受地磁干擾的埋地管道腐蝕及陰極保護監測評價

侯利濤

（國家管網集團西部管道有限責任公司獨山子輸油氣分公司，新疆 獨山子 833600 ）

0 引言

地磁場由源于地球內部的穩定磁場和源于地球外部的變化磁場組成，變化磁場起源于分布在地表以上的各種空間電流體系，主要位于電離層、磁層和空間。地球內部的穩定磁場由于磁場穩定一般產生的地磁感應電流非常微弱，影響有限。然而，變化磁場的存在，特別是太陽活動引起的磁暴期會產生變化幅度較大的地磁感應電流，可能對各種人工長距離導電體造成顯著影響。國外（特別是高緯度國家，如加拿大、芬蘭等）對地磁感應電流干擾管道的現象開展了長期的觀測、理論研究與預測。根據所建立的管道地磁感應電流監測系統的記錄，當地磁場發生強烈擾動（磁暴）時，感應電場強度可以達到每公里幾伏至幾十伏，因而對地下管道產生的雜散電流干擾腐蝕就成為一個不可忽視的因素[1]。我國于2013年2月由中國工程院啟動了復雜電磁脈沖環境威脅的戰略研究科技咨詢項目，對電網和油氣管網等基礎設施的地磁暴危害進行了專題研究，獲得了地磁暴侵害西氣東輸一線和陜京二線等管道而引發管地電位波動的數據。目前關于地磁感應電流造成地下管道腐蝕穿孔或有明顯腐蝕發生的報道較少，但對其干擾影響的研究已經被很多部門所重視。

有多個指標可用來描述地磁活動。Kp指數是由全球地磁臺網中13個地磁臺站的K指數計算得到，用于表示全球地磁活動性，每3h采集一個值。Kp指數是基于3小時間隔的算術平均數。該指數是對數值，范圍從0（靜止）～9（嚴重），Kp指數超過4的活動被認為是地磁暴。隨著Kp指數增加，地磁暴發生的概率對數地減小。一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴[2]。對于管道而言，Kp指數是最有用的。

由圖1可知，地磁小擾動頻繁發生，但嚴重的地磁暴幾乎不發生。Kp6的地磁暴可能發生的幾率為2%，可產生平均100mV/km大小的地電場，其電場范圍大致是30～300mV/km。

圖1 不同Kp指數等級地磁活動的平均發生率

1 概述

西二線、西三線賽里木湖段管線自投產以來一直受到外界雜散電流干擾，管線電位波動異常，且管線保護電位未達陰極保護準則要求。以西三線102#測試樁自2014年9月～2015年3月的管線通電電位波動曲線為例，如圖2所示。可見管地電位長期處于波動狀態，且無規律，說明管道受到的外界干擾是個持續的過程。

圖2 西三線102#測試樁通電電位波動曲線

經過對新疆烏魯木齊地磁臺（地理經度：87°41′48.″E，地理緯度：43°48′56. ″N）和喀什地磁臺（地理經度：76.0°E，地理緯度：39.5°N）監測的地磁場變化（包括磁偏角、水平強度、垂直強度）調研，賽里木湖區域（地理經度：81.1°E，地理緯度：44.5°N）與地磁臺位置接近，推測地磁擾動波形應相近。地磁場受外界影響，長期處于波動狀態，同時由于賽里木湖段特殊的地理（近高緯度地區）及地質結構（土壤電阻率較大），該段管線容易受到地磁場的影響，造成管地電位一直處于波動狀態。

基于以上背景，為了進一步掌握賽里木湖管道受地磁干擾的影響程度及腐蝕風險，擬通過對被干擾區域內管道陰極保護系統、管地電位、腐蝕速率等開展連續監測，根據采集數據掌握陰極保護系統的干擾影響規律，結合腐蝕速率數據及內檢測數據評估干擾對管道本體的影響情況，給出影響程度評估。

