直流雜散電流對埋地管道的電腐蝕規(guī)律及排流措施

李棟

大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠監(jiān)督管理中心

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，我國油氣管道里程不斷攀升，截至2022年年底，已達(dá)到18×104km；同時，我國城市電氣化的鐵路、電車、軌道交通等也已累積超過6 000 km，且建設(shè)速度越來越快，逐漸從一線城市向三四線城市發(fā)展[1-2]。在直流牽引系統(tǒng)和油氣管道選線的過程中，因工農(nóng)矛盾、土地限制、城市規(guī)劃等問題，兩者不可避免地發(fā)生共用廊帶現(xiàn)象。通常直流牽引系統(tǒng)中的走行軌不可能完全絕緣，大概有5%的電流會泄漏至土壤形成雜散電流，流入臨近破損的埋地管道，一旦發(fā)生腐蝕破裂，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故后果。據(jù)統(tǒng)計資料表明，1 A 的泄漏電流每年可腐蝕9.13 kg 的鐵，北京、上海、天津的地鐵均發(fā)生過鋼筋或鋼管侵蝕的現(xiàn)象[3-4]；東北地區(qū)的埋地油氣管道中有80%的腐蝕來自于雜散電流[5]。因此，考察軌道交通直流雜散電流對埋地管道的電化學(xué)腐蝕規(guī)律，對于提高管道完整性管理水平、制定針對性的排流措施極為重要。

受軌道交通車輛狀況、埋地管道與車輛距離、直流牽引電流大小等因素的影響，管道上電流流入和流出的方向和位置會不斷發(fā)生改變，形成動態(tài)雜散電流，這就對其檢測和監(jiān)測造成了難度[6-7]。考慮到腐蝕速率與腐蝕電流密度呈正比，腐蝕電流密度又與管地電位相關(guān)，因此采用UDL-2 型數(shù)據(jù)記錄儀記錄電位數(shù)據(jù)，在埋地管道不同位置管地電位動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，分析雜散電流的流入、流出規(guī)律，可為管道排流方案的制定提供實際參考。

1 基本情況及測試方法

管道全長130.5 km，管徑為508 mm×10 mm，管材L360N，輸送介質(zhì)為凈化天然氣，采用3PE 防腐層和外加電流陰極保護(hù)的方式聯(lián)合保護(hù)管道。管道與軌道交通線的相對位置見圖1，干擾源與管道最近的位置為12#測試樁，直線距離5 km。

圖1 管道與軌道交通線相對位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relative position of pipelines and rail transit lines

參照GB/T 21246—2020《埋地管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》的相關(guān)方法測試通電電位、斷電電位、自然電位等參數(shù)，測試前應(yīng)保證陰極保護(hù)系統(tǒng)運行正常，管道充分極化；測試時需確保飽和硫酸銅參比電極位于管道上方，與潮濕土壤接觸良好。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜散電流干擾規(guī)律和干擾頻率

以12#測試樁為例，監(jiān)測結(jié)果見圖2。干擾主要集中在（6:30～23:00）期間，而夜間停運（23:00～6:30）期間的干擾較弱，通電電位處于穩(wěn)定的自然電位，干擾規(guī)律與軌道的運營狀態(tài)保持一致。對其中的一個時間段放大處理（圖3）。每間隔10 min，通電電位出現(xiàn)較大的干擾峰值；大周期是由數(shù)個小周期組成，小周期內(nèi)存在通電電位的上升、下降或平穩(wěn)運行。大周期與發(fā)車時間間隔保持一致，小周期可能與饋電線提供電流的穩(wěn)定程度有關(guān)。由此可見，該埋地管道受軌道交通雜散電流的影響較大。

圖2 12#測試樁通電電位監(jiān)測結(jié)果Fig.2 Monitoring results of electric potential on 12#Test Pile

圖3 局部電位放大圖（2022年10月11日）Fig.3 Enlarged view of local potential（2022-10-11）

2.2 干擾源位置分析

分別在陰極保護(hù)系統(tǒng)開啟和關(guān)閉的條件下，測試沿線電位，確定電位波動情況（圖4）。隨著與干擾源距離的增加，電位波動不斷減小，說明越靠近干擾源，管道受雜散電流的影響越大。

