管道地鐵雜散電流干擾腐蝕風險評估與防護措施

張夢夢,徐友鵬,胡貴斌,馮德佳,吳廣春,杜雪麟,江遠超

(1.安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京 102200;2.國家管網集團廣東運維中心廣東分公司,廣州 510000;3.國家管網集團西氣東輸公司廈門輸氣分公司,廈門 361000)

隨著城市的快速發(fā)展,城市對交通運輸、能源的需求劇增,軌道交通和油氣管道規(guī)模日益增大。在有限的城市空間內,城市軌道交通與埋地管道分布越發(fā)密集,兩者在路由中并行、臨近或交叉現(xiàn)象不可避免,管道受軌道交通地鐵直流雜散電流干擾越來越嚴重。地鐵雜散電流不僅會加速管道的腐蝕[1-3],還會對陰極保護系統(tǒng)恒電位儀運行產生影響[4-5],導致陰極保護系統(tǒng)運行失效,恒電位儀無法恒電位運行,從而進一步加速管道腐蝕[6-8]。目前,關于管道地鐵雜散電流干擾的防護方法主要有犧牲陽極+單向導通裝置防護和外加電流陰極保護。其中,犧牲陽極+單向導通裝置的防護范圍窄[9],多用于局部區(qū)域的補充干擾防護;外加電流陰極保護具有輸出電流大、保護范圍廣等特點,得到了較廣的工程應用[10-12]。

廣東地區(qū)某天然氣管道采用3PE外防腐蝕層與外加電流陰極保護聯(lián)合保護的方法,管道材料為X65鋼。在日常檢測中發(fā)現(xiàn),該段管道受地鐵直流雜散電流干擾嚴重,管道電位波動大且存在長時間電位偏正,恒電位儀運行輸出波動大,恒電位輸出電流長期為零等狀況。該管道全線長約150 km,沿線設置了4座陰極保護站(下文簡稱CP站),10座閥室,管道陰極保護站、閥室及地鐵分布見圖1。

圖1 管道沿線設施及干擾源分布示意

4座陰極保護站存在間斷性恒電位失敗報警,但設備仍可恒電位運行,運行中設備電位、電流輸出波動大,具體運行情況見表1。在日常檢測中發(fā)現(xiàn),沿線1～3號閥室、4～10號閥室管道電位波動大,多時刻管道電位均正于-850 mV(相對于銅/硫酸銅參比電極,vs.CSE),管段陰極保護有效性未知。

表1 陰極保護站運行狀況

為此,本工作對沿線管道路由土壤電阻率進行了測試,根據GB/T 21448-2017 《埋地鋼質管道陰極保護技術規(guī)范》 標準,給出了合適的最小保護電位。同時,為獲得管道陰極保護水平和真實干擾情況,對管道進行了24 h的電位監(jiān)檢測,參考QSY SQ 276-2020《動態(tài)直流干擾檢測評估與防護技術規(guī)范》標準,進行了干擾風險評估。基于現(xiàn)場監(jiān)測結果和風險評估結論,開展了現(xiàn)場饋電測試,測試結果為后續(xù)的現(xiàn)場干擾防護設計提供了參考。

1 現(xiàn)場測試方法

參照GB/T 21246-2020 《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》 標準中的土壤管法,在管道處埋設極化試片,待極化充分后進行24 h陰極保護電參數監(jiān)檢測。試片面積為6.5 cm2,埋深不小于0.5 m,監(jiān)檢測項目包括試片通電電位、斷電電位。選用cortalk-Udl2 Data Logger型數據記錄儀,通斷周期為12 s通電、3 s斷電,斷電電位于斷電后200 ms采集,采樣頻率為1次·s-1,測試方法如圖2所示。利用溫納等距四極法于管道電位監(jiān)檢測位置處進行土壤電阻率測試,電極間距(a)為2 m,測試方法如圖3所示。

圖2 試片電位測試原理示意

圖3 土壤電阻率測試示意

饋電測試一方面利用現(xiàn)有的陰極保護站,調整優(yōu)化恒電位儀輸出參數進行饋電;另一方面考慮后續(xù)干擾防護整改供電條件因素,在閥室距管道一定間距范圍外(約100 m),臨時布置角鋼作為輔助陽極開展饋電測試,具體饋電工況如表2所示。單次工況饋電測試時長不小于1 h,饋電測試中利用cortalk-Udl2 Data Logger型數據記錄儀對管道沿線測試樁試片進行通斷電電位同步監(jiān)檢測。

