直流杂散电流对埋地管道的电腐蚀规律及排流措施.pdf

完整性管理李栋：直流杂散电流对埋地管道的电腐蚀规律及排流措施油气田地面工程 https:/直流杂散电流对埋地管道的电腐蚀规律及排流措施李栋大庆油田有限责任公司第六采油厂监督管理中心摘要：随着工业化进程的不断发展，轨道交通对埋地管道的直流杂散电流干扰愈发严重。为降低杂散电流引发的电腐蚀问题，在监测埋地管道沿线电位的基础上，分析干扰规律、干扰频率、干扰源位置对管道的影响，考察电流流入和流出的规律，并测试不同排流措施效果。结果表明：干扰规律与轨道的运营状态保持一致，干扰频率与发车时间间隔保持一致；距离干扰源越近，电位正向偏移的时间比例越大，腐蚀趋势远大于其余管段；同一位置不同时段可能互为电流流入、流出段，电流流动方向和规律随时间动态变化；排流措施中强制排流的效果最好，其次为极性排流和接地排流，阴极保护的效果较差；通过多重联合防护，除与轨道交通最近的管段外，其余管段均达到了良好的保护效果，腐蚀速率大幅降低，可减少管道更换和泄漏放空量。关键词：直流；杂散电流；腐蚀；轨道交通；排流措施Electrical Corrosion Law of DC Stray Current on Buried Pipelines and Discharge MeasuresLI DongSupervision and Management Center of No.6 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Co.，Ltd.Abstract：With the continuous development of industrialization，the interference of DC stray currenton buried pipelines by rail transit has become increasingly severe.In order to reduce the electrical corro-sion problem caused by stray current，based on the monitoring of potential along the buried pipeline，the influence of interference law，interference frequency，and interference source location on the pipe-line is analyzed，the current inflow and outflow law is investigated，and the effects of different dis-charge measures are tested.The results show that the interference law is consistent with the operatingstate of the rail transit，and the interference frequency is consistent with the departure time interval.Thecloser the distance to the interference source，the larger the time proportion of positive potential devia-tion，the corrosion trend is much larger than that of other pipe segments.Different time periods at thesame position may be current inflow and outflow segments，and the current flow direction and lawchange dynamically with time.Forced discharge has the best effect，followed by polar discharge andground discharge，while cathodic protection has a poor effect.Through multiple joint protection，exceptfor the pipe segment closest to rail transit，the other pipe segments have achieved good protection effect，the corrosion rate is greatly reduced，and the pipeline replacement and leakage cavitation are reduced.Keywords：DC；stray current；corrosion；rail transit；discharge measures随着工业化进程的不断加速，我国油气管道里程不断攀升，截至2022年年底，已达到18104km；同时，我国城市电气化的铁路、电车、轨道交通等也已累积超过 6 000 km，且建设速度越来越快，逐渐从一线城市向三四线城市发展1-2。