地鐵雜散電流干擾下管道陰極保護電位的測量與評價

李平

（中國石化管道儲運有限公司，徐州221008）

陰極保護技術(shù)在埋地長輸鋼質(zhì)管道的腐蝕防護方面得到大量應(yīng)用，陰極保護與防腐蝕涂層聯(lián)合應(yīng)用是公認的埋地管道優(yōu)選防腐蝕方法。根據(jù)GB／T 21448－2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》標準要求［1-3］，應(yīng)采用管道對地的極化電位或消除IR降的斷電電位評價管道陰極保護的有效性。埋地管道的陰極極化量達到100 mV或者極化電位負于－850 mV（相對于銅／硫酸銅參比電極，CSE），認為陰極保護是有效的。在現(xiàn)場測試中通常采用斷電測試消除IR降得到斷電電位，以評價陰極保護的有效性。

雜散電流也稱為迷流，是在規(guī)定路徑之外流動的電流，它對埋地管道腐蝕防護的影響是多方位的。管道斷電電位測試的難度因雜散電流的存在而增大；直流雜散電流可能會影響恒電位儀輸出，對管道全線陰極保護造成影響。在埋地管道吸收直流雜散電流的區(qū)域，管道電位會偏負，可能會造成涂層剝離以及氫脆等問題；而在埋地管道釋放直流雜散電流的區(qū)域，管道金屬會快速腐蝕，進而可能導致管道穿孔。我國目前大力推進城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)，在大型城市，地鐵等直流供電設(shè)施對周邊埋地鋼質(zhì)管道的影響已經(jīng)非常普遍。

地鐵系統(tǒng)對周邊埋地金屬構(gòu)筑物造成的雜散電流干擾是一種動態(tài)的直流干擾。存在強烈的動態(tài)直流雜散電流干擾時，如何準確測試試片的斷電電位對于正確評價管道的陰極保護水平具有重大意義。本工作以受南京地鐵直流雜散電流影響的某埋地輸油管道為例，采用新式自動式試片電位采集儀，對其陰極保護電位進行了檢測和評價，以期為動態(tài)干擾情況下準確測量埋地管道斷電電位提供新思路。

1 常規(guī)斷電電位測試方法

管道的保護電位是陰極保護的關(guān)鍵參數(shù)，也是評價陰極保護是否有效的基礎(chǔ)，基于該參數(shù)可對管道陰極保護設(shè)備輸出進行調(diào)整、優(yōu)化。因此，準確測量管道的保護電位對腐蝕防護工作具有重要意義。瞬間斷電法被廣泛應(yīng)用于管道斷電電位的測試中［4］。在現(xiàn)場操作中，瞬間中斷對所測量位置有影響的陰極保護電流，此時測量得到的就是斷電電位。其確認不存在直流雜散電流干擾源，瞬間斷電法測得的斷電電位值即為極化電位［1］。工程中常用的瞬間斷電電位測試方法有如下兩種：

（1）密間隔電位測試法（CIPS）

密間隔電位測試是管道外腐蝕直接評估工作的重要內(nèi)容。在執(zhí)行該方法時，須在有影響的陰極保護電源處安裝同步斷路器，然后檢測人員手持探杖（端部放置CSE）以密間隔方式（3～5 m）沿管道前行、測量管道的通／斷電位，文中所有電位若無特指，均相對于CSE。該方法可以獲取管道沿線的保護電位。通過對管道全線保護電位進行分析，可判斷陰極保護的有效性，對陰極保護系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化并采取相應(yīng)的整改措施。但是，當管道受到直流雜散電流干擾時，該方法不適用。

（2）極化試片法

根據(jù)GB／T 21246－2006《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法》標準，當管道受到直流雜散電流干擾無法采用瞬間斷電法（CIPS）測量電位時，可采用極化試片法。極化試片（極化探頭）由在測試位置處埋設(shè)的金屬試片和參比電極構(gòu)成，裸露的金屬試片用于模擬管道防腐蝕層的破損點。試片材質(zhì)應(yīng)與管道的相同，并應(yīng)根據(jù)管道防腐蝕層的情況選取適當?shù)男螤詈兔娣e，陰極保護極化試片的面積為6.5～10 cm2。通過斷開試片與管道的電導通，可以將測量路徑上的電壓降減至很小，此時，測量得到的斷電電位可以近似為極化電位。若使用極化試片測量得到的斷電電位有效，則防腐蝕層上同等尺寸以及更小尺寸的破損點也處于有效的陰極保護。