表2 現(xiàn)場饋電試驗工況

參照GB/T 21448-2017標準中最小保護電位與土壤電阻率的關系:(1) 一般土壤的陰極保護電位準則為-0.85 V(vs.CSE);(2) 當土壤電阻率大于100 Ω·m且小于1 000 Ω·m時,要求最小保護電位為-0.75 V(vs.CSE),確定管道沿線的最小保護電位。參考中石油西氣東輸管道公司基于大量腐蝕檢查片的電位測試數據,制定了企業(yè)標準QSY SQ 276-2020,并對沿線管道地鐵腐蝕風險進行了評估。標準QSY SQ 276-2020規(guī)定:(1) 當電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%,電位正于保護準則+50 mV的時間不應超過測試時間的2%,電位正于保護準則+100 mV的時間不應超過測試時間的0.9%時,管道腐蝕風險等級為“低”,腐蝕速率小于0.01 mm·a-1;(2) 當電位正于保護準則的時間超過測試時間的20%,或電位正于保護準則+50 mV的時間超過測試時間的15%,或電位正于保護準則+100 mV的時間超過測試時間的8%時,管道腐蝕風險等級為“高”,腐蝕速率大于0.1 mm·a-1;(3) 當電位分布介于“低”和“高”管道腐蝕風險等級之間的電位限值時,管道腐蝕風險為“中”,腐蝕速率為0.01～0.1 mm·a-1。當管道腐蝕風險為“中”或“高”時應采取干擾防護措施。

2 結果與討論

2.1 管道陰極保護電位狀況與干擾風險評估

受地鐵雜散電流干擾影響,管道電位呈周期性波動,地鐵運行期間管道電位波動大,地鐵停運期間管道電位相對穩(wěn)定。如圖4所示,受地鐵雜散電流干擾影響,SZHB109處管道電位呈周期性波動,管道斷電電位存在長時間不滿足最小陰極保護電位要求的情況,夜間管道電位波動可能與臨近地鐵檢修基站檢修通電有關。由表3可見:管道受到地鐵雜散電流干擾,管道通斷電電位出現(xiàn)波動,通電電位最大波動范圍為7.59～-9.90 V,斷電電位最大波動范圍為0.84～-1.75 V;1～3號CP站區(qū)間多處管段的管道腐蝕風險等級為“中”或“高”,受地鐵雜散電流干擾影響,該區(qū)段管道腐蝕風險較高,需采取防護措施;3～4號CP站區(qū)間管段腐蝕風險小,僅1處管道腐蝕風險等級為“中”,宜調整該區(qū)段陰極保護輸出,以確保管道腐蝕防護安全。

表3 管道沿線26個測試樁處的土壤電阻率、24 h電位分布統(tǒng)計及干擾風險評估結果

圖4 SZHB109測試樁處管道通斷電電位24 h監(jiān)測結果

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn),1～3號CP站區(qū)間管段路由周圍存在2條地鐵線路(14號線和21號線),其中,SZHA109、SZHA131測試樁處管道距離地鐵14號線最近(約5 km),SZHB160測試樁處管道距離地鐵21號線最近(約5 km)。由圖5可見,管道主要受地鐵14號線、21號線兩個干擾源影響,管道距地鐵線路間距越大,管道干擾電位波動越小;受陰極保護站陰極保護作用,其附近管道電位波動較小;管道腐蝕風險評定結果顯示,在陰極保護站附近區(qū)域的管道,其腐蝕風險等級為“低”,遠離陰極保護站的管道腐蝕風險增大,腐蝕等級升高為“中”或“高”,陰極保護系統(tǒng)保護管道范圍有限,需增設干擾防護措施。

圖5 管道沿線通電電位分布與腐蝕風險評估結果

2.2 管道饋電測試結果

為確保管道陰極保護有效,分別對首站至2號CP站管段及2～3號CP站管段進行饋電測試。采用cortalk-Udl2 Data Logger型數據記錄儀分別對各區(qū)間管段測試樁處的試片進行了通斷電電位采集,并基于QSY SQ 276-2020干擾評定辦法與饋電前同時刻管道保護狀況進行了防護效果對比。