在直流牵引系统和油气管道选线的过程中，因工农矛盾、土地限制、城市规划等问题，两者不可避免地发生共用廊带现象。通常直流牵引系统中的走行轨不可能完全绝缘，大概有 5%的电流会泄漏至土壤形成杂散电流，流入临近破损的埋地管道，一旦发生腐蚀破裂，将会导致严重的事故后果。据统计资料表明，1 A 的泄漏电流每年可腐蚀 9.13 kg的铁，北京、上DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.02.01268第 43卷第 2期（2024-02）油气田地面工程 https:/完整性管理海、天津的地铁均发生过钢筋或钢管侵蚀的现象3-4；东北地区的埋地油气管道中有 80%的腐蚀来自于杂散电流5。因此，考察轨道交通直流杂散电流对埋地管道的电化学腐蚀规律，对于提高管道完整性管理水平、制定针对性的排流措施极为重要。受轨道交通车辆状况、埋地管道与车辆距离、直流牵引电流大小等因素的影响，管道上电流流入和流出的方向和位置会不断发生改变，形成动态杂散电流，这就对其检测和监测造成了难度6-7。考虑到腐蚀速率与腐蚀电流密度呈正比，腐蚀电流密度又与管地电位相关，因此采用 UDL-2 型数据记录仪记录电位数据，在埋地管道不同位置管地电位动态监测的基础上，分析杂散电流的流入、流出规律，可为管道排流方案的制定提供实际参考。1基本情况及测试方法管道全长 130.5 km，管径为 508 mm10 mm，管材 L360N，输送介质为净化天然气，采用 3PE 防腐层和外加电流阴极保护的方式联合保护管道。管道与轨道交通线的相对位置见图 1，干扰源与管道最近的位置为 12#测试桩，直线距离 5 km。图 1管道与轨道交通线相对位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the relative positionof pipelines and rail transit lines参照 GB/T 212462020埋地管道阴极保护参数测量方法 的相关方法测试通电电位、断电电位、自然电位等参数，测试前应保证阴极保护系统运行正常，管道充分极化；测试时需确保饱和硫酸铜参比电极位于管道上方，与潮湿土壤接触良好。2结果与分析2.1杂散电流干扰规律和干扰频率以 12#测试桩为例，监测结果见图 2。干扰主要集中在（6:3023:00）期间，而夜间停运（23:006:30）期间的干扰较弱，通电电位处于稳定的自然电位，干扰规律与轨道的运营状态保持一致。对其中的一个时间段放大处理（图 3）。每间隔 10 min，通电电位出现较大的干扰峰值；大周期是由数个小周期组成，小周期内存在通电电位的上升、下降或平稳运行。大周期与发车时间间隔保持一致，小周期可能与馈电线提供电流的稳定程度有关。由此可见，该埋地管道受轨道交通杂散电流的影响较大。图 212#测试桩通电电位监测结果Fig.2 Monitoring results of electric potential on 12#Test Pile图 3局部电位放大图（2022年 10月 11日）Fig.3 Enlarged view of local potential（2022-10-11）2.2干扰源位置分析分别在阴极保护系统开启和关闭的条件下，测试沿线电位，确定电位波动情况（图 4）。随着与干扰源距离的增加，电位波动不断减小，说明越靠近干扰源，管道受杂散电流的影响越大。为进一步研究干扰源附近管段是否存在较高的腐蚀风险，参照澳大利亚标准 AS 2832.12015 中的要求，分别测试了 9#14#测试桩的断电电位正于保护准则的时间比例，见图 5。距离干扰源越近，因杂散电流引起的电位正向偏移时间越长，腐蚀趋势远大于其余管段；远离 12#测试桩的 9#测试桩，其正于保护准则的时间比例为 10.21%，也远超标69完整性管理李栋：直流杂散电流对埋地管道的电腐蚀规律及排流措施油气田地面工程 https:/准中规定的 5%，说明此干扰源的影响范围较大。