交流雜散電流干擾對埋地管道陰極保護電位的影響

鮑元飛,伍永坤,高華亮,鄭元杰

(1. 濟南港華燃氣有限公司 萬通燃氣工程設計有限公司，濟南 250014； 2. 山東實華天然氣有限公司，青島 266071；

3. 山東省天然氣管道有限責任公司，濟南 250101; 4. 中國石化青島液化天然氣有限責任公司,青島 266400)

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交流雜散電流干擾對埋地管道陰極保護電位的影響

鮑元飛1,伍永坤2,高華亮3,鄭元杰4

(1. 濟南港華燃氣有限公司 萬通燃氣工程設計有限公司，濟南 250014； 2. 山東實華天然氣有限公司，青島 266071；

3. 山東省天然氣管道有限責任公司，濟南 250101; 4. 中國石化青島液化天然氣有限責任公司,青島 266400)

摘要：設計室內干擾試驗，模擬現實中各類因素下交流雜散電流干擾對管道陰極保護電位的影響。通過數據采集系統對電位信號的采集，濾波系統對交、直流信號的分離，分析得到交流干擾下管道真實陰極保護電位的變化。結果表明:在交流干擾下的管道陰極保護電位會產生較大的IR降，使得管道真實的陰極保護電位偏離地表參比法測得的電位值;同時，在交流雜散電流干擾的瞬間，將會有一個較強的電位信號產生，可能會對恒電位儀及管道防腐蝕層產生不利影響。

關鍵詞：交流雜散電流；埋地管道；陰極保護電位；交流干擾

電氣化鐵路的供電系統通常借助鐵軌進行電流的回流，鐵軌與大地之間的不完全絕緣性導致一部分交流電流進入大地中，并對鄰近的埋地管道產生雜散電流干擾腐蝕[1]，并在管道上產生交流干擾電壓[2]。目前,采用最多的防腐蝕措施是在管道外敷防腐蝕層及外加陰極保護[3]，但是對于鄰近交流電氣化鐵路或者高壓交流輸電線路的管道來說，這種聯合保護措施[4]并不能完全杜絕管道腐蝕。同時,管道的陰極保護系統也會受到交流雜散電流的干擾，保護電位發生變化。

文獻[5]指出盡管陰極保護電位比-1.0 V(CSE,下同)更負，但靠近交流電氣化鐵路及高壓交流輸電線路的埋地管道還是會發生交流腐蝕。雖然埋地管道上測得的陰極保護電位負于-850 mV，滿足傳統“以電位為基礎”的陰極保護效果判據[6]，但是處于交流干擾區的埋地管道仍會受到雜散電流的干擾。因此，研究交流雜散電流干擾對埋地管道陰極保護電位的變化規律具有重要的現實意義,為埋地管道的保護提供參考。

1試驗

1.1試驗設備

采用DJS-292型雙顯恒電位儀，為試驗中的埋地管道提供恒電位陰極保護。在管道上設置四個帶有破損點，并有不同破損面積和朝向的試片；采用廢舊鋼筋作為陰極保護系統的輔助陽極，與埋地管道并行埋設，并行間距為0.3 m。采用JJ10DD23KT程控變頻電源作為交流恒電流輸出電源，用USB-6210型數據采集卡采集電位信號，并通過Labview數據采集軟件對電位信號進行處理。

采用斷電法測量管道陰極保護電位。試驗中為避免交流雜散電流信號干擾斷電電位的讀取，采用極化探頭將試片與干擾信號隔絕開來。極化探頭測量的原理及結構如圖1所示。

按圖2所示進行交流雜散電流對管道陰極保護電位干擾試驗。試驗系統組成包括四個部分，分別

(a)　原理 (b)　結構圖1　極化探頭法測量管道電位原理及結構圖Fig. 1　The schematic (a) and structure (b) of pipe potential measured by polarized probe

為管道系統、陰極保護系統、雜散電流干擾系統、數據采集系統。管道系統主要包括埋地管道和試驗點處不同破損面積的試片；陰極保護系統包括恒電位儀、輔助陽極和參比電極；雜散電流干擾系統包括輸出恒電流的干擾電源以及泄流回流電極；數據采集系統包括數據采集卡(DAQ)、極化探頭以及安裝Labview軟件的電腦等。

