天然氣管道受雜散電流干擾評價及規律研究

趙曉隆 包文紅 李廣印 李 捷

甘肅省特種設備檢驗檢測研究院, 甘肅 蘭州 730050

0 前言

隨著節能減排政策實施、能源結構轉型和碳達峰戰略的推進,油氣管道作為天然氣這種低碳清潔能源的主要運輸方式,在“產供儲消”環節迅猛發展,“十三五”期間中國建設油氣管道合計4.6×104km,中國天然氣管道總里程達到約1.1×105km[1-2]。近年來,中國城市化進程發展迅速,能源、電力和交通建設項目出現與埋地油氣管道臨近、并行和交叉的情況,管道會受到直流或交流雜散電流的干擾,加之管道運輸、安裝不規范導致管道防腐層出現破損點,進一步加劇了管道腐蝕,甚至出現腐蝕穿孔[3-4]。

雜散電流對埋地管道的干擾受到相關專家、學者的廣泛關注,采用現場檢驗檢測、實驗模型和數值模擬等方法對直流、交流雜散電流干擾進行了大量研究并取得了一定成果。劉杰等人[5]采用極化試片對某天然氣管道受地鐵雜散電流干擾研究,發現管道動態雜散電流干擾參數與地鐵運行時刻表相符,地鐵白天運行和夜間停運對管道的干擾波動特征明顯,并且白天運行時段具有典型周期性波動規律。相關學者通過對埋地管道通、斷電位等相關參數長周期監測,得出管道受干擾程度與地鐵距離相關關系,并研究雜散電流在管道流入、流出點特性隨時間變化規律[6-8]。楊永等人[9]基于交流雜散電流試驗研究高強鋼X100在不同腐蝕環境下的行為機理發現,塔菲爾斜率和陰極極化電位等因素是引起交流干擾陰極電位偏移的主要原因。朱敏等人[10]研究發現,增大交流電流密度會使X80鋼在不同的腐蝕溶液中鈍化膜形成緩慢且穩定性降低,溫度和交流干擾協同作用下能降低不同組織鋼的鈍化膜穩定性并導致腐蝕速率急劇增大。關于地鐵、高速鐵路雜散電流分布及管道腐蝕模型仿真技術、建模優化等數值模擬方法近年來蓬勃發展[11-13]。雜散電流干擾下管道保護電位波動及犧牲陽極參數的波動規律國內報道較多[14-17]。劉國等人[18]介紹了交流雜散電流干擾的腐蝕機理,并研究了國際上不同標準對交流雜散電流干擾腐蝕的評價,提出了更適宜的交流雜散電流檢測方法和評價條件。

本文以東部某天然氣管道受京廣鐵路、城際軌道和高壓交流輸電線路雜散電流干擾為研究,采用數據記錄儀對管道進行雜散電流普查和干擾管段24 h連續監測,分析了動態直流雜散電流的干擾程度和影響規律,研究了雜散電流在管道上的流出和流入點,并采用試片實測交流和直流電流密度，評估了交流雜散電流的危害程度。

1 現場概況及測試方法

東部某天然氣管道長130 km,防腐層為3 LPE,管道規格為Φ377×7.1 mm,管道材質為L415,采用外加電流陰極保護方式,日常巡檢發現管道受雜散電流干擾,現場干擾源調查發現該管道在里程K050附近與京廣鐵路平行敷設,管道與鐵路直線最近距離為3.1 km,平行敷設約1.2 km,里程K089和K090之間與城際軌道交叉,管道沿線多處與高壓交流輸電線路交叉和平行,管道與鐵路和城際軌道相對位置見圖1。依據GB/T 21246—2020《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》測試管道通電電位(Von)、試片斷電電位(Voff)、交流電壓和電流密度,試片埋設在測試樁附近,埋深大于0.8 m,測試時試片已充分極化。首先在干擾源高峰時段對沿線130個測試樁進行5 min干擾普查,對雜散電流干擾地段進行 24 h 連續監測?，F場檢測設備為uDL2數據記錄儀,采樣間隔為5 s,測試片材質為L415,面積為1 cm2。

圖1 東部某天然氣管道與京廣鐵路、城際軌道示意圖Fig.1 Schematic diagram of a pipeline,Beijing-Guangzhourailway and intercity rail

2 現場測試結果及討論

2.1 雜散電流普查結果及干擾程度評價

沿線130個測試樁通電電位和測試片斷電電位波動情況見圖2,通電電位的波動范圍為-3.111～0.359 V,斷電電位波動范圍為-1.878～-0.256 V,通電電位波動幅度明顯大于斷電電位波動幅度,通斷電電位均在里程K037～K065和K078～K110波動幅度相對較大。里程K050附近有京廣鐵路通過，是導致里程K037～K065電位波動的主要原因,通電電位最大波動幅度為3.250 V,里程K089和K090之間有城際軌道穿越造成干擾,是導致里程K078～K110電位波動的主要原因,最大波動幅度為3.452 V。