圖4 電位波動情況Fig.4 Potential fluctuation situation

為進(jìn)一步研究干擾源附近管段是否存在較高的腐蝕風(fēng)險，參照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1—2015 中的要求，分別測試了9#～14#測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時間比例，見圖5。距離干擾源越近，因雜散電流引起的電位正向偏移時間越長，腐蝕趨勢遠(yuǎn)大于其余管段；遠(yuǎn)離12#測試樁的9#測試樁，其正于保護(hù)準(zhǔn)則的時間比例為10.21%，也遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5%，說明此干擾源的影響范圍較大。

圖5 不同測試樁電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時間比例Fig.5 Proportion of time when the potential of different test piles is positive to the protection criterion

2.3 雜散電流流入、流出規(guī)律

在管道沿線測試樁放置多臺數(shù)據(jù)記錄儀，連續(xù)24 h 同步監(jiān)測，其中4#、7#、8#、11#測試樁為同一時段測試，12#、13#、16#、18#、20#測試樁為同一時段測試，見圖6、圖7。由圖6 可知，在b 和c 時段，11#測試樁的電位偏正，說明此處雜散電流從防腐層破損點流出，存在腐蝕風(fēng)險；4#、7#、8#測試樁的電位偏負(fù)，說明此處雜散電流從防腐層破損點流入，存在陰極剝離和氫脆風(fēng)險；在b時段，11#測試樁的電位偏負(fù)，說明有雜散電流流入；4#、7#、8#測試樁的電位偏正，說明有雜散電流流出。4#、7#、8#與11#測試樁的變化趨勢相反，兩者互為雜散電流的流入、流出點。

圖6 11#及其上游測試樁的通電電位（2022年12月20日）Fig.6 Electric potential of 11#and its upstream test pile（2022-12-20）

圖7 12#及其下游測試樁的通電電位（2022年12月25日）Fig.7 Electric potential of 12#and its downstream test piles（2022-12-25）

同理，由圖7可知，16#、18#、20#與12#、13#測試樁的變化趨勢相反，兩者同樣互為雜散電流的流入、流出點。在11#和13#測試樁附近存在電流流入、流出的分界點。

3 排流防護(hù)措施研究

對于動態(tài)直流雜散電流，可以結(jié)合干擾源和管道方共同實施防護(hù)措施。對于干擾源，可以采取降低走行軌對地電阻、增加牽引變電所數(shù)量、減少供電范圍、增加走行軌附近土壤電阻率等方式，從源頭上降低雜散電流對管道的影響；對于管道方，除增加管道與走行軌之間的距離、增加管道防腐層電阻外，可采用排流保護(hù)方式降低雜散電流對管道的影響。

GB 50991—2014《埋地鋼制管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了直流排流、極性排流、強制排流和接地排流等四種排流方式[8-9]，其中直流排流只適用于管地電位大于鐵軌對地電位的情況，當(dāng)變電所負(fù)荷發(fā)生改變，管地電位小于鐵軌對地電位時，會發(fā)生逆流，增大管道腐蝕風(fēng)險，因此該排流方式的應(yīng)用越來越少，在此只采用其余三種排流方式，并結(jié)合陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀的輸出對管道進(jìn)行防護(hù)。

3.1 極性排流

根據(jù)檢測結(jié)果，在電位波動最大的12#測試樁處安裝半導(dǎo)式極性排流器，測試上游10#和5#測試樁的管道電位（圖8）。10#測試樁的通電電位由-2.4～0.5 V 控制到-1.1～0.4 V，5#測試樁的通電電位由-2.0～0.7 V 控制到-1.5～0.6 V；隨著距離的增加，排流效果逐漸降低，且排流器對負(fù)向電位的影響遠(yuǎn)大于正向電位。

圖8 極性排流效果Fig.8 Polarity drainage effect

3.2 強制排流

在干擾最嚴(yán)重的11#～13#測試樁附近安裝臨時抗干擾恒電位儀，進(jìn)行強制排流實驗，對上游10#測試樁和5#測試樁測試其效果（圖9）。受雜散電流的影響，強制排流點應(yīng)選在干擾源的主要流入?yún)^(qū)域附近。10#測試樁的通電電位由-2.3～0.5 V 控制到-1.1～-0.8 V，5#測試樁的通電電位由-1.9～0.3 V控制到-1.1～-0.6 V，隨著距離的增加，排流效果減緩較慢，說明在合理設(shè)置排流點時，強制排流可保護(hù)的范圍較大。