1.2試驗方法

為了模擬管道的不同防腐蝕層破損面積在雜散電流干擾的情況下對陰極保護電位的影響，采用不同防腐蝕層破損面積的試片與管道破損點相連接，代替管道的破損面積。試片防腐蝕層破損點設置見表1，其中破損點1~4分別距A端0.5,1.2,1.8,2.5 m。

表1　管道防腐層破損點設置

圖2　交流雜散電流對陰極保護系統干擾試驗示意圖Fig. 2　The experiment schematic of AC stray current interference on cathodic protection system

針對管道上同一點處防腐蝕層破損面積Sdef不同的情況，研究雜散電流干擾對管道陰極保護電位帶來的影響，在破損點1處設置破損面積分別為50,100,200,300,400,625 mm2的試片，見表1。針對管道與鐵軌并行時不同并行長度和并行間距情況，研究雜散電流干擾對管道陰極保護電位帶來的影響。固定其他的外部條件，并行長度從0.5 m變化到3.0 m，并行間距從0.2 m變化到1.0 m，測量存在交流干擾時陰極保護電位的變化，通過試片斷電法得到管道的真實保護電位。

采集的數據中，分為無雜散電流干擾時管道的測量保護電位UM-pro，以及有雜散電流干擾時管道的測量保護電位UIM-pro。通過試片斷電法[7-9]，可以計算出無雜散電流干擾時管道的真實保護電位UT-pro，以及有雜散電流干擾時管道的真實保護電位UIT-pro。將測量電位和真實電位對比分析，可以得到雜散電流對埋地管道陰極保護電位的干擾規律。

2結果與討論

2.1防腐蝕層破損面積的影響

由圖3可知，無雜散電流干擾時，隨著防腐蝕層破損面積的增大，陰極保護電位稍有減小的趨勢，測量值穩定在-0.99 V左右，真實值穩定在-0.95 V左右。由此可知，一定范圍內防腐蝕層的破損面積對管道的陰極保護電位影響很小。但是可以預測到隨著管道長度增加及防腐蝕層破損面積增大，陰極保護電位減小的趨勢將變大，導致管道失去保護。當有雜散電流干擾時，隨著管道防腐蝕層破損面積的增大，管道陰極保護電位的測量值有減小的趨勢，在Sdef為300 mm2時出現一個最小值。從圖3還可以看出，有交流干擾時的保護電位測量值大于無干擾時的測量值，即UIM-pro>UM-pro；而有干擾時的保護電位真實值卻遠小于無干擾時的真實值，即UIT-pro

圖3　管道不同防腐蝕層破損面積下管地電位曲線Fig. 3　The pipe-soil potential curves in different coating defect areas

將雜散電流干擾前后陰極保護電位差的測量值和真實值統計如表2所示。其中,測量值為ΔUM=

表2　交流干擾前后保護電位差的測量值與真實值

UIM-UM，真實值ΔUT=UIT-UT。

由表2可知，干擾前后保護電位差的測量值變大，而真實值變小。在破損面積為300 mm2時，陰極保護電位差真實值達到最大，即在試驗所驗證的防腐蝕層破損面積范圍內，當破損面積為300 mm2時交流雜散電流的干擾最大。

由圖3中受干擾瞬間的極大值Umax可知，在雜散電流干擾的瞬間，會有一個較強的電位信號Umax出現，并大大超出恒電位儀的設定值，最大值超出設定值的50%。同時,可以看到Umax隨著破損面積的增大呈現減小的趨勢，這說明管道防腐蝕層破損面積越小，受到交流干擾時出現的強電壓信號值越大，對陰極保護系統及防腐蝕層都將產生較大影響。因此要注意由于交流雜散電流干擾在小破損點處帶來的防腐蝕層剝離等現象發生。

2.2管軌并行間距的影響

由圖4可知，管道未受雜散電流干擾時，不同管軌并行間距下管道陰極保護電位的測量值和真實值分別維持在-0.95 V和-0.90 V左右。當管道受到雜散電流干擾時，電位測量值隨管軌并行間距增大而減小，由-1.06 V左右減小到0.98 V左右；而真實值隨著管軌并行間距的增大而增大，由-0.77 V左右增大至-0.89 V左右，但是仍然小于未受干擾時保護電位的真實值。

圖4　不同管軌并行間距下的電位曲線Fig. 4　The potential curves under different parallel distance between pipelines and rails

由圖5可知，管道受干擾時，IR降曲線近乎為二次多項式曲線，即隨著管軌并行間距的不斷增大，IR降不斷減小，減小的速率由大變小。這說明管軌并行間距越大，因雜散電流干擾導致的IR降越小，電位的真實值越接近測量值，管道受到的干擾影響也越小。