極化試片法在業(yè)界已有較多應(yīng)用［2-6］，在大量實踐應(yīng)用中表明在無雜散電流干擾的情況下，試片斷電電位的讀取有成熟準確的方法；當管道受到嚴重的動態(tài)直流雜散電流干擾時，測試人員肉眼無法使用普通電壓表準確讀取試片的斷電電位，會造成測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

2 陰極保護電位測量記錄新方法

選取某原油輸送管道與地鐵平行、交叉的管段，研究其所受到的動態(tài)直流雜散電流干擾。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該管道在石埠橋站附近遭受雜散電流干擾的長度約22 km，管 道 尺 寸 為 φ762 mm ×8.7／10.3／12.5 mm，管道采用L415／X60鋼，防腐蝕層材料為熔結(jié)環(huán)氧粉末，該管道于2004年投入運營。管道石埠橋站與南京地鐵2號線和4號線臨近，與地鐵站距離最近的點位于474號測試樁處，距離地鐵站約3.1 km。

現(xiàn)有測試結(jié)果表明，該管道受到地鐵雜散電流的影響。在日間地鐵運行期間管道電位波動劇烈，而在夜間地鐵停運期間，管道電位較為平穩(wěn)，見圖1。由圖1可見：在地鐵運行期間采用斷電電位來評價陰極保護的有效性是十分困難的。

圖1 459號測試樁處管道通斷電電位的長時間監(jiān)測結(jié)果Fig.1 Long-time monitoring results of on／off potential at test station 459＃

在受到地鐵動態(tài)直流雜散電流干擾情況下，不能繼續(xù)采用數(shù)字電壓表和手動斷開試片與管道間連接的方法測量管道斷電電位。這是因為在動態(tài)直流干擾情況下，普通數(shù)字式電壓表顯示的數(shù)據(jù)波動劇烈，無法對其進行準確判讀，試片的斷電電位也無從確定。

為了準確測試試片的斷電電位，本工作采用自動式試片電位采集儀對試片的斷電電位進行測試，用于管道斷電電位的測試和陰極保護效果的評價。首先選取圓柱形、面積為6.5 mm2的極化試片，埋設(shè)于該管道沿線多處測試樁處，然后在管道和試片之間增加自動式試片電位采集儀（記錄儀），自動式試片電位采集儀用于測試與管道連接的試片的通電電位和瞬間斷電電位。該采集儀內(nèi)置自動通斷和數(shù)據(jù)讀取功能，可以在斷開試片與管道的連接后自動讀取、存儲電位數(shù)據(jù)。該設(shè)備可以對極化試片的斷電電位進行長時間監(jiān)測。

在測量試片斷電電位前，應(yīng)確保試片與土壤充分接觸，并在試片埋設(shè)24 h后進行測試以使試片最大程度得到極化。在測試中使用自動式試片電位采集儀采集電位數(shù)據(jù)，該設(shè)備安裝在管道與試片之間，具體的連接方式見圖2。采集儀的參數(shù)設(shè)置如下：

（1）采集儀的通斷周期設(shè)置為周期15 s，斷電3 s，或者周期5 s，斷電1 s。

（2）采集儀的采集頻率設(shè)置為1 s采集一組數(shù)據(jù)。

（3）測試時間為2 h或者24 h（根據(jù)干擾情況確定）。

圖2 自動式電位采集儀的接線圖Fig.2 Wiring diagram of automated potential collector

本工作采用自動式試片電位采集儀在原油管道沿線進行斷電電位測試，并評價其陰極保護的有效性。圖3展示了某測試樁處的通、斷電電位。圖4為局部放大圖，可以更清晰地查看管道的斷電電位。由圖3，4可見，該管道的通電電位在地鐵運行期間波動非常劇烈（－8～6 V），但其斷電電位波幅較小。管道斷電電位的波動可能是由于極化水平的波動，也可能是因為參比電極與試片之間尚存在IR降造成的。

