交流杂散电流对埋地钢质管道阴极保护电位的影响.pdf

22 Pipeline Technique and Equipment 2023 年 第 4 期收稿日期:2022-05-11交流杂散电流对埋地钢质管道阴极保护电位的影响贺小刚1,杨 广2,花云龙2(1.北京市特种设备检验检测研究院,北京 100029;2.中特检管道工程(北京)有限公司,北京 100029)摘要:为了明确交流杂散电流干扰对油气管道阴极保护电位的影响,通过设计的 2 套实验装置和恒电流极化法,分别研究了受有效电流密度为 30、100、250 A/m2的交流干扰,阴极保护电流密度分别为-0.17、-0.25、-0.62、-2.26 A/m2时(对应电位约为-0.75、-0.95、-1.1、-1.2 V)的 X70 钢油气管道阴极保护电位变化情况。结果表明,交流杂散电流干扰下,阴极保护电位一般会正向偏移,但在阴极保护电位较正时,也可能发生负向偏移。可见,存在交流杂散电流干扰时,油气管道阴极保护电位会发生变化,从而影响阴极保护效果。关键词:阴极保护;埋地钢质管道;交流杂散电流中图分类号:TE8 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0022-05Effect of AC Stray Current on Cathodic Protection Potentialof Buried Steel PipelinesHE Xiaogang1,YANG Guang2,HUA Yunlong2(1.Beijing Special Equipment Inspection and Testing Research Institute,Beijing 100029,China;2.China Special Inspection Pipeline Engineering(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing 100029,China)Abstract:In order to clarify the effect of AC stray current interference on the cathodic protection potential of oil and gas pipelines,through designing two experimental devices and the constant current polarization method,the changes in the cathodic protection potential of X70 oil and gas pipelines suffered by AC interference with effective current densities of 30,100,250 A/m2 when the cathodic protection current density is-0.17,-0.25,-0.62,-2.26 A/m2 respectively(corresponding potential is about-0.75,-0.95,-1.1,-1.2 V).The results show that under the interference of AC stray current,the cathodic protection poten-tial generally shifts in a positive direction,but when the cathodic protection potential is relatively positive,a negative shift may also occur.It can be seen that under the condition of AC stray current interference,the cathodic protection potential of oil and gas pipelines will change,which will affect the cathodic protection effect.Keywords:cathodic protection;buried steel pipeline;AC stray current0 引言阴极保护(CP)是埋地钢质管道广泛采用的一种成熟腐蚀防护技术1。国内外的相关标准都以管地电极电位作为 CP 系统是否有效的判断依据2。强制电流的 CP 方法是油气管道主要采用的方法,恒电位仪提供直流 CP 电流,保护电流从阳极辅助地床流出,经土壤、管道流回恒电位仪,电流在管道的防腐层破损处流进管道而达到保护目的。恒电位仪依据预先埋设的长效参比电极测得的电极电位调整输出电流,以实现即使防腐层质量、阳极地床接地电阻或环境土壤变化等因素使 CP 电流环路电阻产生变化,也能使管地电极电位稳定在适当水平。当管道附近存在交流机动车辆或交流高压电力线等交流电流干扰源时,在管道上可能产生交流杂散电流干扰,进而改变管道干扰处的 CP 电位。但是受干扰电位的变化方向及幅度的研究结论并不统一。文献3-5表明,CP 电位相对较正,交流杂散电流会使电位向负的方向偏移,较负时6,交流杂散 第 4 期贺小刚等:交流杂散电流对埋地钢质管道阴极保护电位的影响23 电流会使电位向正的方向偏移。