圖9 強制排流效果Fig.9 Forced drainage effect

3.3 接地排流

在管道沿線臨時安設(shè)15 處犧牲陽極用于接地排流，效果見圖10。排流前，位于11 的排流點通電電位波動最大，該點與12#測試樁的距離較近，受雜散電流的干擾較大；排流后，不同排流點的通電電位均有所下降，但由于排流驅(qū)動電壓較低，排流效果不明顯。此外，負(fù)向電位有所正移，正向電位變化不明顯，6、12、14 號排流點的正向電位較排流前更大，說明這些部位的欠保護(hù)情況更加嚴(yán)重，也反映了接地排流容易造成管地電位的分布不均勻。

圖10 接地排流效果Fig.10 Grounding drainage effect

3.4 陰極保護(hù)

1#測試樁距離首站最近，初始首站恒電位儀的原始狀態(tài)為恒電位模式，設(shè)定電位-1.2 V，在動態(tài)雜散電流干擾下幾乎無電流輸出。為增大陰極保護(hù)系統(tǒng)的效果，將其轉(zhuǎn)化為恒電流模式，設(shè)定電源輸出電流為2 A。調(diào)整后，輸出電壓為50 V，輸出電流為1.5 A，此時已達(dá)到恒電位的最大輸出電壓，調(diào)整前后的效果見表1。調(diào)整后雖然通電電位和斷電電位的波動范圍有所減小，均值電位有所下降，但根據(jù)AS 2832.1—2015 中的相關(guān)要求，斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例變化不大，1#測試樁附近始終處于欠保護(hù)狀態(tài)，進(jìn)而推斷管道全線均處于欠保護(hù)狀態(tài)，說明單純調(diào)整陰極保護(hù)系統(tǒng)的電流輸出，其防護(hù)效果有限[10]。

表1 恒電位儀調(diào)整前后1#測試樁的電位情況Tab.1 Potential situation of 1#Test Pile before and after adjustment of the potentiostat

4 多重防護(hù)效果分析

綜合上述研究，強制排流的效果最好，其次為極性排流和接地排流，陰極保護(hù)的效果最差。考慮到強制排流法一般用于直流排流或極性排流無法使用的特殊電蝕場合，故聯(lián)合強制排流和接地排流，并適當(dāng)調(diào)整陰極保護(hù)系統(tǒng)的電流輸出對管道進(jìn)行綜合治理。在11#～13#測試樁附近安裝抗干擾恒電位儀，在管道沿線安設(shè)15 處犧牲陽極地床，同時保持恒電位儀的排流額定電流余量。防護(hù)前后的效果見圖11。所有測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例均有所下降，除11#和12#測試樁的斷電電位正于-0.85 V 的比例仍大于5%，約10 km 的管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，其余管段均達(dá)到了良好的保護(hù)效果，說明采用多重防護(hù)對管道沿線的保護(hù)效果最好。對于11#和12#測試樁，建議積極聯(lián)系干擾源方，實施共同防護(hù)、綜合治理，以避免管道和牽引變電站之間的相互干擾。

圖11 多重防護(hù)效果Fig.11 Multiple protection effects

埋地管道受雜散電流腐蝕影響滿足法拉第定律[11-12]，根據(jù)腐蝕電流密度，計算電化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而計算均勻腐蝕速率。防護(hù)前，不同測試樁處的均勻腐蝕速率為1.072～1.736 mm/a，遠(yuǎn)超過0.076 mm/a 的標(biāo)準(zhǔn)要求；防護(hù)后，不同測試樁處的均勻腐蝕速率為0.027～0.056 mm/a，腐蝕速率大幅降低。以最大腐蝕速率為核算基礎(chǔ)，每年可減少管道更換2.5 km，按照管徑508 mm×10 mm 管道每米單價500 元計算，每年可節(jié)約費用125 萬元；減少因泄漏引發(fā)的天然氣放空50×104m3/a，按照每立方米商品氣價格2 元計算，每年可節(jié)約200 萬元，合計325萬元/a。

5 結(jié)論

（1）通過數(shù)據(jù)記錄儀對埋地管道沿線的管地電位進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，其干擾規(guī)律與軌道的運營狀態(tài)保持一致，干擾頻率與發(fā)車時間間隔保持一致，距離干擾源越近，因雜散電流引起的電位正向偏移的時間比例越大，腐蝕趨勢遠(yuǎn)大于其余管段。

（2）同一位置不同時段可能互為電流流入、流出段，電流流動方向和規(guī)律隨時間動態(tài)變化。

（3）針對多種排流措施進(jìn)行了饋電實驗，強制排流的效果最好，其次為極性排流和接地排流，通過多重聯(lián)合防護(hù)后，大部分管段的保護(hù)效果良好，腐蝕速率大幅降低，可大量減少管道更換和泄漏放空量。