輸油管道交流干擾檢測評價的一個案例

王 成

(國家管網集團西部管道塔里木輸油氣分公司,庫爾勒 841000)

近年來,國內多條管道上均發現了交流干擾。交流干擾來源包括電氣化鐵路、交流輸電線路等[1-3]。根據國內外報道的埋地鋼質管道交流干擾案例,交流輸電線路的干擾情況占多數,且防腐蝕層性能優異的管道,如3LPE或FBE防腐蝕層管道,受到的干擾更強烈[4]。

埋地鋼質管道的交流干擾機理主要包括磁性(電磁)干擾和阻性干擾。磁性干擾指管道與電力線路并行或交叉,由于電磁干擾的作用在管道上感應出電動勢,造成管地交流電壓升高。阻性干擾指交流接地裝置泄放故障電流時,地電位升高,令管道防腐蝕層承受較大的電壓差可能擊穿防腐蝕層,甚至對金屬管壁造成損傷。

交流輸電線路和桿塔對管道的干擾機理已有了深入的研究和明確的結論,管道的防護措施也已非常成熟[5]。而交流牽引鐵路系統對管道的干擾還欠缺深入的研究,它的干擾類型還在討論中,有人認為主要是感性干擾,而有人則認為主要是阻性干擾[6-7]。

在交流干擾的評價方面,近年來國內外都取得一些研究進展。以往的交流腐蝕評價標準及方法多采用交流電壓指標。近期,國內外新的實踐與標準逐步開始僅采用交流電流密度為評價指標,摒棄了傳統的交流電壓指標。最新出版的ISO 18086-2019《Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria》以及NACE SP 21424-2018《Alternating Current Corrosion on Cathodically Protected Pipelines:Risk Assessment Mitigation and Monitoring》都提出陰極保護電位與交流腐蝕的關聯性,過負的極化電位可能會促進交流電流密度增高,加劇管道的交流腐蝕風險。為了緩解管道的交流腐蝕風險,除了降低交流電流密度外還應注意管道的陰極保護電位不應過負。

塔里木分公司轄屬庫鄯線管道共266 km,采用3層PE防腐蝕層和外加電流陰極系統保護,管徑610 mm,壁厚7.11～11.1 mm。管道共設置了1個站場和10個閥室,共有4個陰極保護站。

庫鄯輸油管道沿線與多處交流輸電線路平行交叉,且與交流牽引鐵路長距離并行,在以往的常規檢測中存在管道交流電壓較高的現象。筆者系統介紹了庫鄯輸油管道交流干擾專項調查工作的成果。以期為解決類似干擾問題提供借鑒與助益。

1 交流干擾評價準則介紹

國標GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中有如下規定:當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時,可不采取交流干擾防護措施;高于4 V時,應采用交流電流密度進行評估。管道受交流干擾的程度可按表1規定進行判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標Tab. 1 Evaluation indicators for the degree of communication interference

當交流干擾程度判定為“強”時,應采取交流干擾防護措施;判定為“中”時,宜采取交流干擾防護措施;判定為“弱”時,可不采取交流干擾防護措施。

ISO 18086-2019 標準中關于交流干擾的要求如下:陰極保護系統的設計、安裝、維護應確保交流電壓水平不會引起交流腐蝕。具體要求如下:首先交流電壓應該降低到15 V以下。該電壓數值為某時間段內測量值的平均值;其次,為了有效控制交流腐蝕,要滿足15589-1:2015表1中的陰極保護電位要求,且在1 cm2試片或探針上測量得到的有代表性時間段內(如24 h)的平均交流電流密度低于30 A/m2,若交流電流密度大于30 A/m2,在1 cm2試片或探針上測量得到的有代表性時間段內的平均直流電流密度低于應1 A/m2,或在代表性時間段內交流電流密度與直流電流密度之比低于5。

SY/T 0087.6-2021《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準 第6部分:埋地鋼質管道交流干擾腐蝕評價》對于交流腐蝕評價的指標規定如下:管道的交流腐蝕評價宜采用腐蝕速率評價指標,也可采用交直流綜合評價指標。腐蝕速率宜按照表2指標進行評價,在滿足管道陰極保護電位準則的前提下,可接受的腐蝕速率指標應為“低”。采用交直流綜合指標評價時,應符合表3要求。一般來說,在高土壤電阻率(>100Ω·m)、高溫(>40℃)和硫酸鹽還原菌(SRB)等特殊環境中,宜采用腐蝕速率指標。

