城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)直流雜散電流檢測(cè)與防護(hù)措施研究

盧俊文 王肖逸 周璐璐 湛立寧 陳 敏

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院 唐山 063000）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率的不斷提高及燃?xì)馊〈喝剂系捻?xiàng)目普及，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿罃?shù)量快速增長(zhǎng)，截至2019年全國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)長(zhǎng)度已達(dá)78.3 萬(wàn)km，且主次干線均為埋地鋼制管道，隨著管道服役時(shí)間的增長(zhǎng)，其腐蝕問(wèn)題是影響管道安全運(yùn)行的主要因素[1]。由于電氣化鐵路等公共設(shè)施均遵循路權(quán)優(yōu)先設(shè)計(jì)原則，導(dǎo)致埋地管道與電氣化鐵路等雜散電流干擾源距離較近[2]，干擾源產(chǎn)生的雜散電流優(yōu)先從管道某部位流入管道。如果管道外防腐層破損，雜散電流將從破損處流回到土壤中，管道破損點(diǎn)作為陽(yáng)極失電子被腐蝕，統(tǒng)稱為雜散電流腐蝕，埋地金屬管道腐蝕泄漏事故的50%以上是由雜散電流造成的。動(dòng)態(tài)直流雜散電流是3 種形態(tài)雜散電流（交流、直流、地電流）之一，主要來(lái)自直流電氣化鐵路[3]。本文通過(guò)對(duì)某燃?xì)夤境擎?zhèn)燃?xì)夤艿赖臋z驗(yàn)，分析了動(dòng)態(tài)直流雜散電流的檢測(cè)方法及有效防腐措施。

1 雜散電流腐蝕機(jī)理

動(dòng)態(tài)雜散電流是來(lái)自其他動(dòng)態(tài)電流設(shè)備的干擾電流，如直流電氣鐵路泄漏到土壤中的雜散電流。鐵路變電所將電流輸送到供電網(wǎng)上，列車在運(yùn)行時(shí)通過(guò)受電弓與供電網(wǎng)接觸，將電流傳送到列車的用電系統(tǒng)，最后通過(guò)車輪流到鐵軌并傳回鐵路變電所，在電流傳輸過(guò)程中，支撐軌道的枕木與大地?zé)o法做到徹底絕緣，導(dǎo)致電流泄漏到土壤中形成雜散電流[4]。

當(dāng)軌道附近有金屬管道并行或交叉時(shí)，雜散電流勢(shì)必通過(guò)某一個(gè)低電阻部位流入埋地金屬管道，在其中傳播一定距離后從防腐層破損點(diǎn)流出，流出部位形成電化學(xué)反應(yīng)的陽(yáng)極失去電子被腐蝕，而土壤是一種特殊電解質(zhì)，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程遵循法拉第定律[5]，見(jiàn)式（1）：

式中：

m——消耗金屬質(zhì)量，g；

K—— — 消耗金屬化學(xué)當(dāng)量，g／（A·h)， 鐵取1.047 g／（A·h)；

I—— —反應(yīng)電流強(qiáng)度，A；

t—— —電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，h。

按式（1）計(jì)算：在1 年時(shí)間內(nèi)，雜散電流為1 A 時(shí)，即有9.17 kg 鐵金屬發(fā)生反應(yīng)被腐蝕掉，實(shí)際情況是干擾電流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1 A。如圖1 所示為直流電氣化鐵路對(duì)埋地管道腐蝕示意圖。

圖1 直流電氣化鐵路對(duì)管道腐蝕示意圖

2 雜散電流的檢測(cè)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 雜散電流檢測(cè)方法

●2.1.1 土壤表面電位梯度測(cè)量

電位梯度法是檢測(cè)雜散電流的一種簡(jiǎn)單方法，采用A、B、C、D 4 只便攜式硫酸銅參比電極，2 個(gè)測(cè)量電極之間的距離為100 m，其中A、B 電極連線垂直于被測(cè)管道，C、D 電極連線平行于被測(cè)管道，用電壓表測(cè)量A 與B 電極間、C 與D 電極間的電位差。A、B 連線與C、D 連線組成直角坐標(biāo)系，計(jì)算出被測(cè)2 個(gè)電極之間電壓與距離比值，標(biāo)注出直角坐標(biāo)系中2個(gè)方向的電位梯度，其矢量和數(shù)值即為該點(diǎn)的地電位梯度[5]，如圖2 所示為土壤表面電位梯度測(cè)量方法。

圖2 土壤表面電位梯度測(cè)量方法

●2.1.2 管地電位正向偏移測(cè)試

在埋地管道的測(cè)試樁附近插入硫酸銅參比電極，采用近參比法測(cè)量，使參比電極盡量靠近埋地金屬管道，電壓表一端連接參比電極，另一端通過(guò)測(cè)試樁連接待測(cè)管道，所測(cè)數(shù)值表示管道與參比電極的相對(duì)電位差。由于參比電極存在自然本體電位，再用直流電壓表連接參比電極與自然腐蝕試片，即可測(cè)出參比電極的自然本體電位，相對(duì)電位差再加上參比電極的自然電位，即可得出管道的自然電位偏移量?；蛘吲R時(shí)斷開管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)，測(cè)量的管地電位與管道本身的自然腐蝕電位比對(duì)，也可得出管地電位偏移值。也可以在測(cè)試回路中串接1 個(gè)電位數(shù)字記錄儀，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)管地電位的變化情況，如圖3 所示為管地電位正向偏移測(cè)試圖。