圖2 管道電位波動分布圖Fig.2 Distribution diagram of pipe potential fluctuation

依據GB/T 21447—2018《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》要求,東部某天然氣管道斷電電位應負于-850 mV,沿線測試瞬時斷電電位共有88處正于-850 mV,斷電電位平均值共有4處不滿足標準要求。在動態雜散電流干擾影響下,管道陰極保護評價可以參照AS 2832.1—2015 Cathodic protection of metals-Pipes and cables。防腐層良好的管道,在測量周期內,斷電電位正于保護指標-0.85 V(相對于飽和硫酸銅參比電極，CSE)的時間不能超過測量周期的5%,斷電電位正于-0.80 V(CSE)的時間不能超過測量周期的2%,斷電電位正于-0.75 V的時間不能超過測量周期的1%,斷電電位正于0的時間不能超過測量周期的0.2%[19]。依據此評價準側,沿線共有39處斷電電位不滿足標準要求,主要分布在里程K047～K057、K068～K082、K089～K094和K106～K115之間,評價結果見圖3。由圖3可知,位于K090～K094之間測試樁僅出現正于-0.75 V且超過1%測量周期,表明此段干擾強度大且頻次集中;沿線斷電電位測試結果未有正于0情況出現。

圖3 斷電電位未達到標準柱狀分布圖Fig.3 Substandard Voff histogram

2.2 雜散電流干擾特征分析

對里程K085測試樁干擾地段24 h監測，發現通斷電位波動特征與城際軌道運行和停運時刻一致,該列車停運時間為00:00～5:30,距離監測點最近車站首末班時間分別為6:30和23:30,K085測試樁2021年7月13日15時至7月14日15時24 h監測通斷電位波動圖見圖4。由圖4可知,6:30～23:30運行時段通斷電位波動相對強烈,停運時間段通斷電位趨于平穩,表明該管道雜散電流干擾源為城際軌道。K085測試樁24 h監測某一時刻通斷電位波動特征圖見圖5。由圖5可知,該列車通電電位干擾峰值呈現周期波動規律,城際軌道平均行車時間間隔為15.3 min,與發車時間間隔相符。

圖4 K085測試樁24 h監測結果圖Fig.4 24-hour monitoring results of K085 test pile

圖5 圖4中某時刻波動特征圖Fig.5 Fluctuation characteristics at a certain time in Fig.4

K058測試樁受京廣鐵路雜散電流干擾通斷電位24 h監測結果見圖6。由圖6可知,通斷電電位波動雜亂無明顯規律,白天和夜間通斷電電位波動幅度均較大,表明未受到城際軌道動態干擾的影響。由圖4可知,K085測試樁雜散電流干擾為呈周期動態干擾,白天比夜間波動幅度強烈,白天城際軌道運行K085測試樁通電電位最大波動幅度為1.136 V,夜間停運時刻最大波動幅度為0.14 V,進一步表明K085測試樁雜散電流干擾主要受城際軌道影響,由于京廣鐵路與K085相距較遠,并未對監測點造成明顯干擾,現場調研夜間較小的波動幅度是由城郊電力設施影響造成的。

2.3 管道電位波動與干擾源的影響規律

由圖2可知,距離干擾源越近管道通電電位波動越強烈,隨距離的增大波動趨于平緩,表明管道所受鐵路、城際軌道雜散電流的干擾程度隨著距離的增加呈減小趨勢。

受雜散電流干擾的管道,電流由土壤流向管道的區域為管道陰極區,陰極區通電電位變負,管道得到保護,在電流由管道流出的區域為陽極區,管道通電電位變正,管道會產生腐蝕。以干擾源運行時段和停運時段管道通電電位的差值對雜散電流的流向及部位進行識別[20]，發現里程K037～K110受雜散電流干擾影響較大,以此段為試驗對象研究雜散電流的流入和流出規律。

里程K037～K110通電電位偏移量見圖7。由圖7可知,11：30時刻檢測結果表明:里程K037～K045測試樁管道電位正向偏移,為雜散電流的流出區域,測試樁K045～K048管道電位負向偏移,表明為雜散電流流入區域;同理以K063～K064、K074和K106～K107為分界點,管段之間雜散電流交替為流出和流入區域。15：30時刻檢測結果表明:以K045、K045～K046、K072、K078、K107為分界點,管道上雜散電流交替為流入和流出區域。分界點里程K045和K107在不同時段互為雜散電流流入和流出點,分界點位置與不同時段對應關系一致;而里程K063～K078管段之間分界點在不同時段測試雜散電流流入和流出點不一致,表明城際軌道和鐵路在時間和空間維度對管道雜散電流有交互影響。

