獨立引線至測試樁的接線排,電纜兩端設置相關試片的標簽。整體設計如圖1所示。

圖1 現場埋片整體設計示意

試片安裝完成后,使用銅/硫酸銅便攜式參比電極(CSE)和數字數據記錄儀A(內置通斷功能),對試片的通電電位和斷電電位進行長時間的監測。文中電位均相對于CSE。數字數據記錄儀A通斷周期為斷電1 s/通電20 s,斷電延遲時間為150 ms。通過測量試片埋設后的斷電電位隨時間的變化,探索試片埋設深度和裸露面積對試片達到穩定極化狀態所需時間的影響。

1.2 斷電延時時間影響測試

在試片極化穩定之后,使用數字數據記錄儀B以不同的采樣頻率(10,30,100,500 ms/次和1,2,3,5,8 s/次)測量試片的通斷電電位。當采樣頻率為10 ms/次～1 s/次時,斷路器的通斷周期設置為斷電5 s/通電1 min;當采樣頻率設置為2～8 s/次時,通斷周期設置為斷電20 s/通電2 min。通過對比不同采樣頻率下的斷電電位變化,探索試片斷電后合理的延遲讀數時間。

1.3 埋設深度影響測試

在試片極化穩定之后,對具有相同裸露面積、不同埋深的試片進行24 h通斷電電位監測。通斷周期設置為斷電1 s/通電20 s,斷電延遲時間為150 ms。

1.4 外部干擾電場影響測試

為了研究瞬時斷電電位測量過程中試片或參比電極周圍外部干擾電場的影響,在TX1號測試樁附近進行了兩組試驗。在第一組試驗中,臨時埋設1個裸露面積為6.5 cm2的目標試片(標記為TP-1號)和1個近參比電極(靠近試片1 cm,標記為Re-1號),以及2個裸露面積分別為1 cm2和40 cm2的干擾試片(標記為IP-1號和IP-2號)。目標試片和干擾試片之間的距離為0.1 m,整體設計安裝如圖2所示。目標試片不與管道電連接,模擬試片在通斷電周期處于斷電狀態。干擾試片通過測試樁與管道進行電連接,提供外部干擾電場。通過測試干擾試片與管道電連接前后目標試片對地電位的變化,研究外部干擾電場對試片斷電電位的影響。

圖2 試片周圍外部干擾電場影響測試整體設計安裝示意

在第二組試驗中,臨時埋設1個裸露面積為6.5 cm2的目標試片(標記為TP-2號),4個參比電極與目標試片的距離分別為0.01(近參比),1,3,10 m(分別標記為Re-1,Re-2,Re-3,Re-4),遠參比電極附近各埋設1個干擾試片(裸露面積為6.5 cm2或40 cm2,分別標記為IP-3號、IP-4號和IP-5號)?？傮w設計安裝如圖3所示。目標試片不與管道電連接,模擬試片在通斷電周期處于斷電狀態。干擾試片通過測試樁與管道進行電連接,提供外部干擾電場。同樣通過測試干擾試片與管道電連接前后目標試片對地電位的變化,研究外部干擾電場對試片斷電電位的影響。

圖3 參比電極周圍外部干擾電場影響測試整體設計安裝示意

1.5 參比電極位置影響測試

在TX1號開挖探坑處選取1個試片,其余試片不與管道連接,利用多個數字數據記錄儀同步測量同一試片相對不同位置參比電極的斷電電位。如圖4所示,參比電極與目標試片的距離分別為0.1(近參比),0.3,1,1.2,10 m(分別標記為Re-1,Re-2,Re-3,Re-4,Re-5,Re-6)。測試前,對不同的參比電極進行了校準,以確保測試誤差小于5 mV。

圖4 參比電極位置影響測試整體設計安裝示意

2 結果與討論

2.1 埋設時間影響測試結果

如圖5和圖6所示:在直流雜散電流干擾下,瞬時斷電電位呈現上下波動的趨勢;隨著埋設時間的延長,斷電電位的負向最大值逐漸負移并最終趨于穩定。因此,在試片瞬時斷電電位的采集過程中,需要考慮試片達到穩定極化所需要的時間。由斷電電位的監測結果可知,極化穩定時間定義為從試片埋設完成時至斷電電位負向最大值達到穩定時所需的時間,如圖5和圖6中的標識所示。

