雜散電流干擾下埋地管道陰極保護有效性檢測與評價

李 偉，郭艷偉，劉禮良，鮑俊濤

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；3.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029）

埋地管道的防腐層性能降低或破損時，陰極保護可以防止管道快速腐蝕破壞［1］。隨著電力、交通等行業(yè)的高速發(fā)展，埋地管道往往和高壓電線塔、鐵路、地鐵等設(shè)施平行或交叉埋設(shè)，其陰極保護裝置的有效性和測量準確性不可避免受到雜散電流的干擾，影響埋地管道的安全使用［2-5］。

1 雜散電流定義、種類、腐蝕機理及檢測［6-9］

1.1 雜散電流定義

雜散電流腐蝕本質(zhì)上是電化學腐蝕，由于埋地管道具有導電性，雜散電流從管道的一個部位流入，從另一個部位流出，導致管道表面電流密度發(fā)生變化，形成電位差，即雜散電流干擾。

1.2 雜散電流種類

1.2.1 靜態(tài)直流雜散電流

靜態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示意圖見圖1。

圖1 靜態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示圖

當2條管道距離較近時，在被保護管道的陽極地床附近，部分陰極保護電流進入受干擾管道，在其中穿行一段距離后從某處離開受干擾管道，又重新返回被保護管道內(nèi)。此過程在受干擾管道內(nèi)部形成了靜態(tài)直流雜散電流。

此種靜態(tài)直流雜散電流的特點是電流穩(wěn)定，電流大小和方向基本不變，管地電位（管道對地的電位）在雜散電流流出部位正向偏移，受干擾管道在此處發(fā)生腐蝕。

1.2.2 動態(tài)直流雜散電流

動態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示意圖見圖2。

圖2 動態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示圖

由地鐵、輕軌排流裝置向大地排放的電流流入附近的管道，產(chǎn)生動態(tài)直流雜散電流，其電流大小和方向一直在變化。尤其機務(wù)段鐵軌與地網(wǎng)之間的限壓低、鐵軌與道基絕緣差、漏電多，處于該段的管道會受到嚴重的腐蝕干擾。

1.2.3 高壓直流輸電線路干擾

高壓直流輸電線路干擾過程示意圖見圖3。

圖3 高壓直流輸電線路干擾過程示圖

高壓直流輸電線路在單極放電時，電源端和負載端將電流排放到大地，電流流入附近的埋地管道會造成腐蝕干擾。高壓直流輸電線路的干擾電壓有時會達到幾百伏，嚴重危害工作人員以及管道上設(shè)備的安全。

1.2.4 傳導型交流干擾

雷擊等大電流通過高壓電塔流入大地時，若電塔附近存在埋地管道，大電流會瞬間燒穿管道外防腐層，甚至擊穿管壁、傷害人員等。

1.2.5 感應(yīng)型交流干擾

埋地管道與多根高壓輸電線平行敷設(shè)時，每根輸電線的電流不平衡，管道與每根輸電線的間距亦不相同，因此管道上會形成電磁感應(yīng)的交流電壓和交流電流。管道距離輸電線路越近，平行距離越長，土壤電阻率越高，感應(yīng)出的交流電壓越高，反之則越低。

1.3 雜散電流腐蝕機理

埋地管道的雜散電流腐蝕屬于電化學反應(yīng)中的電解作用［10］，雜散電流通過大地進入到埋地管道中，形成腐蝕電池，電流流入的區(qū)域得到電子為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，其電位向負向偏移，因此不發(fā)生腐蝕。電流流出區(qū)域失去電子為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)，其電位向正向偏移，因此發(fā)生腐蝕［11-12］。但當陰極電位過大時，陰極區(qū)消耗電子發(fā)生析氫腐蝕［13］，導致外防腐層發(fā)生剝離，甚至發(fā)生氫脆以及氫致開裂［14］。陰、陽極發(fā)生的電化學反應(yīng)為［15］：

1.4 雜散電流檢測

根據(jù)GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》［16］，應(yīng)采用管地極化電位或斷電電位（消除IR降，即消除保護回路中的電流I與電解質(zhì)電阻和管道電阻R的乘積）評價管道陰極保護是否有效，埋地管道的極化電位相對于Cu/CuSO4參比電極負于-850 mV或者陰極極化量達到100 mV，認為陰極保護是有效的。根據(jù)GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》［17］，受雜散電流干擾時，一般采用瞬時斷電法來檢測斷電電位，進而評判陰極保護的有效性。AS 2832.1-2015《Cathodic Protection of Metals Pipes and Cables》［18］中重點考慮了管地電位正于保護電位的時間比例，即并非每個時刻管地電位均負于-850 mV，正于-850 mV的時間占總檢測時間的比例是重要參考因素。EN 50162-2004《Protection Against Corrosion by Stray Current from Direct Current Systems》［19］亦采用消除IR降的斷電電位來評估陰極保護的有效性，同時建議采用流探針測試法連續(xù)24 h監(jiān)測，通過統(tǒng)計低于基準值不同百分比的累積持續(xù)時間來評估管道面臨的腐蝕危險。

上述各國標準均采用消除IR降后的斷電電位評價雜散電流干擾下埋地管道的陰極保護有效性。目前斷電電位的檢測方法主要有密間隔電位測試法（CIPS）和極化試片法2種，其中極化試片法可以消除直流雜散等干擾因素，且測試方法簡單，廣泛應(yīng)用于陰極保護檢測中［20］。一般根據(jù)GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法》［21］選取和管道類似材質(zhì)、適當?shù)男螤詈兔娣e的試片進行斷電電位的測量。