圖7 電位偏移量分布圖Fig.7 Potential offset distribution map

2.4 交流雜散電流檢測及評估

現場勘查發現管道沿線有多處高壓交流輸電線路與管道交叉和平行,對沿線130個測試樁進行交流電壓測試和土壤電阻率測試,依據GB/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》(以下簡稱GB/T 50698—2011)規定,當管道上的交流干擾電壓不超過 4 V 時,可不采取防護措施,高于4 V時應采用交流電流密度進行評估：

JAC=8V/(ρπd)

(1)

式中：JAC為交流電流密度，A/m2;V為交流干擾電壓，V;ρ為土壤電阻率，Ω·m;d為破損點直徑，m，按發生交流腐蝕最嚴重考慮，取0.011 3。

檢測結果見圖8,由圖8可知,交流電壓大于4 V共有9處,依據經驗公式計算得到交流電流密度均小于30 A/m2,K070測試樁交流電壓為2.11 V,因較低土壤電阻率10.2 Ω·m,使得計算得到的交流電流密度為46.64 A/m2,依據標準交流干擾電壓不超過4 V,可不采取防護措施,因此沿線交流干擾程度評價結果均為弱,無需采取干擾防護措施。

國內外相關研究與實踐均表明[19],交流電壓及計算交流電流密度不能作為交流腐蝕嚴重程度的評價指標,運用此評價指標局限性較大。經驗公式中土壤電阻率是測試點處與管道埋深相同深度范圍內的平均電阻率,而在管道施加外加電流陰極保護的情況下,陰極反應會導致防腐層漏點周圍pH值的升高,若敷設環境中堿土金屬或堿金屬離子濃度較高,會生成難溶沉積物或溶解度高、吸濕性強的反應產物,增高或者降低防腐層漏點周圍擴散電阻,導致與地表實測土壤電阻率差別較大。為進一步評價交流雜散電流干擾,現場在K070測試樁附近埋設1 cm2試片并進行監測,測試點土壤電阻率為10.2 Ω·m,監測數據包含瞬時交流電壓、計算交流電流密度和實測交流電流密度。

K070測試樁交流電流密度試片實測和理論計算監測結果分布圖見圖9。由圖9可知,K070平均交流電壓為2.002 V,在交流電壓很低時,使用試片實測的交流電流密度均超過100 A/m2,最大值為134.48 A/m2。按照GB/T 50698―2011的規定,管道上的交流干擾電壓不高于4 V時可不采取交流干擾防護措施,使用經驗公式計算得到的交流電流密度最大值為48.56 A/m2,與實測交流電流密度有很大的誤差。監測一段時候后,對測試片周圍土壤進行理化測試,得到pH值為9.5,呈堿性。

圖9 實測交流電流密度分布圖Fig.9 Measured AC current density distribution

ISO 18086—2019 Corrosion of metals and alloys—Determination of AC corrosion—Protection criteria建議采用極化試片測試交流電流密度以及交流電流密度與直流電流密度的比值來評價交流腐蝕的風險,依據標準當交流電流密度≤30 A/m2或者交流電流密度>30 A/m2且陰極保護電流密度<1 A/m2或者交流電流密度和直流電流密度之比小于5時不發生腐蝕?，F場測試試片的平均交流電流密度和直流電流密度分別為123.13 A/m2和1.6 A/m2,交、直流電流密度比值遠大于5,表明該位置交流腐蝕可能性很高,需采取排流措施。同時NACE SP 21424—2018 Alternating current corrosion on cathodically protected pipelines: risk assessment, mitigation, and monitoring也推薦使用1 cm2試片進行交流腐蝕風險的評估。

3 結論

1)對于受直流雜散電流干擾的管道,采用測量周期內斷電電位正于保護指標的時間比例評價方法,沿線共有39處測試樁斷電電位不滿足標準要求。受城際軌道雜散電流干擾下的管道通斷電位波動情況與列車運行時刻一致,通電電位干擾峰值周期波動規律與間隔發車時間相符。京廣鐵路雜散電流干擾下的電位波動特征為通斷電電位波動雜亂無明顯規律。

2)管道與干擾源距離越近受雜散電流干擾程度越大;雜散電流在管段之間不同位置交替為流出和流入區域,受不同干擾源的交互影響同一位置雜散電流的流入和流出特性不同。

3)交流雜散電流檢測與評估,不宜采用交流電壓和計算交流電流密度評價交流雜散電流干擾,應使用試片實測交流電流密度以及交流電流密度與直流電流密度的比值來評價交流腐蝕的風險。