埋地鋼質燃氣管道雜散電流腐蝕的測試與防護

摘 要

摘要：介紹了雜散電流的類型。結合深圳市某測點的埋地鋼質燃氣管道受雜散電流干擾的調查和測試數據，分析了該管道雜散電流的主要來源。介紹了國家標準及行業標準對雜散電流控制
摘要：介紹了雜散電流的類型。結合深圳市某測點的埋地鋼質燃氣管道受雜散電流干擾的調查和測試數據，分析了該管道雜散電流的主要來源。介紹了國家標準及行業標準對雜散電流控制的要求、國外雜散電流防護工作的情況，提出了雜散電流腐蝕防護的措施。
關鍵詞：鋼質燃氣管道；雜散電流；雜散電流測試；雜散電流腐蝕防護
Testing and Protection of Stray Current Corrosion on Buried Steel Gas Pipeline
LUO Bin，LIU Jianhui
Abstract：The types of stray current are introduced.Based on the investigation and testing data on buried steel gas pipeline disturbed by stray current at a testing point in Shenzhen City，the main sources of stray current of this pipeline are analyzed.The requirements for control of stray current in the national and industrial standards and the overseas stray current protection work are presented. The protection measures of stray current corrosion are proposed.
Key words：steel gas pipeline；stray current；stray current corrosion protection
1 概述
    雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕不容忽視。文獻[1]論述了煤氣管道受到礦區電機車的雜散電流腐蝕及排流措施，文獻[2]研究了雜散電流對埋地管道陰極保護體系干擾的作用機理，文獻[3]分析了地鐵直流雜散電流對埋地金屬管道干擾腐蝕的機理及一般防護措施，文獻[4]論述了雜散電流對油氣管道腐蝕的基本原理和防護措施。
   GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》給出了雜散電流的定義，雜散電流是指在非指定回路中流動的電流。它可能是由直流電或交流電造成的[5]221～226：直流雜散電流主要來源于直流電氣化鐵路、高壓直流輸電系統、電解裝置、陰極保護裝置(強制電流設備、雜散電流排流設施)等；交流雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路及交流輸電線路等。研究表明[5]94，鐵在交流電流密度20A/m2下將造成0.1mm/a的腐蝕速率，只有高于50A/m2的交流電流密度才是嚴重的。另外，由于地球磁場變化產生的地雜散電流，一般情況下與前述直流、交流雜散電流相比強度很小，不會產生腐蝕危險。因此，本文的研究重點是直流雜散電流(以下簡稱雜散電流)。
埋地鋼質管道雜散電流干擾腐蝕原理見圖1[6]。由于鐵軌對地絕緣不充分，機車的牽引電流除了在鐵軌上流動外，還會從鐵軌絕緣不良處泄漏到大地，形成雜散電流。由于埋地鋼管對地絕緣并不充分，則部分雜散電流將流入附近的鋼管，并在鋼管中流動，然后從遠處的某點流出鋼管進入大地，返回供電所負極。鋼管會在雜散電流流出部位發生腐蝕，此種現象稱為雜散電流干擾腐蝕。
 

    理論上，當鋼鐵受到雜散電流干擾腐蝕時，金屬腐蝕量滿足法拉第定律。依據法拉第定律，1A的直流電流1年可使鋼鐵腐蝕大約9.1kg[4]。雜散電流干擾腐蝕通常發生在管道防腐層破損處，即集中在局部，因而容易引起坑蝕，導致穿孔。實際案例中[6]，東北撫順地區受雜散電流干擾影響的輸油管道約有50km，占東北輸油管網的2%，而因雜散電流干擾腐蝕造成的穿孔次數，占該地區管網腐蝕穿孔總次數的60%以上。該地區的雜散電流高達500A，管道埋地半年就能腐蝕穿孔，腐蝕速率為10～15mm/a。
2 燃氣管道受雜散電流干擾的調查和測試
    在深圳市燃氣管網的日常巡查工作中發現埋地鋼質管道受到雜散電流干擾，根據日常監測結果，我們選取了僑香路燃氣管段(地鐵車輛段附近)作為研究對象，按照SY/T 0017—2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》的要求，與專業機構合作進行了專項的現場調查和預備性測試工作。該段管道建設于20世紀90年代初期，按照當時的工程設計標準未設置陰極保護系統，不能達到-850mV的保護電位。對于被干擾燃氣管道的調查測試內容為：管道和周圍干擾源(包括地鐵)的相關位置分布，管地電位及其分布(包括按時間分布和按距離分布)，管壁中流動的干擾電流(大小和方向)，流入、流出管道的干擾電流的大小和部位，局部管段沿線土壤電阻率，管道沿線大地中雜散電流方向和電位梯度，管道已有犧牲陽極陰極保護裝置的運行參數及運行狀況，管道與其他相鄰和交叉管道等埋地金屬構筑物之間的電位差，該地區管道的腐蝕實例。
    在測試工具方面，我們應用了儲存式的自動數據記錄儀和雜散電流檢測儀(Stray Current Mapping，以下簡稱SCM)進行測試。該自動數據記錄儀采集數據的速度可達約100個/s，可用于連續記錄并自動儲存數據。SCM檢測儀是目前世界上最先進的一種雜散電流測試儀器，可以沿著管道檢測任何雜散電流的大小和方向，能夠快速地評價從地表至管道間的雜散電流，精確確定雜散電流的流入、流出點，分辨雜散電流的頻率和方向，十分方便。
    對于干擾源側，主要調查了地鐵供電所的位置、運行狀況等，還與有關機構對鐵軌對地電位等數據進行了聯合測試。
    綜合上述調查內容，完成了《僑香路燃氣管道雜散電流干擾腐蝕控制預備性測試報告》。圖2是測試報告中的某日管地電位24h連續測試曲線。
 