2 陰極保護電位監測

西二線、西三線霍爾果斯至精河段管道陰極保護監測點的位置如圖3所示。

圖3 西二線和西三線賽里木湖段陰極保護監測點位置圖

圖4為西三線管道沿線4個監測點2021年5月的電位監測結果，可以看出，4個監測點的管道通電電位和斷電電位均存在持續不規則波動，波動趨勢一致，但均未呈現出明顯的隨時間變化的周期性特點，也無明顯的靜息期。在特定時間段內，4個監測點的管道電位波動幅度同時增大，如圖中紅框所示5月12日～13日的監測結果，表明地磁干擾在這段時間內有所增強。經查詢空間環境預報中心網站，5月12日20:00～5月13日02:00這段時間內發生Kp=7的大地磁暴事件，因此，管道受到的地磁干擾相較于其他時間明顯增強。

圖4 2021年5月12日大地磁暴時管段沿線智能測試樁電位-時間分布圖及大磁暴事件-空間環境預報中心

3 陰極保護效果評估

3.1 評估方法

針對大地電流對埋地管道造成的干擾影響，本報告將借助空間環境預報中心網站發布的地磁暴等級信息，根據地磁暴等級分類進行陰保效果評估。評估時將計算一段時間（以代表性的整月監測數據為例）內每個智能電位測試樁的通電電位、斷電電位的平均值、最大值、最小值，根據以上數據評估陰極保護的有效性。

3.2 大地磁暴

在2021年5月份數據監測期間內，發現5月12日20:00～5月13日02:00這段時間內干擾顯著增強，Kp等級達到7級，與空間環境預報中心網站發布的“2021年5月12日發生大磁暴”事件一致，如圖5所示。

圖5 2021年5月12日大地磁暴時管段沿線智能測試樁電位-時間分布圖及大磁暴事件-空間環境預報中心

西二線智能電位測試樁干擾監測情況：

在2021.05.01～2021.05.31數據監測期間內，KP77-KP103管段監測到明顯的地磁干擾現象，表現為所有監測點的通電電位均存在不規則波動，而且所有監測點的通電電位波動趨勢具有相似性。由于管道埋設的土壤為典型的戈壁干燥環境，水含量低，氧含量高，因此各監測點的試片難以維持穩定的極化效果，使得斷電電位表現為對電流響應較快的頻繁波動特點，如圖6所示。

圖6 西二線KP7 7-KP103管段斷電電位-里程分布圖

西三線智能電位測試樁干擾監測情況：

西三線KP77-KP103管段的地質情況與西二線KP77-KP103管段相同，在2021.05.01～2021.05.31數據監測期間內，從試片表面測得的直流電流密度來看，K P 7 7-K P 1 0 3 管段各監測點在2021.05.01～2021.05.31期間大多數時刻以流入電流為主，僅在極少數的個別時間點電流流出試片。因此整體來講，該管段在地磁干擾情況下，保護電位仍可滿足陰極保護電位準則要求。具體來講，在2021年5月12日，KP77-KP103管段受地磁干擾的強度最大，其中監測點KP79的電位波動最大，最正通/斷電電位為3.040V/-0.309V，斷電電位不滿足最小保護電位要求；最負通/斷電電位為-4.104V/-1.322V，斷電電位負于限值臨界電位，如圖7所示。

圖7 西三線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

3.3 中小地磁暴

在2021年9月數據監測期間內，空間環境預報中心網站發布的地磁暴等級為5，為中小地磁暴，相較于5月12日的大地磁暴干擾來看，管道電位及直流電流密度波動大小明顯較小，基本保持穩定，并且平均斷電電位滿足陰極保護電位準則要求，即在-0.75～-1.2V之間，如圖8、圖9所示。

圖8 2021年9月地磁暴強度表-空間環境預報中心

圖9 西二線KP77智能測試樁2021年5月與9月電位時間對比圖

西二線智能電位測試樁干擾監測情況：

在2021.09.01～2021.09.30數據監測期間內，對西二線KP77-KP103管段監測點的電位分布做統計分析，從圖10可知，除無數據或數據異常監測點外：