圖3 管地電位正向偏移測(cè)試圖

2.2 雜散電流評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)埋地金屬管道中有直流雜散電流通過(guò)時(shí)，管地電位偏移最小值應(yīng)大于20 mV，或土壤電位梯度最小值大于0.5 mV／m；當(dāng)干擾電流程度達(dá)到必須采取排流措施時(shí)，管地電位正向偏移最小值＞100 mV，或者土壤電位梯度最小值＞2.5 mV／m[5]，動(dòng)態(tài)直流干擾判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)態(tài)直流干擾判斷標(biāo)準(zhǔn)

3 雜散電流腐蝕防護(hù)措施

3.1 排流保護(hù)

●3.1.1 接地排流法

接地排流法是增加1 個(gè)埋地輔助陽(yáng)極，排流電纜直接和輔助陽(yáng)極連接，將雜散電流排入接地輔助陽(yáng)極，然后再排向大地，防止了埋地管道本身作為陽(yáng)極的腐蝕，電流疏散后自然流回到鐵軌上，避免了其他與鐵軌直接相連的排流方法對(duì)鐵軌的腐蝕和鐵路信號(hào)的干擾，在國(guó)內(nèi)是一種常見(jiàn)的排流方式，如圖4 所示為接地排流法結(jié)構(gòu)圖。

圖4 接地排流法結(jié)構(gòu)圖

●3.1.2 直接排流法

直接排流法是將埋地金屬管道直接與鐵軌或負(fù)回歸線連接，直接將管道中的直流雜散電流排向鐵路干擾源，在國(guó)外是一種常用的排流方法。在排流回路中串聯(lián)可調(diào)電阻等控制元件來(lái)控制排流量的大小，預(yù)防排流量過(guò)大導(dǎo)致管道防腐層老化剝離[6]。只有在管道對(duì)地電位高于鐵軌對(duì)地電位時(shí)才能采用直排法，否則將導(dǎo)致干擾電流再次由鐵軌流向低電位的管道中。另外，直排法和鐵路干擾源直接連接，必須征得鐵路部門同意才能采用，實(shí)行難度較大。

●3.1.3 極性排流法

極性排流法是當(dāng)管道電位低于干擾源電位，防止采用直接排流法產(chǎn)生逆流現(xiàn)象，加裝1 個(gè)極性排流裝置，只允許雜散電流單向流動(dòng)。當(dāng)電氣化鐵軌與管道之間電位差有波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，不影響排流的正常進(jìn)行；在實(shí)施排流操作中，極性排流裝置中的二極管正向?qū)щ娦詷O好，只產(chǎn)生可以忽略不計(jì)的逆向電流，對(duì)埋地管道沒(méi)有二次干擾現(xiàn)象；當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常電流時(shí)極性排流裝置可以自動(dòng)切斷，排除了異常電流損壞設(shè)備或再次干擾管道的可能性，可以適用于干擾源波動(dòng)較大的復(fù)雜環(huán)境。

●3.1.4 強(qiáng)制排流法

強(qiáng)制排流法就是在埋地管道與鐵軌之間，或與接地陽(yáng)極之間安裝1 個(gè)整流器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，當(dāng)管道與電流接收端有電位差的條件下強(qiáng)制排流，如果接收端為犧牲陽(yáng)極，就可以和陰極保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)合使用。為了達(dá)到更好的排流效果，也可以引入智能化陰極保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)智能測(cè)試樁自動(dòng)測(cè)試管地電位數(shù)據(jù)，并上傳到控制終端，控制軟件對(duì)數(shù)據(jù)比對(duì)后，向管道與接地極之間的整流器發(fā)出指令，自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償電流的大小，將管地電位控制在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，可達(dá)到智能化強(qiáng)制排流目的[6]。

3.2 增加回路電阻

通過(guò)增加回路電阻，加大雜散電流進(jìn)入埋地管道的難度也是一種保護(hù)方式[7]?？梢栽诼竦毓艿郎习惭b絕緣法蘭，將管道分成若干段，每段可以單獨(dú)排流和監(jiān)控，加大管道內(nèi)電阻，減緩雜散電流在管道中的流動(dòng)。經(jīng)常檢查管道外防腐層狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)破損點(diǎn)及時(shí)修復(fù)，減少雜散電流進(jìn)入管道的突破點(diǎn)，從而阻斷或減小雜散電流對(duì)管道干擾程度。當(dāng)管道在運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)法增設(shè)排流裝置時(shí)，例如道路下方的穿越段管道，在管道建設(shè)初期應(yīng)將此段管道設(shè)計(jì)為3 層加強(qiáng)級(jí)防腐，并在穿越道路的進(jìn)口和出口加裝電絕緣裝置，阻止雜散電流進(jìn)入道路下方的穿越段，并在穿越段管道兩端埋設(shè)輔助陽(yáng)極，在管道和接地輔助陽(yáng)極之間加裝極性排流器，從而阻斷雜散電流的回流再次對(duì)管道造成腐蝕。