    對于上述測試曲線，經計算機程序數據處理后，得出該測點的管地電位正向偏移值(30min平均值)最大達到262mV，其中在大約6：30—23：30時間段內，管地電位波動較大，平均正向偏移較強；在大約23：30至次日6：30時間段內，管地電位趨于平穩，波動極小，在24h曲線上看近似為較平滑的直線段。此種情況表明，該測點附近沿線管道受到的雜散電流干擾具有一定的規律性。
    綜合測試報告中的所有測試結果，并結合雜散電流自身的規律，可以認為該段燃氣管道受到雜散電流干擾，干擾源是管道附近的較強直流電源設備，由于該雜散電流干擾規律與附近地鐵的運行規律密切相關，因此該段地鐵牽引電流外泄應是引起雜散電流的主要原因。
3 國家標準規范對雜散電流防護的要求
    鑒于雜散電流對鋼質管道等設備的干擾腐蝕影響，國家相關標準規范對雜散電流的防護和控制有具體的技術要求。
    城鎮燃氣行業目前的參考標準主要有GB/T 21447—2008《鋼質管道外腐蝕控制規范》、SY/T 0017—2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》、CJJ 95—2003《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》等。上述標準對于雜散電流強弱的判斷指標見表1。
表1 直流干擾強度的判斷指標
雜散電流程度
弱
中
強
管地電位正向偏移值/mV
＜20
20～200
＞200
    按照該標準判斷，上述僑香路測點的雜散電流干擾已經屬于強烈干擾，需盡快采取排流保護等防護措施。
    地鐵目前的參考標準主要有行業標準CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》，該標準中提出了對于地鐵鋼結構，允許泄漏電流密度指標為0.15mA/dm2。地鐵需要嚴格遵守該標準，在建設和運營階段做好雜散電流的防護工作。
4 其他國家的雜散電流防護狀況
    世界上許多國家都非常重視雜散電流的防控工作。德國電工協會與德國煤氣與水工工程師協會組成的聯合委員會于1910年頒布了防止煤氣管道和輸水管道受到使用鐵軌做導電體的直流有軌電車的有害影響的規定[5]。隨后，有關雜散電流的檢測和控制技術在不斷發展和進步。
    美國腐蝕工程師學會(NACE)于2004年發表了報告《對干擾管道的雜散電流新的測試技術》。該報告中提出可以使用SCM檢測儀等方法來檢測干擾管道的雜散電流，并以加拿大多倫多市的某燃氣管道為例進行雜散電流測試，分析認為干擾源與附近電氣化鐵路的運行有關，該雜散電流來源于電力機車的運行，詳見圖3，圖3中上方的曲線表示隨時間變化的管道雜散電流，下方的曲線表示對應的管地電位。
 

5 城市雜散電流的防護措施
    深圳市臨近大海，地下水位高，且多回填和鹽漬區，地下土壤電解質豐富，其土壤腐蝕性比一般地區高。在這種情況下，雜散電流引起的鋼質管道腐蝕風險比一般地區嚴重。
    結合SY/T 0017—2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》和NACE SP0169—2007《埋地或水下金屬管道系統的外腐蝕控制》的要求，提出控制雜散電流干擾腐蝕的原則：統一規劃，綜合治理，分別實施。即由政府相關部門牽頭成立跨部門的雜散電流防護工作協調小組，干擾源方、被干擾方、第三方機構和專家等加入工作小組，建立長效的聯席辦公機制，統一規劃雜散電流的防護工作，開展綜合治理工作，然后由各單位分別實施，尤其是雜散電流的產生單位應減少雜散電流向外泄漏。
    從技術角度，城市燃氣管網常用的雜散電流防護方法如下：
    ① 排流保護，即在管道和鐵軌之間設計并安裝適當電阻的電連接，這種連接可以從管道向鐵軌方面排出干擾電流。但是由于鐵路方面擔心對鐵路的安全運行造成影響，因此該方法在實際中較難操作。這時可以直接接地排流，需要埋設接地床。在接地排流時，如果出現波動電流，可在電連接時配以二極管一類的單向控制裝置，防止電流的反向流動。
   ② 犧牲陽極保護，即在燃氣管道上找出泄漏電流點，然后安裝犧牲陽極，向管道施加陰極保護電流。
    ③ 調整管道路由以避開干擾源，或者將鋼質管道更換為聚乙烯管道。
    ④ 在管道中正確設置絕緣接頭。
    ⑤ 在吸收電流區域使用良好的外防腐層。
在完成雜散電流的排流工作后，還應進行排流效果評定測試，以檢測排流工程的實施效果，同時要加強排流系統的維護管理工作，使其正常運轉，保護埋地鋼質管道的安全運行，保障城市公共安全。
參考文獻：
[1] 胡士信.煤氣管道雜散電流干擾及排流保護[J].煤氣與熱力，1996，16(1)：23-29.
[2] 劉穎，曹備.雜散電流對埋地管道陰極保護體系干擾的研究[J].煤氣與熱力，2003，23(1)：7-10.
[3] 程善勝，張力君，楊安輝.地鐵直流雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕[J].煤氣與熱力，2003，23(7)：435-437.
[4] 曹阿林，朱慶軍，侯保榮，等.油氣管道的雜散電流腐蝕與防護[J].煤氣與熱力，2009，29(7)：B06-B09.
[5] (德)貝克曼W V，施文克W，普林茲W，等.陰極保護手冊——電化學保護的理論與實踐[M].胡士信，王向農，譯.3版.北京：化學工業出版社，2005.
[6] 胡士信.陰極保護工程手冊[M].北京：化學工業出版社，1999：255.
 
(本文作者：羅彬 劉建輝 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040)