但也有研究发现交流电流密度小于 30 A/m2的交流干扰不影响 CP 的真实 电 位 测 量7,甚 至 交 流 干 扰 电 压 使-0.85 -1.15 V(相对 CSE)CP 电位都发生负向偏移8。文献6 研究发现不大于 30 A/m2交流电流干扰使-0.84 V(相对 SCE)CP 电位稍微正移,50150 A/m2交流干扰使-0.84 V(相对 SCE)CP 电位负移。研究结论的差异,可能缘于管道材质、腐蚀环境和交流干扰源的差异。X70 管线钢大量应用于国内油气管道上。西北地区存在大量的油气管道,而库尔勒土壤是该地区的典型土壤9。本文采用设计的实验装置,以恒电流极化法研究了不同强度的交流杂散电流对库尔勒土壤模拟液中 X70 管线钢不同阴极保护电位的干扰情况。研究结论可用于交流干扰下油气管道的阴极保护位有效性评判。1 实验方法实验材料为 X70 管线钢,切割成尺寸 10 mm10 mm2 mm,背面连接铜线,除 10 mm10 mm 的工作面外其余表面用环氧树脂密封。用于实验的库尔勒碱性土壤模拟液(以下简称库尔勒土壤模拟液)成分配比为:0.244 2 g/L CaCl2、3.170 7 g/L NaCl、2.527 6 g/L Na2SO4、0.669 9 g/L MgCl26H2O、0.215 6 g/L KNO3、0.146 2 g/L NaHCO3,用 NaOH 和乙酸将其 pH值调节到 9.31。实验采用的模拟电路装置如图 1 和图 2 所示,2套装置均包括直流和交流 2 个回路。图 1 装置直接使用电化学工作站测量直流恒电流情况下的阴极保护电位,由于发现直流电流较小情况下,该装置的测量结论可能存在问题,于是又设计了图 2 装置。装置中的元 件 主 要 包 括 交 流 数 字 信 号 发 生 器(HAD-1020A)、电容(470 F)、电感(10 H)、电阻(10)、辅助电极(石墨、铂片或钛网)、参比电极(饱和甘汞电极,相对 SCE)和电压表(FLUKE 289C),其中数字信号发生器用于产生交流电流,电容用于阻止交流回路对测试回路的影响及过滤交流回路中可能存在的直流成分,电阻用于测量两端电压后计算回路电流。装置 2 中,为了避免直流回路的阳极反应产物对反应溶液产生干扰,将直流回路的辅助电极放在另一个容器中后用盐桥进行电连接。图 1 交流对 CP 电位干扰的实验装置 1 示意图基于恒电位法实验 48 h 结果,选用-0.17、-0.25、-0.62、-2.26 A/m2的直流电流密度进行恒电流实验。外加有效交流电流密度取 30、100、250 A/m2的 50 Hz 交流电,不加交流干扰的为对比组。图 2 实验装置中的万用表测量直流电位,一般每天(2028 h之间)测量 1 次。实验温度为室温(2030)。本文表示的电位都转化为工程上应用的铜/饱和硫酸铜参比电极电位。图 2 交流对 CP 电位干扰的实验装置 2 示意图2 实验结果与讨论图 3 为实验装置 1 采用恒电流法测得不同交流电流密度下 CP 电位。可见,在 CP 电位为-1.1、-1.2 V左右时,CP 电位在交流电流干扰下正向偏移,且偏移量随着交流电流密度增加而变大。但是在约-0.75 V及-0.95 V 时,施加交流电流后电位先是大幅正移,之后的电位变化规律类似于库尔勒土壤模拟液中 X100管线钢自然腐蚀状态下受交流电流干扰时的腐蚀电 24 第 4 期位变化10。经核查电化学工作站的输出电流发现,-0.62、-2.26 A/m2电流密度下的直流电流在实验过程中一直保持稳定,但是-0.17、-0.25 A/m2电流密度的直流电流在外加交流电流干扰后立即下降到0 左右并正负振荡,这说明图 3 显示的并非设定直流电流下的电位,即该实验装置不能测量受交流电流干扰的小直流电流密度下的 CP 电位。(a)PC(-0.17 A/m2)+AC 电位图(b)PC(-0.25 A/m2)+AC 电位图(c)PC(-0.62 A/m2)+AC 电位图(d)PC(-2.26 A/m2)+AC 电位图图 3 实验装置 1 测得不同交流电流干扰下的 CP 电位图 4 为实验装置 2 的实验过程中交流电流干扰下的 CP 直流电极电位随时间变化情况。可见,当 CP 电位负于-0.95 V 时,交流电流干扰会使电位正向偏移,且电流密度越大,偏移量越大。当 CP 电流密度(-0.094 A/m2)较小时,无交流干扰的 CP 电位先逐渐负移到近-0.95 V,之后又正向移动到接近-0.7 V,这应与试样表面的状态相关。可能的原因是,刚施加CP 电流时,阴极电流除了主要用于氧的还原外,还有一部分用于试样表面氧化膜的还原,随着氧化膜的溶解,更多的电流用于氧的还原致使电位逐渐变负,但是表面沉淀物的产生增大了试样反应表面积,CP 电流恒定情况下,氧还原反应面积增加使电位正移以减小阴极极化电位,最终达到电流和电位的平衡。对 CP电流密度为-0.094 A/m2的试样施加交流电流后,开始电位仍然发生正向偏移,交流电流密度越大、正移量越大,但是随着各试样电位基本稳定后,30、100 A/m2的交流电流使 CP 电位相对无交流干扰时负移,500 A/m2的交流电流使 CP 电位正移。从实验结果可以看出,在相同 CP 电流密度(近似电位)下,除-0.7 V 的电位偏移有正有负外,其他 CP电位下的电极电位都正向偏移,且偏移量随着交流电流密度的增加而变大,这点上与无 CP 的情况相反;但是在相同的交流电流密度下,电极电位偏移量和 CP电位数值没有确定的相关性,说明相同交流电流密度 第 4 期贺小刚等:交流杂散电流对埋地钢质管道阴极保护电位的影响25 (a)PC(-0.094 A/m2)+AC 电位图(b)PC(-0.196 A/m2)+AC 电位图(c)PC(-0.54 A/m2)+AC 电位图(d)PC(-2.63 A/m2)+AC 电位图图 4 实验装置 2 测得不同交流电流干扰下的 CP 电位下,直流电流密度在本实验中不是电位偏移的主导性影响因素。