圖5 TX1號處試片B1(1 cm2,1.2 m埋深)的瞬時斷電電位監測結果

圖6 TX2號處試片D5(10 cm2, 0.3 m埋深)的瞬時斷電電位監測結果

如表1所示,在同一個開挖探坑中,考察相同埋設深度、不同裸露面積試片的極化穩定時間,即對比B4和C5(淺埋),B1和C2(深埋),A8和D5(淺埋),或A9和D9(深埋),可以看出試片裸露面積越大,極化達到穩定狀態所需要的時間越長。此外,在同一個開挖探坑中,考慮相同面積、不同埋設深度試片的極化穩定時間,即對比B4(淺埋)和B1(深埋),C5(淺埋)和C2(深埋),A8(淺埋)和A9(深埋),或者D5(淺埋)和D9(深埋),可以看出,淺埋的試片其極化達到穩定狀態所需要的時間比深埋方式的長。

表1 不同試片極化穩定時間測試結果

對比不同開挖探坑中,相同埋設深度、不同面積試片的極化穩定時間可以看出,不同土壤環境中,試片裸露面積與極化穩定時間不一定成比例。

2.2 斷電延遲時間影響測試結果

由圖7可見,即使在相對較高的采樣頻率(10 ms/次)下,斷電電位在整個通斷周期內也沒有出現電位沖擊峰。需要注意的是,對于大部分數字數據記錄儀或中斷器,根據內部電子元件(由晶閘管、金氧半場效晶體管或繼電器等組成)的工作原理,電子電路的中斷動作無法在無限接近于0的短時間內瞬間完成,電路完全中斷或導通的響應時間可能是毫秒數量級。當以較高的采樣頻率進行數據采集時,可以在電路中斷動作期間記錄電位數據,如圖7所示。因此,預先設置適當的斷電延遲讀數時間,避免電路中斷動作響應時間的影響。由現場試驗的測試結果可知,內置通斷功能的數字數據記錄儀A電路中斷動作的響應時間約為50 ms(見圖7),因此在現場試驗的埋設時間影響測試過程中,數字數據記錄儀A的斷電延遲時間設置為150 ms。

圖7 10 ms/次采樣頻率條件下試片B1(1 cm2)通斷電電位的監測結果

在不同采樣頻率條件下對不同裸露面積試片進行通斷電電位測試,隨機選取某個通斷周期的電位數據進行分析。由圖8和圖9可見,對于相同裸露面積的試片,其極化狀態與流入流出試片的電流(陰保電流以及雜散電流)大小、表面狀態和極化特性等有關。采樣頻率越高,獲得的數據量越大,電位波形曲線越平滑,同時不同采樣頻率條件下所測得的電位曲線彼此重合。

圖8 不同采樣頻率條件下試片A1(0.5 cm2)通斷電電位的監測結果

圖9 試片D1(10 cm2)不同采樣頻率測試的電位曲線

由圖8和圖9還可以看出,試片與管道連接斷開后發生去極化。隨機選取試片某個通斷周期斷電電位的變化(采樣頻率為10 ms/次),取斷電延遲150 ms后的電位為瞬時斷電電位,記為Eoff-0,結果如表2所示。由表2可見:不同試片去極化過程的快慢有所不同,如試片A1和C1,在斷開連接3 s后,斷電電位的變化已大于100 mV;而試片B1和D1,在斷開連接19 s后,其斷電電位的變化才大于100 mV。同時,不同試片在斷開連接2 s內,其電位去極化衰減率均小于10%,衰減絕對值均小于100 mV。

表2 試片與管道斷開連接后試片斷電電位的去極化過程

2.3 試片埋深影響測試結果

試片極化穩定后進行長時間的斷電電位監測,結果如表3和圖10～13所示。由測試結果可知,對于在同一開挖坑中相同埋深的試片,不同裸露面積試片的斷電電位整體上沒有明顯的區別,大部分在-0.6～-1.25 V波動,平均值為-1.0 V。同時,對于在同一開挖坑中相同裸露面積的試片,整體上淺埋(0.3 m)試片的斷電電位要比深埋(1.2 m)試片的斷電電位偏正,相應的斷電電位正于保護標準不同程度的比例也整體增大,這可能與淺層土壤的狀態(含氧量、濕潤度、緊實度等)對試片表面極化行為的影響有關。因此,在測試環境中,利用淺埋試片的斷電電位評估干擾嚴重程度時,其評估結果有可能更為保守。在進行動態直流雜散電流干擾檢測時,在一定的工況條件下采用淺埋試片對于工程實踐來說更容易進行。