圖5　管道受交流干擾時，IR降隨管軌并行間距變化曲線Fig. 5　The IR drop curve along with parallel distance between pipelines and rails under AC interference

2.3管軌并行長度的影響

從圖6中可見，未受雜散電流干擾時,電位曲線波動很小，當受到雜散電流干擾時，電位測量值UIM-pro隨著管軌并行長度的增大而增大，電位真實值UIT-pro隨著管軌并行長度的增大反而減小。總體趨

圖6　不同管軌并行長度下電位變化曲線Fig. 6　The potential curves under different parallel length of pipelines and rails

勢看來并行長度越長，對陰極保護電位的干擾越大。表面上陰極保護測量電位已經達到了保護要求，甚至超出了恒電位儀設定值，而保護電位的真實值卻遠小于測量值，且遠遠小于未受雜散電流干擾時管道的真實保護電位。從雜散電流干擾時電壓真實值曲線可以看出，并行長度超過2.0 m之后，保護電壓真實值基本維持在-0.81 V左右，并行長度對陰極保護的影響逐漸趨于穩定。

從圖7中可見,雜散電流干擾前的IR降曲線幾

圖7　交流干擾前后IR降變化曲線Fig. 7　The IR drop curves before and after AC interference

乎是水平的直線，而雜散電流干擾后的IR降曲線在試驗管段內呈現對數規律變化，IR降隨著并行長度的增加迅速增大，之后增加速率減緩。

3結論

(1) 在管道防腐蝕層出現破損和管道與電氣化鐵路并行的情況下，交流雜散電流都將會影響管道的陰極保護電位，產生較大的IR降，使得管道真實的陰極保護電位遠小于電位測量值，造成陰極保護電位的誤判。

(2) 在交流雜散電流干擾的瞬間，將會有一個較強的電位信號產生，并大大超出恒電位儀的設定值，可能造成防腐蝕層的陰極剝離。

參考文獻：

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[2]鮑元飛，李自力. 交流雜散電流對管道交流干擾電壓的影響規律[J]. 腐蝕與防護，2015,36(3):221-225.

[3]孫秋霞. 材料腐蝕與防護[M]. 北京：冶金工業出版社，2004：92.

[4]張婷，龔敏. 3PE防腐層聯合陰極保護對管道的保護效果[J]. 腐蝕與防護，2012,33(9):765-768.

[5]吳蔭順，曹備. 陰極保護和陽極保護——原理、技術及工程應用[M]． 北京：中國石化出版社，2007：212．

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[9]秦鶯,宋偉,鄭志受. 輔助試片法管道陰極保護電位的精確測量[J]. 計量技術，2008(11):35-38.

Effects of Alternating Current Stray Current Interference on Cathodic Protection Potential of Buried Pipeline

BAO Yuan-fei1, WU Yong-kun2, GAO Hua-liang3, ZHENG Yuan-jie4

(1. Wantong Gas Engineering Designing Co., Ltd., Ji′nan Hong Kong and China Gas Co., Ltd., Ji′nan 250014, China；2. Shandong Shihua Natural Gas Co., Ltd., Qingdao 266071, China； 3. Shandong Natural Gas Pipeline Co., Ltd.,Jinan 250101, China; 4. Sinopec Qingdao liquefield Natural Gas Co., Ltd., Qingdao 266400, China)

Abstract：An experiment to simulate the interference of alternating current (AC) stray current on the pipeline cathodic protection (CP) potential under different factors was designed. And then the potentials were collected by data acquisition system, and the pipeline CP potential signals were separated from the AC interference signal by designed filter system to get the true pipeline CP potential. The results indicate that there would be a huge IR drop under AC stray current interference, which could make the true CP potential deviated from the test CP potential got by surface reference method. At the time of AC interference emerging, there would be a huge potential signal, which could adversely impact the potentiostat instrument and pipeline coating.

Key words：alternating current (AC) stray current； buried pipeline； cathodic protection (CP) potential； AC interference

中圖分類號：TG174

文獻標志碼：A

文章編號：1005-748X(2016)02-0156-04

通信作者：鮑元飛(1988-)，助理工程師，碩士，從事城鎮燃氣設計、油氣儲運系統安全及輸氣管道工程管理等工作，15069170922，baoyuanfei_a@163.com

收稿日期：2015-03-23

DOI:10.11973/fsyfh-201602015