圖3 原油管道某測試樁處的管道電位Fig.3 Pipe potential at a test pile of a crude oil pipeline

3 陰極效果評價

利用新型自動式試片電位采集儀配合極化試片的方法，對原油管道斷電電位進行了測試，并對測試結(jié)果進行分析，見表1。

圖4 圖3的局部放大圖Fig.4 Partially enlarged view of Fig.3

表1 管道風險評級結(jié)果Tab.1 Rick rating results of the pipeline

根據(jù)GB／T 21448－2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》中4.4節(jié)“陰極保護準則”所述，在一般土壤和水環(huán)境中，管道無IR降時的陰極保護電位應(yīng)處于－0.85～－1.20 V。而當管道受直流干擾時，該標準未明確陰極保護準則（4.4.6節(jié)）。因此，根據(jù)GB／T 21448－2017標準，所測試管段19處測試樁中有17處的斷電電位不滿足標準要求。

對于已投運陰極保管道的直流干擾評價，GB 50991－2014《埋地鋼質(zhì)管道直流防護技術(shù)標準》提出“當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應(yīng)及時采取干擾防護措施”。本工作所檢測的管道，由于受動態(tài)直流雜散電流干擾導致其斷電電位亦有波動，477號和475號樁在測試時間段內(nèi)有較少的時間段（小于所測試時間段的0.15%）斷電電位正于－850 m V。在該種工況下，GB50991－2014標準未明確金屬腐蝕速率是否小于0.01 mm／a。

因此，對于本次測試數(shù)據(jù)，筆者采用GB 50991－2014附錄中列出的AS2832.1－2004《Cathodic protection of metals-pipes and cables》標準檢測和評價，也供從業(yè)者參考。澳大利亞AS2832.1－2014標準中提出，對于受到動態(tài)直流雜散電流干擾的金屬構(gòu)筑物，使用數(shù)據(jù)記錄儀采集足夠長時間內(nèi)管道的電位，對短時間極化、防腐涂層性能良好的構(gòu)筑物采用以下百分比方法判斷陰極保護有效性：

（1）電位正于保護準則的時間不超過數(shù)據(jù)記錄儀采集時間的5%；

（2）電位正于保護準則＋50 m V（對鋼鐵構(gòu)筑物電位為－800 mV）的時間不超過數(shù)據(jù)記錄儀采集時間的2%；

（3）電位正于保護準則＋100 mV（對鋼鐵構(gòu)筑物電位為－750 m V）的時間不超過數(shù)據(jù)記錄儀采集時間的1%；

（4）電位正于保護準則＋850 m V（對鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV）的時間不超過數(shù)據(jù)記錄儀采集時間的0.2%。

基于AS2832.1－2014標準提出的極化電位偏移幅度及時間比例，對本次檢測的19個測試樁處試片的斷電電位最正值、最負值、平均值及相對于保護準則正向偏移的比例進行計算，在此基礎(chǔ)上對受干擾管道的腐蝕風險進行了評價。結(jié)果表明，在所考查的19個測試點中，有13個測試點在測試時間內(nèi)的斷電電位正于－850 mV的時間大于5%，占測試樁總數(shù)量的68%，具體結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

（1）當管道受到地鐵動態(tài)雜散電流干擾時，利用自動式試片電位采集儀配合極化試片的方法測試管道斷電電位是準確可靠的，與常規(guī)的手動斷電讀取法相比，能夠避免因斷電電位劇烈波動而引起的讀取誤差；

（2）在地鐵動態(tài)直流雜散電流干擾區(qū)段如何消除試片斷電電位中所包含的IR降是值得進一步研究的一個難題；

（3）采用AS2832.1－2014標準提出的極化電位偏移幅度及時間比例，可對本次檢測數(shù)據(jù)進行計算和腐蝕風險評價；

（4）建議國內(nèi)管道相關(guān)從業(yè)者推動修訂在管道遭受直流干擾時，國標中的陰極保護電位評價準則。