圖10 西二線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

西三線智能電位測試樁干擾監測情況：

在2021.09.01～2021.09.30數據監測期間內，對西三線KP77-KP103管段監測點的電位分布做統計分析，從圖11可知，除無數據或數據異常監測點外：

圖11 西三線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

4 地磁干擾分析

4.1 評估標準地磁干擾評價準則的確定

國內外提到關于地電流干擾評價的標準主要有澳大利亞標準AS 2832.1-2015[3]和國際標準ISO 21857-2021[4]。

西二線和西三線賽里木湖管段受到明顯的地電流干擾，管道電位存在持續頻繁的正向和負向波動，表明陽極干擾和陰極干擾密集交替。對比澳大利亞AS 2832.1-2015和國際標準ISO 21857-2021的地電流干擾評價準則后，本項目擬采取以下準則進行干擾評價：

（1）結合地磁暴強度信息查詢結果，利用“干擾電位正于標準規定保護電位（Ep）的時間占比不超過5%”確定干擾是否可以接受；

（2）腐蝕速率低于0.01mm/y。

4.2 地磁干擾的規律分析

空間環境預報中心給出的2020-2021年全年地磁暴等級如表1和圖12所示，Kp=7的大地磁暴1次，Kp=6的中小地磁暴5次、Kp=5的中小地磁暴45次、而Kp≤4的輕度地磁擾動每天都在發生，每個月的日最大電位差正好是地磁暴等級較大的時候。其中，2021年5月12日地磁暴等級達到2年來最高，為Kp=7，持續時長6h，僅占一年總時長的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴持續時長占一年總時長的0.07%～0.14%；Kp=5的中小地磁暴持續時長占一年總時長的0.51%～1.02%；Kp≤4的輕度地磁擾動持續時長占一年總時長的98.77%-99.42%，如表1所示。可見，全年Kp≥5的地磁暴干擾總時長占比并不高，絕大部分時間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾，應不會造成管體發生腐蝕/氫脆或者防腐層剝離。

表1 地磁暴等級占比時間-2 020～2021年

圖12 2020-2021年地磁暴等級統計-空間環境預報中心

4.3 地磁干擾腐蝕分析

本項目綜合利用失重試片法、 ER腐蝕速率探頭法、內檢測對比分析法三種腐蝕速率檢測方法對西二線和西三線賽里木湖受地磁干擾管段的腐蝕風險進行評價。

截止目前，在西二線KP87測試樁處通過ER腐蝕速率探頭測得試片腐蝕速率為0.00042mm/y，在西二線KP97測試樁處通過ER腐蝕速率探頭測得試片腐蝕速率為0.0044mm/y，均小于0.01mm/y。這表明，在當前的地磁干擾強度下，西二線現有陰極保護水平可有效降低地磁干擾導致的腐蝕風險，這與2015年的現場調研測試得到的結論一致。

以下通過西二線和西三線的內檢測缺陷數據對地磁干擾段的腐蝕風險進行分析。西二線霍爾果斯-精河段分別在2012年、2015年和2019年進行了三輪漏磁內檢測，該檢測區間內的金屬損失缺陷分布對比如圖13所示，由圖可知，在受到地磁干擾的大約里程70～100km管段內檢出的外部金屬損失缺陷數量顯著減少。地磁干擾管段在2012年、2015年和2019年三輪漏磁內檢測中檢出的外部金屬損失缺陷總數量分別為17個、59個和34個，其中深度大于10%的數量分別為1個（14%wt，里程：90446.4m）、1個（10%wt，里程：93426.45m）和8個（最深為22%wt，里程：93406.152m）。

圖13 西二線三輪漏磁內檢測外部金屬損失缺陷的里程對齊結果圖

西三線霍爾果斯-精河段分別在2015年和2018年進行了兩輪漏磁內檢測，該檢測區間內的金屬損失缺陷分布對比如圖14所示，由圖可知，在受到地磁干擾的大約里程70～100km管段內檢出的外部金屬損失缺陷數量顯著減少。地磁干擾管段在2015年和2018年兩輪漏磁內檢測中檢出的外部金屬損失缺陷總數量均為3個，所有缺陷深度均小于10%。