2 雜散電流下陰極保護有效性評價實例

2.1 項目概況

某工程項目埋地管道總長約65 km。于2011-12完工投入使用，2015年完成首次定期檢驗。管道設(shè)計管徑457 mm，設(shè)計壓力6.3 MPa，運行壓力4.0 MPa,輸送介質(zhì)為天然氣，采用X52鋼級，設(shè)計規(guī)模4.5×108m3/a。管道存在與高壓輸電線路和鐵路并行情況，部分管段有并行管道正在施工。本次評價于2019-12開展，2020-05結(jié)束，其中包含雜散電流干擾測試、陰極保護有效性評價。

2.2 陰極保護有效性評價

采用極化試片法進行雜散電流的檢測，按照AS 2832.1-2015和 GB/T 21448-2017綜合判斷陰極保護效果。

將試片埋入管道沿線的65個測試樁（編號為001～065），埋深均在 50 cm以上，設(shè)置極化時間24 h以上。對這65個測試樁的直流通電電位、直流斷電電位、交流電壓、直流電流、交流電流進行24 h監(jiān)測。記錄測試時段內(nèi)各個測試樁的最大電位和最小電位。

根據(jù)測試持續(xù)的時間以及每個測試時間點的斷電電位，計算平均電位、平均電位正于保護標準的時間比例、平均電位正于保護標準+50 mV的時間比例、平均電位正于保護標準+100 mV的時間比例以及平均電位正于保護標準+850 mV的時間比例。

按照平均電位正于保護標準的時間比例小于5%、平均電位正于保護標準+50 mV的時間比例小于2%、平均電位正于保護標準+100 mV的時間比例小于1%、平均電位正于保護標準+850 mV的時間比例小于0.2%的標準綜合判斷陰極保護效果。當這4個時間比例均在所要求的判定比例之內(nèi)（即分別為 5%、2%、1%、0.2%）時，判定結(jié)果為合格，否則不合格。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，這65個測試樁中有45個合格，20個不合格，以測試樁數(shù)量計算的合格率為69.2%。不合格測試樁斷電電位（消除IR降后）測量及評價數(shù)據(jù)見表1，可以看到部分測試樁的平均斷電電位負于-850 mV，但由于正于保護電位的比例較高，說明這些測試樁附近的管道受到雜散電流干擾比較嚴重。

表1 不合格測試樁斷電電位（消除IR降后）測量及評價數(shù)據(jù)

2.3 陰極保護失效原因分析

通過雜散電流監(jiān)測可以看出，全線直流瞬時干擾嚴重，分析認為這可能與并行管道施工有關(guān)。交流干擾主要是220 kV交流輸電線路和電氣化鐵路并行有關(guān)，001～032號測試樁之間的部分管道受到220 kV交流輸電線路干擾，干擾形式主要是感應(yīng)型。033～065號測試樁之間的管道主要受電氣化鐵路干擾，干擾形式主要是傳導型，特別是051～059號測試樁之間管段的交流電壓峰值達到34 V，存在較大的人身傷害及腐蝕風險。選取具有代表性的不合格測試樁的檢測數(shù)據(jù)進行分析。

2.3.1 005號測試樁

005號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 005號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

005號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，該處直流電流基本平穩(wěn)，但存在瞬時波動較大的情況。交流電流和交流電壓較大，這是由于該處管道與交流輸電線路為平行敷設(shè)，由電磁感應(yīng)出交流電壓和交流電流，導致斷電電位在-850 mV上下波動，且正于保護標準比例為68.05%，造成陰極保護失效。

2.3.2 009號測試樁

009號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 009號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

009號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，該處直流電流波動較小，但存在瞬時干擾。交流電壓及交流電流基本無波動，此段管道的斷電電位正于保護標準比例為93.94%，陰極保護失效的原因可能為該段管道敷設(shè)在山區(qū)，土壤電阻率過大，導致陰極保護電流流入較少。

2.3.3 013號測試樁

013號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 013號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

013號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，該段管道斷電電位在某一時間段突然正向偏移，甚至達到正值，對應(yīng)時間段的交流電壓發(fā)生劇烈波動，原因可能系鄰近的并行管道施工用電，導致陰極保護失效。

2.3.4 054號測試樁

054號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 054號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

054號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，斷電電位在一些時間點存在劇烈波動，對應(yīng)時間點的交流電壓、交流電流均存在較大波動，原因可能是此處管道附近有條鐵路，在固定時間點均有火車經(jīng)過，受到鐵路的交流干擾，導致陰極保護失效。

3 結(jié)語

介紹了雜散電流的定義、腐蝕機理以及檢測方法。通過工程實例，落實了雜散電流檢測、斷電電位測量以及陰極保護有效性評價的完整流程，可為工程實際應(yīng)用提供指導及參考。對某段管道沿線65個測試樁的檢測和評價結(jié)果表明，①沿線共有45個測試樁陰極保護合格，20個測試樁不合格，以測試樁的數(shù)量計算的合格率為69.2%。②全線直流瞬時干擾嚴重，可能與并行管道施工有關(guān)。③部分管道受到220 kV交流輸電線路干擾，由電磁感應(yīng)出的交流電壓和交流電流波動較大，造成陰極保護不合格。④部分管道存在敷設(shè)在山區(qū)情況，土壤電阻率較大，陰極保護電流流入較少，造成陰極保護不合格。⑤與鐵路并行的管段在某些時刻的交流電壓、交流電流劇烈波動，造成斷電電位相應(yīng)波動，導致陰極保護失效。