2.2.1 1～2號CP站管段的饋電試驗結果

如圖6所示,當1號CP站以-1 500 mV恒電位運行時,2號CP站恒電位設置越負,沿線電位正于保護電位準則的比例稍有下降;當1號和2號CP站均以-2 250 mV恒電位運行時,沿線管段電位仍不滿足QSY SQ 276-2020保護準則要求,通過調節(jié)現(xiàn)有陰保站運行方式實現(xiàn)全管段陰極保護有效是困難的。在調節(jié)1號、2號CP站運行參數后,SZHA0087～KP0031段管道電位不滿足陰保準則要求,兩端管道SZHA0087與KP0031處的保護電位均正于中間位置管道KP0029,可考慮在2號、3號閥室位置新增陰極保護站進行干擾防護。管道距陰極保護站越近,陰極保護電流越大,干擾防護效果越好,但可能存在電位過負導致管道涂層陰極剝離的風險。測試樁KP0029距2號閥室約3 km,斷電電位正于陰保準則的比例約為5.25%;為減小涂層剝離風險,優(yōu)先考慮在3號閥室位置饋電,并在2號閥室補充饋電的防護辦法。由圖7可見,在閥室處新增CP站后在連續(xù)饋電測試下管道斷電電位分布監(jiān)測結果。在3號閥室4 A饋電時,SZHA087、KP0021處管道電位正于保護電位準則比例達11.6%、6.7%,增大3號閥室饋電電流正于保護電位準則比例下降有限;在2號閥室補充2 A饋電時,SZHA087處管道電位正于保護電位比例達約7.6%,接近保護準則要求。此時,1號～2號CP站管段的其余管段電位均滿足保護準則要求,管道腐蝕風險等級見表4。

表4 在2號閥室饋電2 A情況下管道干擾風險評估結果

圖6 饋電測試中管道沿線斷電電位正于標準保護電位的比例 (14號線干擾)

圖7 饋電測試中不同位置管道斷電電位的監(jiān)測結果(14號線干擾)

2.2.2 2～3號CP站管段的饋電試驗結果

受地鐵21號線干擾影響,2～3號CP站管段電位波動大,保護電位長時間正于管道陰極保護準則。為此,對該管段進行了饋電測試,結果如圖8所示。在閥室處新增CP站后進行饋電測試,管道電位分布監(jiān)測結果見圖9。調節(jié)2號、3號CP站運行參數后,SZHB077+1～SZHB176+32測試樁管段電位正于保護電位準則的比例均大于標準要求,SZHB125測試樁處的最大值約為35.4%;在5號閥室饋電2 A、4 A情況下,SZHB020～SZHB109測試樁管段電位均滿足陰保準則要求,5號閥室饋電對SZHB125測試樁處的干擾緩解有限,表現(xiàn)為正于保護電位的比例變化小;在6號閥室饋電1,2,4 A情況下,SZHB148～SZHC055-1+105測試樁管段電位均滿足陰保準則要求,SZHB125測試樁管段電位正于保護電位的比例由約22%降低至12%。在6號閥室饋電4 A情況下,管道腐蝕風險等級見表5。

表5 在6號閥室饋電4 A情況下管道干擾風險評估結果

圖8 饋電測試中管道沿線斷電電位正于標準保護電位的比例(21號線干擾)

圖9 饋電測試中不同位置管道斷電電位監(jiān)測結果(21號線干擾)

結合兩段管道饋電測試結果,在2號、3號、5號、6號閥室處新增陰極保護站,調整1～2號CP站恒電位-2 250 mV運行,管道全線基本滿足標準QSY SQ 276-2020的干擾防護要求。考慮SZHB125測試樁干擾較大,且位于5號與6號閥室之間,為兩饋電電流最遠端,饋電防護效果相對較差,可考慮在該位置增設鎂陽極施以單向導通裝置連接進行保護。

3 結論

(1) 通過現(xiàn)場土壤電阻率測試確定了管道最小保護電位,基于企業(yè)標準QSY SQ 276-2020和長時間的管道通斷電電位監(jiān)檢測結果,對沿線管道地鐵腐蝕風險進行了評估。在當前狀態(tài)下,1～3號CP站管段在地鐵雜散電流干擾下的腐蝕風險高,需采取干擾防護措施。

(2) 采用優(yōu)化陰極保護站輸出及現(xiàn)場連續(xù)饋電的測試方法,獲得了初步的干擾防護措施,即在1號和2號CP站恒電位-2 250 mV運行+3號閥室恒電流4 A運行+2號閥室恒電流2 A運行的情況下,1～2號CP站管段電位滿足保護準則要求;在2號和3號CP站恒電位-1 750 mV運行+5號閥室恒電流2 A運行+6號閥室恒電流4 A的情況下,2～3號CP站管段除SZHB125測試樁處管道電位不達標外,其余管段電位均滿足保護準則要求,可考慮在SZHB125測試樁處增設鎂陽極施以單向導通裝置連接進行保護。