已有研究认为自然腐蚀时杂散电流干扰引起的腐蚀电位偏移是由于电极反应的阳极极化与阴极极化阻抗的不对称性造成的。文献11研究认为有 CP 电流情况下交流电流干扰造成的电位偏移的原理与无 CP 时的相同,也是由不同极化电位区间的塔菲尔斜率不同造成的。文献12研究基于电化学基础理论,利用电极电位高频(5 000 Hz)测量及数值模拟的方法进行研究,认为在 CP 电位较正时(不负于-0.85 V),可用不同极化电位区间的塔菲尔斜率不同解释 CP 电位受杂散电流干扰时的偏移,但是 CP 电流较大时,影响 CP 电位偏移的因素包括在不同电位区间的电极反应的塔菲尔斜率不同、阴极反应的极化电位和极化电流为非线性关系以及交流电流干扰会改变塔菲尔斜率等动力学参数值。3 结论通过实验室恒电流极化测量及分析,交流杂散电流对 X70 钢油气管道在库尔勒土壤模拟液中 CP 电位影响的结论如下:(1)油气管道受交流电流干扰时,其 CP 电位会发生变化;杂散电流干扰强度越大,CP 电位偏移程度越大。(2)当 CP 电位较正时,如不负于-0.85 V,交流干扰可能使 CP 电位正向或负向偏移;当 CP 电位较负时,如负于-0.95 V,交流干扰使 CP 电位发生正向偏移。(3)交流杂散电流干扰时,CP 电位偏移的可能影响因素包括电极反应的塔菲尔斜率不同、阴极反应的极化电位和极化电流为非线性关系以及交流电流干扰下动力学参数值变化等因素。参考文献:1 黄辉,刘艳.阴极保护技术及其在埋地钢质管道中的应用J.管道技术与设备,2009(2):46-48;51.2 毕方晓,李伟华,傅寿荣,等.埋地管道阴极保护电位准则及电位测试方法J.材料保护,2014,47(4):72-75;8.3 KUANG D,CHENG Y F.Effects of alternating current inter-ference on cathodic protection potential and its effectiveness for corrosion protection of pipelinesJ.Corrosion Engineer-26 第 4 期ing,Science and Technology,2017,52(1):22-28.4 XU L Y,SU X,CHENG Y F.Effect of alternating current on cathodic protection on pipelines J.Corrosion Science,2013,66:263-268.5 WANG L 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管线钢交流杂散电流腐蚀行为及机理研究D.北京:北京工业大学,2020.作者简介:贺小刚(1978),硕士研究生,正高级工程师,主要从事压力容器和压力管道检验研究工作。E-mail:39530354 (上接第 6 页)减轻流体对管壁的冲击以及剪切作用,同时调整入口流速在合理范围,以减轻输气损耗并延长管道使用寿命。参考文献:1 韩炜.管道气液两相流动技术研究D.成都:西南石油大学,2004.2 李玉星,冯叔初.湿天然气管输瞬态模拟及调峰技术研究J.天然气工业,2000(4):86-90.3 郭揆常.凝析气管道的混相输送J.天然气工业,2002(2):79-83.4 茅俊杰.气液两相流管道冲刷腐蚀的研究D.济南:山东大学,2012.5 王豪杰.长距离输水管道气液两相流型试验研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.6 李永健.空蚀发生过程中表面形貌作用机理研究D.北京:清华大学,2008.7 李洋,曾祥国,肖雨果,等.气液两相流在油气弯管处冲刷腐蚀的数值模拟J.石油机械,2015,43(12):104-108.8 王祺来.基于 VOF 方法的起伏管段气液两相管流数值模拟研究D.北京:中国石油大学(北京),2017.9 张欣雨,谢静,宇波.起伏管道空管投油气液两相流动的数值模拟J.中国科学院大学学报,2017,34(2):265-272.10 管孝瑞,蒋秀,张玉平,等.集气站集气管道内冲刷特性的数值模拟J.腐蚀与防护,2019,40(11):831-837.11 潘雁妮.微通道内气液两相流及气泡生成与破裂行为研究D.南昌:南昌大学,2019.12 王彦骅,吴玉国,张绍川,等.型管的冲刷腐蚀数值模拟J.表面技术,2020,49(12):259-266.13 王华.管道自然补偿在制氧工厂设计中的应用J.管道技术与设备,2011(5):17-18.14 宫玉才,杨青.延迟焦化挥发线的一种新方案J.管道技术与设备,2012(4):6-8.15 孙旭,张劲军,杨森.形输流管道受力特性及结构优化J.油气储运,2016,35(1):38-42.16 王彦骅.输油管道典型管件冲蚀磨损数值模拟D.抚顺:辽宁石油化工大学,2020.17 王森,朱丽云,王振波,等.弯头间连接管长对 形管冲蚀影响的数值模拟J.油气储运,2021,40(11):1285-1292.18 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