城鎮燃氣管道動態直流雜散電流檢測與防護措施研究

盧俊文 王肖逸 周璐璐 湛立寧 陳 敏

（河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院 唐山 063000）

隨著我國城鎮化率的不斷提高及燃氣取代煤燃料的項目普及，城鎮燃氣管道數量快速增長，截至2019年全國城鎮燃氣管網長度已達78.3 萬km，且主次干線均為埋地鋼制管道，隨著管道服役時間的增長，其腐蝕問題是影響管道安全運行的主要因素[1]。由于電氣化鐵路等公共設施均遵循路權優先設計原則，導致埋地管道與電氣化鐵路等雜散電流干擾源距離較近[2]，干擾源產生的雜散電流優先從管道某部位流入管道。如果管道外防腐層破損，雜散電流將從破損處流回到土壤中，管道破損點作為陽極失電子被腐蝕，統稱為雜散電流腐蝕，埋地金屬管道腐蝕泄漏事故的50%以上是由雜散電流造成的。動態直流雜散電流是3 種形態雜散電流（交流、直流、地電流）之一，主要來自直流電氣化鐵路[3]。本文通過對某燃氣公司城鎮燃氣管道的檢驗，分析了動態直流雜散電流的檢測方法及有效防腐措施。

1 雜散電流腐蝕機理

動態雜散電流是來自其他動態電流設備的干擾電流，如直流電氣鐵路泄漏到土壤中的雜散電流。鐵路變電所將電流輸送到供電網上，列車在運行時通過受電弓與供電網接觸，將電流傳送到列車的用電系統，最后通過車輪流到鐵軌并傳回鐵路變電所，在電流傳輸過程中，支撐軌道的枕木與大地無法做到徹底絕緣，導致電流泄漏到土壤中形成雜散電流[4]。

當軌道附近有金屬管道并行或交叉時，雜散電流勢必通過某一個低電阻部位流入埋地金屬管道，在其中傳播一定距離后從防腐層破損點流出，流出部位形成電化學反應的陽極失去電子被腐蝕，而土壤是一種特殊電解質，電化學反應過程遵循法拉第定律[5]，見式（1）：

式中：

m——消耗金屬質量，g；

K—— — 消耗金屬化學當量，g／（A·h)， 鐵取1.047 g／（A·h)；

I—— —反應電流強度，A；

t—— —電化學反應時間，h。

按式（1）計算：在1 年時間內，雜散電流為1 A 時，即有9.17 kg 鐵金屬發生反應被腐蝕掉，實際情況是干擾電流強度遠大于1 A。如圖1 所示為直流電氣化鐵路對埋地管道腐蝕示意圖。

圖1 直流電氣化鐵路對管道腐蝕示意圖

2 雜散電流的檢測方法與評價指標

2.1 雜散電流檢測方法

●2.1.1 土壤表面電位梯度測量

電位梯度法是檢測雜散電流的一種簡單方法，采用A、B、C、D 4 只便攜式硫酸銅參比電極，2 個測量電極之間的距離為100 m，其中A、B 電極連線垂直于被測管道，C、D 電極連線平行于被測管道，用電壓表測量A 與B 電極間、C 與D 電極間的電位差。A、B 連線與C、D 連線組成直角坐標系，計算出被測2 個電極之間電壓與距離比值，標注出直角坐標系中2個方向的電位梯度，其矢量和數值即為該點的地電位梯度[5]，如圖2 所示為土壤表面電位梯度測量方法。