圖14 西三線兩輪漏磁內檢測外部金屬損失缺陷的里程對齊結果圖

不同內檢測工具存在性能和精度差異，其檢出缺陷的位置、數量和尺寸均有差異，相互間難以比較。因此，可以采用全壽命的方法來預測腐蝕缺陷的增長速率，獲取最深腐蝕缺陷的腐蝕增長率和全部腐蝕缺陷的平均增長率。全壽命腐蝕增長速率應用如下公式計算：

式中，GRc表示腐蝕增長速率，mm/y；d2表示最近一次檢測的腐蝕深度，mm；d1表示上一次檢測的腐蝕深度，mm；T2表示最近一次檢測的時間，y；T1表示上一次檢測的時間，如果沒有，表示管道投產的時間，y。

根據全壽命腐蝕增長速率計算可知：西二線在賽里木湖地磁干擾段的外部金屬損失的平均增長速率為0.1757mm/y。該腐蝕速率遠大于利用ER探頭測得的腐蝕速率值。考慮到內檢測檢出的外部金屬損失可能屬于穩定缺陷，而且檢測精度一般為10%wt，因此基于內檢測結果的全壽命腐蝕增長速率值具有相當的保守性。

西三線兩輪內檢測缺陷對比結果表明，在地磁干擾段的3個檢出外部金屬損失缺陷均為穩定缺陷，深度未發生變化。而根據全壽命腐蝕增長速率計算得到平均增長速率同樣為0.176mm/y。

5 結語

（1）根據歷史數據統計發現，全年大地磁暴干擾（Kp≥7）次數極少，僅有1次，持續時長僅占全年時間的0.07%，而絕大部分時間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾；

（2）當發生大地磁暴時，即Kp≥7，管道受地磁干擾嚴重，管道電位將發生較大波動，西二線最正通/斷電電位達到3.191V/-0.209V（KP97），最負通/斷電電位達到-5.619V/-1.284V（KP97）；西三線最正通/斷電電位達到3.040V/-0.309V（KP79），最負通/斷電電位達到-4.104V/-1.322V（KP79），斷電電位均不滿足陰極保護電位準則要求；

（3）當發生中小磁暴時，即Kp≤6，管道受地磁干擾程度相較于大地磁暴時明顯減小，西二線和西三線KP77-KP103管段沿線智能電位測試樁的平均斷電電位能保持在-0.75～-1.2V之間，滿足陰極保護電位準則要求；

（4）當發生Kp≥7的大地磁暴事件時，西二線和西三線KP77-KP103管段部分監測點的斷電電位相對保護準則正向偏移所對應的時間比例超出了標準要求的5%的限值；當發生Kp≤6的中小地磁暴事件時，西二線和西三線KP77-KP103管段所有監測點的斷電電位相對保護準則正向偏移所對應的時間比例低于標準要求的5%的限值，表明管道受干擾程度可接受；

（5）同一時間段內，西二線和西三線KP77-KP103管段沿線所有監測點的電位波動方向同步—電位正向偏移，電流流出管道；電位負向偏移，電流流入管道。因此，該管段上并不存在明顯區分的電流流入段或流出段；

（6）在西二線KP87和KP97測試樁處通過ER腐蝕速率探頭測得試片腐蝕速率均遠小于0.01mm/y，表明在當前的地磁干擾強度下，西二線現有陰極保護水平可有效降低地磁干擾導致的腐蝕風險。基于內檢測結果得到西二線地磁干擾段的外部金屬損失的平均增長速率為0.1757mm/y，遠大于利用ER探頭測得的腐蝕速率值。考慮到內檢測檢出的外部金屬損失可能屬于穩定缺陷，而且檢測精度一般為10%wt，因此全壽命腐蝕增長速率值具有相當的保守性；

（7）西三線兩輪內檢測缺陷對比結果表明，在地磁干擾段的3個檢出外部金屬損失缺陷均為穩定缺陷，深度未發生變化。而根據全壽命腐蝕增長速率計算得到平均增長速率同樣為0.176mm/y，同樣具有相當的保守性。