图 4电位波动情况Fig.4 Potential fluctuation situation图 5不同测试桩电位正于保护准则的时间比例Fig.5 Proportion of time when the potential of different test pilesis positive to the protection criterion2.3杂散电流流入、流出规律在管道沿线测试桩放置多台数据记录仪，连续24 h 同步监测，其中 4#、7#、8#、11#测试桩为同一时段测试，12#、13#、16#、18#、20#测试桩为同一时段测试，见图 6、图 7。由图 6 可知，在 b 和 c 时段，11#测试桩的电位偏正，说明此处杂散电流从防腐层破损点流出，存在腐蚀风险；4#、7#、8#测试桩的电位偏负，说明此处杂散电流从防腐层破损点流入，存在阴极剥离和氢脆风险；在 b时段，11#图 611#及其上游测试桩的通电电位（2022年 12月 20日）Fig.6 Electric potential of 11#and its upstream test pile（2022-12-20）测试桩的电位偏负，说明有杂散电流流入；4#、7#、8#测试桩的电位偏正，说明有杂散电流流出。4#、7#、8#与 11#测试桩的变化趋势相反，两者互为杂散电流的流入、流出点。同理，由图 7可知，16#、18#、20#与 12#、13#测试桩的变化趋势相反，两者同样互为杂散电流的流入、流出点。在 11#和 13#测试桩附近存在电流流入、流出的分界点。图 712#及其下游测试桩的通电电位（2022年 12月 25日）Fig.7 Electric potential of 12#and its downstream test piles（2022-12-25）3排流防护措施研究对于动态直流杂散电流，可以结合干扰源和管道方共同实施防护措施。对于干扰源，可以采取降低走行轨对地电阻、增加牵引变电所数量、减少供电范围、增加走行轨附近土壤电阻率等方式，从源头上降低杂散电流对管道的影响；对于管道方，除增加管道与走行轨之间的距离、增加管道防腐层电阻外，可采用排流保护方式降低杂散电流对管道的影响。GB 509912014埋地钢制管道直流干扰防护技术标准 中规定了直流排流、极性排流、强制排流和接地排流等四种排流方式8-9，其中直流排流只适用于管地电位大于铁轨对地电位的情况，当变电所负荷发生改变，管地电位小于铁轨对地电位时，会发生逆流，增大管道腐蚀风险，因此该排流方式的应用越来越少，在此只采用其余三种排流方式，并结合阴极保护系统恒电位仪的输出对管道进行防护。3.1极性排流根据检测结果，在电位波动最大的 12#测试桩处安装半导式极性排流器，测试上游 10#和 5#测试桩 的 管 道 电 位（图 8）。10#测 试 桩 的 通 电 电 位由-2.40.5 V 控制到-1.10.4 V，5#测试桩的通电电70第 43卷第 2期（2024-02）油气田地面工程 https:/完整性管理位由-2.00.7 V 控制到-1.50.6 V；随着距离的增加，排流效果逐渐降低，且排流器对负向电位的影响远大于正向电位。3.2强制排流在干扰最严重的 11#13#测试桩附近安装临时抗干扰恒电位仪，进行强制排流实验，对上游 10#测试桩和 5#测试桩测试其效果（图 9）。受杂散电流的影响，强制排流点应选在干扰源的主要流入区域附 近。10#测 试 桩 的 通 电 电 位 由-2.30.5 V 控 制到-1.1-0.8 V，5#测试桩的通电电位由-1.90.3 V控制到-1.1-0.6 V，随着距离的增加，排流效果减缓较慢，说明在合理设置排流点时，强制排流可保护的范围较大。3.3接地排流在管道沿线临时安设 15 处牺牲阳极用于接地排流，效果见图 10。排流前，位于 11 的排流点通电电位波动最大，该点与 12#测试桩的距离较近，受杂散电流的干扰较大；排流后，不同排流点的通电电位均有所下降，但由于排流驱动电压较低，排流效果不明显。此外，负向电位有所正移，正向电位变化不明显，6、12、14 号排流点的正向电位较排流前更大，说明这些部位的欠保护情况更加严重，也反映了接地排流容易造成管地电位的分布不均匀。3.4阴极保护1#测试桩距离首站最近，初始首站恒电位仪的原始状态为恒电位模式，设定电位-1.2 V，在动态杂散电流干扰下几乎无电流输出。为增大阴极保护系统的效果，将其转化为恒电流模式，设定电源输出电流为 2 A。调整后，输出电压为 50 V，输出电流为 1.5 A，此时已达到恒电位的最大输出电压，调整前后的效果见表 1。