表2 基于腐蝕速率的交流腐蝕等級評價指標Tab. 2 AC corrosion level evaluation index based on corrosion rate

表3 交直流綜合評價指標Tab. 3 Comprehensive evaluation indicators for AC and DC

GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準則》對于可接受的干擾水平規定與SY/T 0087.6-2021標準一致:即首先管道平均交流電壓應降低至15 V以下,其次為了實現有效的交流腐蝕緩解,要符合ISO15589-1標準中陰極保護電位要求,且滿足平均交流電流密度低于30 A/m2,或在平均直流電流密度低于1 A/m2或極化電位正于-1.15 V(相對于銅硫酸銅參比電極,CSE,文中電位若無特指均相對于CSE),且極化電位負于-0.90 VCSE時,平均交流電流密度大于等于30 A/m2,且小于100 A/m2這兩項條件中的任意一項。

2 結果與討論

2.1 陰極保護有效性

庫鄯線沿線有4套陰極保護系統,分別位于庫爾勒原油站、4號閥室、馬蘭中間站、1號陰極保護站,如圖1所示。

圖1 庫鄯線陰極保護站的分布示意Fig. 1 Distribution diagram of cathodic protection stations on the Kushan Line

4臺恒電位儀實際輸出電流、輸出電壓、參比電位與面板顯示基本一致,恒電位儀均正常,具體參數見表4。

表4 庫鄯線沿線陰極保護系統的各項參數Tab. 4 Various parameters of cathodic protection system along the Kushan Line

2.1.1 測試樁的通電電位

在開展交流干擾的調查前,先對管道的陰極保護情況及直流干擾情況進行測試。使用萬用表和銅/飽和硫酸銅參比電極對管道的通電電位進行普測,測量5 min內的最大值、最小值及平均值。

由圖2可見:管道的通電電位為-1.506～-0.950 V,大部分測試樁處的通電電位波動幅度小于200 mV。

圖2 庫鄯線部分區域的通電電位測試結果Fig. 2 Test results of electrification potential in some areas of the Kushan Line

2.1.2 直流干擾情況

根據通電電位的普測結果,選取通電電位波動大于200 mV和疑似存在直流干擾的位置進行直流干擾詳細測試(管道72 h通/斷電電位監測),具體過程如下:

(1) 首先將極化試片或測試探頭埋在管道附近,試片的面積為6.5 cm2,試片安裝于管道中心線以下,距離管道100～300 mm,將試片與管道用電纜相連,并充分極化(24 h);

(2) 試片充分極化后,在管道與試片的中間安裝數據記錄儀,見圖3;

圖3 干擾測試接線圖Fig. 3 Wiring diagram for interference testing

(3)通斷周期的設置為通電10s,斷電1s;

(4) 萬用表和數據記錄儀直流通道的正極連接極化試片,萬用表和數據記錄儀直流通道的負極連接參比電極;交流通道一端連接管道,另外一端連接參比電極。若萬用表和數據記錄儀數據一致,則可摘除萬用表。

(5) 數據記錄儀的采集為1 s采集1個數據。

對35號～249號管段56個測試樁進行直流雜散電流干擾詳細檢測。由圖4可見:36號測試樁處電位出現頻繁的正負向波動,斷電電位隨著通電電位向正、負向波動。231號測試樁處通電電位為-1.231～-0.899 V,斷電電位為-1.196～-0.966 V,通電電位的波動較小,斷電電位均負于-0.85 V,直流雜散電流干擾程度較小。

(a) 36號測試樁

(b) 231號測試樁圖4 庫鄯線部分測試樁處的72 h的通斷電電位監測結果Fig. 4 72 hour on/off potential monitoring results at some test piles along the Kushan Line

由圖5可見:庫鄯線的通電電位為-2.111～-0.193 V,斷電電位皆負于-0.85 V。依據國家標準GB 50991-2014,管道均處于有效保護狀態。

(a) 通電電位

(b) 斷電電位圖5 庫鄯線的72 h電位監測結果Fig. 5 72 hour potential monitoring results of Kushan Line