圖2 土壤表面電位梯度測量方法

●2.1.2 管地電位正向偏移測試

在埋地管道的測試樁附近插入硫酸銅參比電極，采用近參比法測量，使參比電極盡量靠近埋地金屬管道，電壓表一端連接參比電極，另一端通過測試樁連接待測管道，所測數值表示管道與參比電極的相對電位差。由于參比電極存在自然本體電位，再用直流電壓表連接參比電極與自然腐蝕試片，即可測出參比電極的自然本體電位，相對電位差再加上參比電極的自然電位，即可得出管道的自然電位偏移量?；蛘吲R時斷開管道的陰極保護系統，測量的管地電位與管道本身的自然腐蝕電位比對，也可得出管地電位偏移值。也可以在測試回路中串接1 個電位數字記錄儀，長時間監測管地電位的變化情況，如圖3 所示為管地電位正向偏移測試圖。

圖3 管地電位正向偏移測試圖

2.2 雜散電流評價標準

當埋地金屬管道中有直流雜散電流通過時，管地電位偏移最小值應大于20 mV，或土壤電位梯度最小值大于0.5 mV／m；當干擾電流程度達到必須采取排流措施時，管地電位正向偏移最小值＞100 mV，或者土壤電位梯度最小值＞2.5 mV／m[5]，動態直流干擾判斷標準見表1。

表1 動態直流干擾判斷標準

3 雜散電流腐蝕防護措施

3.1 排流保護

●3.1.1 接地排流法

接地排流法是增加1 個埋地輔助陽極，排流電纜直接和輔助陽極連接，將雜散電流排入接地輔助陽極，然后再排向大地，防止了埋地管道本身作為陽極的腐蝕，電流疏散后自然流回到鐵軌上，避免了其他與鐵軌直接相連的排流方法對鐵軌的腐蝕和鐵路信號的干擾，在國內是一種常見的排流方式，如圖4 所示為接地排流法結構圖。

圖4 接地排流法結構圖

●3.1.2 直接排流法

直接排流法是將埋地金屬管道直接與鐵軌或負回歸線連接，直接將管道中的直流雜散電流排向鐵路干擾源，在國外是一種常用的排流方法。在排流回路中串聯可調電阻等控制元件來控制排流量的大小，預防排流量過大導致管道防腐層老化剝離[6]。只有在管道對地電位高于鐵軌對地電位時才能采用直排法，否則將導致干擾電流再次由鐵軌流向低電位的管道中。另外，直排法和鐵路干擾源直接連接，必須征得鐵路部門同意才能采用，實行難度較大。

●3.1.3 極性排流法

極性排流法是當管道電位低于干擾源電位，防止采用直接排流法產生逆流現象，加裝1 個極性排流裝置，只允許雜散電流單向流動。當電氣化鐵軌與管道之間電位差有波動現象時，不影響排流的正常進行；在實施排流操作中，極性排流裝置中的二極管正向導電性極好，只產生可以忽略不計的逆向電流，對埋地管道沒有二次干擾現象；當發現異常電流時極性排流裝置可以自動切斷，排除了異常電流損壞設備或再次干擾管道的可能性，可以適用于干擾源波動較大的復雜環境。

●3.1.4 強制排流法

強制排流法就是在埋地管道與鐵軌之間，或與接地陽極之間安裝1 個整流器，可以實現對電流的控制，當管道與電流接收端有電位差的條件下強制排流，如果接收端為犧牲陽極，就可以和陰極保護系統聯合使用。為了達到更好的排流效果，也可以引入智能化陰極保護系統，通過智能測試樁自動測試管地電位數據，并上傳到控制終端，控制軟件對數據比對后，向管道與接地極之間的整流器發出指令，自動調整補償電流的大小，將管地電位控制在標準允許的范圍內，可達到智能化強制排流目的[6]。

3.2 增加回路電阻

通過增加回路電阻，加大雜散電流進入埋地管道的難度也是一種保護方式[7]?？梢栽诼竦毓艿郎习惭b絕緣法蘭，將管道分成若干段，每段可以單獨排流和監控，加大管道內電阻，減緩雜散電流在管道中的流動。經常檢查管道外防腐層狀態，發現破損點及時修復，減少雜散電流進入管道的突破點，從而阻斷或減小雜散電流對管道干擾程度。當管道在運行狀態下無法增設排流裝置時，例如道路下方的穿越段管道，在管道建設初期應將此段管道設計為3 層加強級防腐，并在穿越道路的進口和出口加裝電絕緣裝置，阻止雜散電流進入道路下方的穿越段，并在穿越段管道兩端埋設輔助陽極，在管道和接地輔助陽極之間加裝極性排流器，從而阻斷雜散電流的回流再次對管道造成腐蝕。