调整后虽然通电电位和断电电位的波动范围有所减小，均值电位有所下降，但根据 AS 2832.12015 中的相关要求，断电电位正于保护准则的比例变化不大，1#测试桩附近始终表 1恒电位仪调整前后 1#测试桩的电位情况Tab.1 Potential situation of 1#Test Pile before and afteradjustment of the potentiostat电位通电电位断电电位恒电位/V最正0.65-0.12最负-1.55-1.11平均-0.76-0.71恒电流/A最正0.21-0.54最负-1.21-1.25平均-0.81-0.86图 8极性排流效果Fig.8 Polarity drainage effect图 9强制排流效果Fig.9 Forced drainage effect71完整性管理李栋：直流杂散电流对埋地管道的电腐蚀规律及排流措施油气田地面工程 https:/处于欠保护状态，进而推断管道全线均处于欠保护状态，说明单纯调整阴极保护系统的电流输出，其防护效果有限10。4多重防护效果分析综合上述研究，强制排流的效果最好，其次为极性排流和接地排流，阴极保护的效果最差。考虑到强制排流法一般用于直流排流或极性排流无法使用的特殊电蚀场合，故联合强制排流和接地排流，并适当调整阴极保护系统的电流输出对管道进行综合治理。在 11#13#测试桩附近安装抗干扰恒电位仪，在管道沿线安设 15 处牺牲阳极地床，同时保持恒电位仪的排流额定电流余量。防护前后的效果见图 11。所有测试桩的断电电位正于保护准则的比例均有所下降，除 11#和 12#测试桩的断电电位正于-0.85 V 的比例仍大于 5%，约 10 km 的管道处于欠保护状态，其余管段均达到了良好的保护效果，说明采用多重防护对管道沿线的保护效果最好。对于 11#和 12#测试桩，建议积极联系干扰源方，实施共同防护、综合治理，以避免管道和牵引变电站之间的相互干扰。埋地管道受杂散电流腐蚀影响满足法拉第定律11-12，根据腐蚀电流密度，计算电化学反应速率，进而计算均匀腐蚀速率。防护前，不同测试桩处 的 均 匀 腐 蚀 速 率 为 1.0721.736 mm/a，远 超 过0.076 mm/a的标准要求；防护后，不同测试桩处的均匀腐蚀速率为 0.0270.056 mm/a，腐蚀速率大幅降低。以最大腐蚀速率为核算基础，每年可减少管道更换 2.5 km，按照管径 508 mm10 mm 管道每米单价 500 元计算，每年可节约费用 125 万元；减少因泄漏引发的天然气放空 50104m3/a，按照每立方米商品气价格 2 元计算，每年可节约 200 万元，合计 325万元/a。5结论（1）通过数据记录仪对埋地管道沿线的管地电位进行动态监测，其干扰规律与轨道的运营状态保持一致，干扰频率与发车时间间隔保持一致，距离干扰源越近，因杂散电流引起的电位正向偏移的时间比例越大，腐蚀趋势远大于其余管段。（2）同一位置不同时段可能互为电流流入、流出段，电流流动方向和规律随时间动态变化。图 10接地排流效果Fig.10 Grounding drainage effect图 11多重防护效果Fig.11 Multiple protection effects72第 43卷第 2期（2024-02）油气田地面工程 https:/完整性管理（3）针对多种排流措施进行了馈电实验，强制排流的效果最好，其次为极性排流和接地排流，通过多重联合防护后，大部分管段的保护效果良好，腐蚀速率大幅降低，可大量减少管道更换和泄漏放空量。参考文献1 赵书华，李晓，王树立，等埋地管道直流杂散电流腐蚀 及 防 护 的 研 究 进 展 J 材 料 保 护，2020，53（5）：123-128ZHAO Shuhua，LI Xiao，WANG Shuli，et al Researchprogress on DC stray current corrosion and protection of bur-ied pipelinesJ Material Protection，2020，53（5）：123-1282 高佳伟，尹志彪，邹健，等钢质燃气管道动态直流杂散 电 流 干 扰 的 防 护 设 计 J 腐 蚀 与 防 护，2022，43（9）：79-83，98GAO Jiawei，YIN Zhibiao，ZOU Jian，et al Protectiondesign of dynamic DC stray current interference of steel gaspipelineJ Corrosion and Protection，2022，43（9）：79-83，983 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