圖10 TX1號測試樁處不同埋深試片的斷電電位

圖11 TX2號測試樁處不同埋設深度試片的斷電電位

圖12 TX1號測試樁處試片A3(0.5 cm2,0.3埋深)斷電電位的監測結果

圖13 TX2號測試樁處試片A7(0.5 cm2)斷電電位的監測結果

2.4 外部干擾電場影響測試結果

在第一組現場試驗中,干擾試片連接管道前后目標試片的電位測試結果如表4和圖14所示。測試結果表明,在沒有外部干擾電場的影響下,利用近參比電極測試目標試片的自腐蝕電位,電位穩定在約-0.81 V。當1 cm2干擾試片(IP-1號)連接管道之后,目標試片的自腐蝕電位基本上保持穩定,說明流入流出干擾試片的電流在土壤中造成的電場干擾強度較小。當40 cm2干擾試片(IP-2號)連接管道之后,目標試片的自腐蝕電位發生了波動,流入流出干擾試片的電流在土壤中造成的電場干擾強度較大。雖然目標試片(CP-1號)沒有連接管道,但是近參比電極測試的自腐蝕電位已發生了波動,這個結果是不正確的。只有當外部干擾電場落在參比電極和試片之間土壤的外加地電位梯度足夠小時,試片電位的測試結果才是合理的。

表4 干擾試片連接管道前后目標試片的電位測試結果

圖14 干擾試片連接管道前后目標試片的電位監測結果

如表5和圖15所示,近參比電極(Re-1號)測試目標試片的自腐蝕電位在其他干擾試片連接管道前后仍然保持穩定,由于其他干擾試片距離目標試片CP-1號較遠,外加干擾電場落在近參比電極和試片之間的外加地電位梯度足夠小,利用近參比電極測試的試片電位是合理的。雖然不同位置遠參比電極在初始狀態時測得目標試片的自腐蝕電位比較穩定,但與近參比電極測得的自腐蝕電位的差值為10～20 mV。當不同位置遠參比電極附近的干擾試片與管道連接后,在各遠參比電極周圍制造了一個比較大的外電場,干擾試片面積越大,流入流出干擾試片的電流越大,在遠參比電極位置和目標試片(CP-1號)之間造成的地電位梯度波動越大,因此利用遠參比電極(Re-2號、Re-3號、Re-4號)測得目標試片的自腐蝕電位也發生了波動。因此在測試試片的斷電電位時,參比電極應該盡量靠近試片,使得外加電場落在參比電極和試片之間的地電位梯度越小,減少測量誤差。

表5 遠參比電極周圍干擾試片連接管道前后目標試片的電位測試結果

圖15 遠參比電極周圍干擾試片連接管道前后目標試片的電位監測結果

2.5 參比電極位置影響測試結果

如表6和圖16所示,試片A1相對不同位置參比電極的斷電電位與近參比電極測試的斷電電位是有差別的,電位差為-83～147 mV。因此,參比電極應盡可能靠近試片,以消除由土壤地電位梯度在參比電極應和試片間的IR降。

表6 不同位置遠參比電極與近參比電極測試的斷電電位差異

圖16 試片A1相對不同位置參比電極的斷電電位監測結果

3 結論

(1) 試片裸露面積越大,達到穩定極化狀態所需的時間越長,淺埋試片需要更長的時間才能達到穩定的極化狀態。在當前試驗條件下,試片極化穩定所需要的時間最長為25 h。

(2) 對于試片瞬時斷電電位的測試,應設置合理的斷電延遲時間。斷電延遲時間應足夠長,以避免線路中斷動作的影響;同時,斷電延時時間應足夠短,以避免試片去極化的影響。在當前試驗條件下,150 ms的斷電延遲時間是合理的。

(3) 土壤中流動的電流會在試片和參比電極之間產生地電位梯度,影響試片斷電電位的正確讀數,可以通過縮小試片和參比電極之間的距離來消減外電場產生的誤差。