3.3 陰極保護

犧牲陽極保護在為管道提供保護電流的同時，也可以起到排流作用[8]，同時在排流接地極與管道之間串聯1 個極性排流器，可以阻止雜散電流再流回管道[9]。當陰極保護采用強制外加電流方式時，因為動態直流雜散電流隨著列車的開停，干擾源電流波動較大，造成管道的管地電位長期處于變化狀態，而恒電位儀的輸出電流大小不能隨時變化，此時應采用智能化陰極保護裝置，自動測試埋地管道的斷電電位和自然腐蝕電位，通過控制終端軟件的數據比對，來判斷每個測試樁的陰極保護狀態，并優化每個被保護段所需電流數值，傳送給遠程控制的恒電位儀，來調節保護電流輸出值。

4 雜散電流檢測與防腐措施的應用

唐山某燃氣公司一段19 km 長的埋地燃氣管道，其中4.5 km 長的管段與電氣化鐵路伴行，最近點與鐵軌相距50 m。管道設計壓力為4.0 MPa、材質為L290M，規格為φ323.9 mm×7.1 mm，鋪設時采用了外加電流陰極保護措施，并設置了部分絕緣接頭。在管道定期檢驗時對其進行了雜散電流檢測，首先對4.5 km 伴行段管道進行了雜散電流普查，對10 處土壤表面電位梯度進行了檢測，其最大值為3.5 mV／m，完成了6 處管地電位的檢測，管道電位波動值大于200 mV，說明雜散電流干擾較強，應采取排流保護措施。然后選擇距離鐵軌最近的0152 號測試樁及相鄰的0151 號與0153 號進行了重點檢測，采用圖3 所示的管地電位測試方法，在測試回路中串接1 個電位數字記錄儀，經24 h 連續檢測，結果0152 號測試樁管地電位波動最大，波動范圍為-1.3 ～1.2 V，0153 號管地電位波動最小，3 個測試點管地電位正向偏移算數平均值V1（+)=0.9 V。

根據檢測結果采用了接地排流法，排流點在0151 與0152 測試樁之間距0152 樁130 m 處，并在接地鎂陽極和管道之間串接了極性排流器，然后又進行了24 h 監測，結果發現管地電位明顯穩定，波動范圍為-1.4 ～-0.9 V，管地電位正向偏移算數平均值V2（＋)=0.1 V，排流前后的電位平均值比ηv＞80%，滿足了GB／T 19285—2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》中規定的直流排流評價效果，如圖5 所示為排流前后某時間段管地電位變化曲線。

圖5 排流前后某時間段管地電位變化曲線

5 結束語

1）埋地城鎮燃氣管道的金屬腐蝕大部分是雜散電流引起的，尤其是動態雜散電流是腐蝕主要因素，通過測量土壤表面電位梯度、管地電位正向偏移值可以判斷干擾電流強度，制定相應防護措施可以消除雜散電流腐蝕。

2）為阻止或減弱雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕，一般采取合理的排流保護、安裝陰極保護設施、增加回路電阻等措施，包括安裝電絕緣接頭、加強防腐等級、及時修復破損點及對穿越段管道加強特殊處理等。

3）通過對某燃氣公司埋地城鎮燃氣管道的檢測，發現土壤表面電位梯度最大值為3.5 mV／m，超出了直流干擾強度的評價標準，采取犧牲陽極加極性排流器的方法，經現場24 h 監測，排流前后管地電位正向偏移平均值比ηv＞80%，達到了直流排流評價效果。