管道雜散電流的檢測及處理

【摘 要】本文通過對江西天然氣管網昌北區塊石埠聯合站—西山聯合站之間天然氣管道的研究，證明了區塊內管道雜散電流的存在，并且雜散電流使金屬管道陰極保護系統的保護效果明顯減弱。通過計算，本文在兩站之間合適區域增設了一座陰極保護站并調整了起始電壓，實現了兩站之間的管道全部受到保護，從而減緩了雜散電流對管道的腐蝕危害。

【關鍵詞】雜散電流檢測；站間增設；陰極保護站

1.雜散電流的定義

雜散電流，是指在規定的電路或意圖電路之外流動的電流。雜散電流會加速金屬的腐蝕，對于陰極保護系統效果具有抑制作用，必須加以檢測和排除。

2.雜散電流的檢測

由于管線是全線連通的，雜散電流又是無規律地大幅度變化，因此對管線上的雜散電流進行直接檢測是很困難的。針對雜散電流的無規律、快變化的特性，我們采用SCM-200a雜散電流測量儀對其進行檢測。

2.1測量方法

SCM-200a雜散電流測量儀的檢測原理是當有電流流過時，管線上就有電壓降，通過測量管線上的電壓降，就可以獲得雜散電流的大小。該儀器可對模擬電位信號進行處理，將數值繪制成雜散電流變化曲線，為掌握雜散電流分布情況及采取相應的防護措施提供可靠的測量手段和依據。

我們選取從西山聯—石埠聯之間全長10.2km的管道作為被測管段。該段管道已經采用了陰極保護對管道防護，從西山聯作為測試的起始點，到石埠聯為終點，全線有26個測試樁位。

2.2數據的處理

由于雜散電流的干擾，管地電位不斷發生變化，因此可以將管地電位看作一隨機變量，可以應用數理統計的方法分析這個隨機變量。首先，將管地電位按照一定的步長，分析在每個電位值(取步長中間值)上的頻率分布，取概率分布最大值從Vave作為管地電位的平均值。在頻率分布曲線的兩端分別去除≤2.5%(電位點數)作為測試的散點值，在剩余曲線的兩端的值作為管地電位出現的最大值和最小值。做距離與Vmax.、Vave，、Vmin的曲線，從曲線上可以分析管線沿線的雜散電流干擾的陰極區和陽極區，從而為下一步的排流方案的制定提供可靠的數理依據。

3.石埠聯增設陰極保護站的計算

為了使西山聯—石埠聯之間的管線腐蝕電位全部處于最小保護電位之內，在石埠聯增設一個陰極保護站，兩個陰極保護站同時對管道保護。

管道陰極保護的制約因素是管道防腐層電阻和管徑，它以最大保護電位和最小保護電位的臨界點來劃分。根據下列假設條件推導沿線電位分布公式：（1）管道防腐層均勻一致，并且具有良好的電絕緣性能，與土壤接觸且土質均勻一致，從而管道沿線各點的單位面積過渡電阻相等。過渡電阻指電流從土壤沿徑向流入管道時的電阻，其數值主要取決于防腐層電阻；（2）土壤面積很大，土壤電阻忽略不計。

設單位長度金屬管道的電阻為r，單位面積的防腐層過渡電阻為R，單位長度上電流從土壤流入金屬管道的過渡電阻為R，若管道外徑為D，則R=R/(πD)。

在d小段上電流的增量dI就是在該小段上從土壤流入管道的保護電流，由于忽略土壤電壓降，故

dI=-d即=-

負號表示電流的流動方向與x的增量方向相反。

當電流I軸向流過管道時，由于管道金屬本身的電阻所產生的壓降為

dE=-Ird即=-

對以上二式求導，并取a=，可得-aI=0；-aE=0

以上兩式為二階常系數齊次線性微分微分方程，其通解為：

I=Ae+Be；E=Ae+Be

石埠聯與西山聯之間的管長為10.2km，為有限長管段，其陰極保護的極化電位和電流的變化受兩個站的共同作用。

利用上述I和E的通解來推導有限長管道沿線電位分布的規律。設兩個站之間的距離為2l，在中點處剛好達到保護所需要的最小保護電位，E=E。電位變化曲線在中點處發生轉折，即=0。由于保護電流來自兩個站，其電流流動方向相反，故在中點處電流為0，邊界條件為

x=0，I=I，E=E;

x=l，I=0，E=E，=0

代入I和E的通解式得到

E=E

I=I

代入邊界條件和=-得

I=-··E·=·

在匯流點處x=0，I=I，代入上式得匯流點一側電流為

I=th(al)

同時由E=E可求出

E=

得有限長管道一側的保護長度

L=Arch=ln

+

考慮到雙曲余弦函數ch(al)=(e+e)中e這項很小，可近似忽略，上式可簡化為

L=ln2

由表3-1可以看出，增設的陰極保護站需要對9號測試樁達到完全保護，從9號測試樁到26號測試樁即距石埠聯的距離為7.66km，即L=7.66km。西山聯—石埠聯設計數量為1350m3/d，管線規格為20-159×5，金屬管道的電阻rT=0.1Ω·m2。計算時取防腐層RP=10000Ω·m2，則電流從土壤流入金屬管道的過渡電阻RT=RP/(πD)=10000/(π×0.159)=20019.5

a===0.002

9號測試樁的電位為-0.432V，作為未加陰極保護站時的自然電位，若要達到最小保護電位-0.85V，外加電壓最小為-0.418V，按照《石油、天然氣管道管理條例》的相關規定，Emin的取值為-2.418V。由L=ln2可以求出E=-4.22V

上式即計算出在石埠聯增設陰極保護站，若要達到曲線保護，則石埠聯的起始電位為-4.22V。

結論：昌北區石埠聯合站—西山聯合站之間管道存在雜散電流，并且雜散電流使金屬管道陰極保護系統的保護效果明顯減弱。要對該段管道達到完全保護，可在管道中間增設一個陰極保護站并將石埠聯起始電位設為-4.22V。這樣，全線各個測試樁的電壓均在最小保護電壓以內，且不會對石埠聯起始管段形成過保護。 [科]

【參考文獻】

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