2.2 交流干擾情況

2.2.1 交流干擾源

現場調查發現,庫鄯線共與27條輸電線路交叉并行,與輸電線路交叉26次,與1條電氣化鐵路交叉并行,與電氣化鐵路交叉1次。

2.2.2 交流干擾普查結果

用萬用表采用地表參比法測量管道每個測試樁處的交流感應電壓,記錄5 min內的最大、最小及平均值。

由圖6可見:管道交流電壓為0～15.5V,其中36～180號和238～250號測試樁處的交流干擾電壓高于4 V。管段在遭受干擾時,交流電壓波動較大,對以上管段及附近有交流干擾源的管道進行進一步的交流干擾專項檢測。

圖6 庫鄯線的交流電壓普查結果Fig. 6 Survey results of AC voltage on the Kushan Line

2.2.3 交流干擾詳測結果

根據普查結果,對35～197號和230～249號測試樁位置管段進行交流雜散電流干擾專項檢測。檢測內容包括:72 h的交流干擾電壓和交流電流密度。

由圖7可見:測試管段的交流電壓為0～71.9 V,8處位置的交流電壓高于33 V,36處交流電壓大于15 V,管道的最大交流電流密度達到705.60 A/m2,其中有2處位置的交流電流密度平均值大于100 A/m2,分別是150號和234號測試樁處,參考標準GB/T 50698-2011,交流干擾程度評價為“強”,應采取交流干擾防護措施;其中有19處交流電流密度的平均值為30～100 A/m2,交流干擾程度評價為“中”,宜采取交流干擾防護措施;其余41處電流密度平均值小于30 A/m2,交流干擾程度評價為“弱”。交流電壓高于33 V的管段主要為138～152號測試樁。

(a) 交流電壓

(b) 交流電流密度圖7 庫鄯線部分測試樁處的交流電壓及交流電流密度測試結果Fig. 7 Test results of AC voltage (a) and AC current density (b) at some test piles along the Kushan Line

由圖8可見:管道的交流電壓和交流電流密度不斷波動,部分時間點,交流電壓和交流電流密度會有明顯的上升,然后再下降,判斷為電氣化鐵路造成的干擾,在鐵路上有列出經過時,交流電壓和交流電流密度迅速上升,列車經過后,管道交流電壓和交流電流密度又降低到較小水平。

圖8 庫鄯線36#測試樁管道交流電壓和交流電流密度72 h監測結果(2020年)Fig. 8 72 hour monitoring results of AC voltage and AC current density of the 36# test pile pipeline on the Kushan Line (2020 year)

本次檢測評價的庫鄯線輸油管道共約有70 km管道與電氣化鐵路并行,該段管道受到由交流牽引鐵路引起的強烈的交流干擾。基于國內外現有的交流干擾評價標準,該管道的交流干擾電壓和交流電流密度都較大,具有較高的交流腐蝕風險。然而,目前現有的交流干擾評價標準都是基于較穩定的交流干擾而研究和制訂的,對于交流牽引鐵路造成的沖擊式干擾,現有標準的適用性存在問題。這可能是未來交流干擾和交流腐蝕研究方面的一個重點方向。

3 結論

(1) 本次檢測的庫鄯線管段的陰極保護處于有效狀態,管段受到電氣化鐵路造成的動態交流雜散電流干擾,管道的交流電壓為0～71.9 V,8處交流電壓高于33 V,36處交流電壓大于15 V,管道的最大交流電流密度達到705.60 A/m2,其中有2處交流電流密度平均值大于100 A/m2,交流干擾程度評價為“強”;有19處交流電流密度的平均值為30～100 A/m2,交流干擾程度評價為“中”。

(2) 電氣化鐵路對管道造成的交流干擾為沖擊式干擾,當列車臨近時干擾增大,列車遠離后干擾逐步降低。

(3) 目前,國內外的關于交流干擾的評價指標均建立在穩態交流干擾的基礎上,對于庫鄯線這種由電氣化鐵路引起的沖擊式干擾,目前尚無成熟的

評價方法;在未來可以通過埋設交流腐蝕試片或對管道外防腐層破損點進行開挖驗證,核實管道發生交流腐蝕的嚴重程度。

(4) 建議業界開展電氣化鐵路對管道的干擾影響及對管道造成的腐蝕影響研究。