3.3 陰極保護(hù)

犧牲陽(yáng)極保護(hù)在為管道提供保護(hù)電流的同時(shí)，也可以起到排流作用[8]，同時(shí)在排流接地極與管道之間串聯(lián)1 個(gè)極性排流器，可以阻止雜散電流再流回管道[9]。當(dāng)陰極保護(hù)采用強(qiáng)制外加電流方式時(shí)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)直流雜散電流隨著列車的開停，干擾源電流波動(dòng)較大，造成管道的管地電位長(zhǎng)期處于變化狀態(tài)，而恒電位儀的輸出電流大小不能隨時(shí)變化，此時(shí)應(yīng)采用智能化陰極保護(hù)裝置，自動(dòng)測(cè)試埋地管道的斷電電位和自然腐蝕電位，通過(guò)控制終端軟件的數(shù)據(jù)比對(duì)，來(lái)判斷每個(gè)測(cè)試樁的陰極保護(hù)狀態(tài)，并優(yōu)化每個(gè)被保護(hù)段所需電流數(shù)值，傳送給遠(yuǎn)程控制的恒電位儀，來(lái)調(diào)節(jié)保護(hù)電流輸出值。

4 雜散電流檢測(cè)與防腐措施的應(yīng)用

唐山某燃?xì)夤疽欢?9 km 長(zhǎng)的埋地燃?xì)夤艿溃渲?.5 km 長(zhǎng)的管段與電氣化鐵路伴行，最近點(diǎn)與鐵軌相距50 m。管道設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa、材質(zhì)為L(zhǎng)290M，規(guī)格為φ323.9 mm×7.1 mm，鋪設(shè)時(shí)采用了外加電流陰極保護(hù)措施，并設(shè)置了部分絕緣接頭。在管道定期檢驗(yàn)時(shí)對(duì)其進(jìn)行了雜散電流檢測(cè)，首先對(duì)4.5 km 伴行段管道進(jìn)行了雜散電流普查，對(duì)10 處土壤表面電位梯度進(jìn)行了檢測(cè)，其最大值為3.5 mV／m，完成了6 處管地電位的檢測(cè)，管道電位波動(dòng)值大于200 mV，說(shuō)明雜散電流干擾較強(qiáng)，應(yīng)采取排流保護(hù)措施。然后選擇距離鐵軌最近的0152 號(hào)測(cè)試樁及相鄰的0151 號(hào)與0153 號(hào)進(jìn)行了重點(diǎn)檢測(cè)，采用圖3 所示的管地電位測(cè)試方法，在測(cè)試回路中串接1 個(gè)電位數(shù)字記錄儀，經(jīng)24 h 連續(xù)檢測(cè)，結(jié)果0152 號(hào)測(cè)試樁管地電位波動(dòng)最大，波動(dòng)范圍為-1.3 ～1.2 V，0153 號(hào)管地電位波動(dòng)最小，3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)管地電位正向偏移算數(shù)平均值V1（+)=0.9 V。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采用了接地排流法，排流點(diǎn)在0151 與0152 測(cè)試樁之間距0152 樁130 m 處，并在接地鎂陽(yáng)極和管道之間串接了極性排流器，然后又進(jìn)行了24 h 監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管地電位明顯穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為-1.4 ～-0.9 V，管地電位正向偏移算數(shù)平均值V2（＋)=0.1 V，排流前后的電位平均值比ηv＞80%，滿足了GB／T 19285—2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》中規(guī)定的直流排流評(píng)價(jià)效果，如圖5 所示為排流前后某時(shí)間段管地電位變化曲線。

圖5 排流前后某時(shí)間段管地電位變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

1）埋地城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖慕饘俑g大部分是雜散電流引起的，尤其是動(dòng)態(tài)雜散電流是腐蝕主要因素，通過(guò)測(cè)量土壤表面電位梯度、管地電位正向偏移值可以判斷干擾電流強(qiáng)度，制定相應(yīng)防護(hù)措施可以消除雜散電流腐蝕。

2）為阻止或減弱雜散電流對(duì)埋地金屬管道的腐蝕，一般采取合理的排流保護(hù)、安裝陰極保護(hù)設(shè)施、增加回路電阻等措施，包括安裝電絕緣接頭、加強(qiáng)防腐等級(jí)、及時(shí)修復(fù)破損點(diǎn)及對(duì)穿越段管道加強(qiáng)特殊處理等。

3）通過(guò)對(duì)某燃?xì)夤韭竦爻擎?zhèn)燃?xì)夤艿赖臋z測(cè)，發(fā)現(xiàn)土壤表面電位梯度最大值為3.5 mV／m，超出了直流干擾強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采取犧牲陽(yáng)極加極性排流器的方法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)24 h 監(jiān)測(cè)，排流前后管地電位正向偏移平均值比ηv＞80%，達(dá)到了直流排流評(píng)價(jià)效果。