埋地金屬油氣管道交流雜散電流檢測、評價綜述

鐘 良 董 凱 孫偉棟 譚 冰

（國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008）

0 引言

油氣管道在確保國家能源安全、保障國計民生等方面發(fā)揮了重要作用，但隨著能源、交通等行業(yè)的迅猛發(fā)展，雜散電流干擾源逐漸增多，而埋地油氣管道大部分為鋼質(zhì)金屬管道、且多數(shù)管道均存在不同程度的外防腐層破損，因此受到的雜散電流干擾也越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致管道遭受腐蝕的風(fēng)險增加，影響管道安全運(yùn)行，2019年，江蘇省境內(nèi)某原油管道通過內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)管壁減薄超過50%的達(dá)292處，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)雜散電流腐蝕坑多處，經(jīng)檢測、分析，確認(rèn)部分位置存在交流腐蝕。

過去，人們普遍認(rèn)為交流干擾的危害主要是被干擾結(jié)構(gòu)電壓升高而危及人身安全，并不太關(guān)注由此造成的被干擾結(jié)構(gòu)的腐蝕問題且以前交流干擾造成的腐蝕較直流干擾腐蝕輕很多，隨著交流高壓輸電線的電壓等級越來越高（目前最高達(dá)1000kV），交流干擾腐蝕也越來越嚴(yán)重，促使人們更加重視這類問題。

隨著交流雜散電流對管道的危害日益突出，越來越多的運(yùn)營管理單位都更加重視雜散電流檢測、評價工作，因為檢測數(shù)據(jù)及評價結(jié)論是做好干擾防護(hù)（排流）工作的基礎(chǔ)，但是，由于雜散電流干擾及現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，有時要得到準(zhǔn)確、有效的結(jié)論并非易事，本文旨在結(jié)合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、經(jīng)驗等進(jìn)行較全面的論述，以期為后續(xù)的防護(hù)（排流）工作提供指導(dǎo)。

1 交流雜散電流檢測、評價

1.1 交流干擾檢測

交流干擾檢測的主要參數(shù)為交流電壓及電流密度，核心參數(shù)是電流密度，關(guān)于交流電流密度，除了直接測量，GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱GB/T 50698）提供了公式進(jìn)行計算，使用該公式需要測量交流電壓、測量防腐層破損點（漏點）位置的土壤電阻并計算電阻率，但是公式中的V值有時難以準(zhǔn)確測量，計算ρ值需要先獲取土壤電阻R值，但有時難以準(zhǔn)確獲取R值。

檢測位置附近管體的外防腐層有如果存在大面積破損點、存在排流接地或未知電氣接地，由于裸露面積增大，電壓場范圍增大，此時附近土壤中的地電場電勢已不為零，這種情況下如果參比電極或接地鋼釬仍然置于破損點管道上方，測量的交流電壓將會存在誤差，此種情況宜采用遠(yuǎn)參比法，雖然標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0032-2000已作廢，但其規(guī)定的參比電極與管道垂直距離大于等于10m的測法沒有任何問題，不管管道防腐層有無破損點—遠(yuǎn)參比法都是準(zhǔn)確有效的方法，但是使用遠(yuǎn)參比法牽涉到測試導(dǎo)線的放線、收線等，總體工作效率相對偏低一些，如果一條管線防腐層質(zhì)量良好（比如新建的剛竣工驗收過的管線），則無需采用遠(yuǎn)參比法，管道外防腐層質(zhì)量良好時通過遠(yuǎn)、近參比法測量交流電壓實例如表1所示，由表1可知：對于外防腐層質(zhì)量良好的管道，遠(yuǎn)、近參比測得的交流電壓值相差很小。

表1 遠(yuǎn)、近參比法測量交流電壓實例數(shù)據(jù)（防腐層質(zhì)量良好時）

管道外防腐層質(zhì)量較差時通過遠(yuǎn)、近參比法測量交流電壓實例如表2所示，由表2可知：對于外防腐層質(zhì)量較差的管道，遠(yuǎn)、近參比法測得的交流電壓值有一定差距。

表2 遠(yuǎn)、近參比測量交流電壓實例數(shù)據(jù)（防腐層質(zhì)量較差時）

由于有時外防腐層破損點面積遠(yuǎn)大于1cm2，計算交流電流密度時，要使用實際的裸露面積以及遠(yuǎn)參比測量到的交流電壓，不能仍然假設(shè)破損點面積為1 cm2即公式中的d值不能再取0.0113。另外，如果存在大面積破損點，管體接地電阻降低，將起到一定的“自我”排流作用，此時檢測評價的干擾程度很可能弱于防腐層修復(fù)好之后（如果干擾源無明顯變化）。

因此，在實際檢測評價工作中，如果想使用公式進(jìn)行計算出準(zhǔn)確的交流密度值，應(yīng)先進(jìn)行外防腐層質(zhì)量檢測，對于存在大面積破損點或接地體的位置、在交流干擾參數(shù)檢測時需注意上述問題。

土壤電阻R的測量通常采用Wenner四電極法，電極等間距布設(shè)，間距大小等于埋深，通過外檢測手段獲取的管道埋深通常是地表到管頂?shù)闹本€距離或到管中心的直線距離，并非地表到破損點位置處的距離，當(dāng)然，如果破損點正好位于管頂或者3點鐘、9點鐘位置、可以獲取準(zhǔn)確埋深，但這種情況畢竟是少數(shù)，而且管徑越大，破損點埋深誤差也越大。

Wenner四極法所測量的電阻是測深范圍內(nèi)土壤的平均電阻，并非外防腐層破損點所在位置附近的土壤電阻，如果土壤電阻均勻，則測量的電阻為外防腐層破損點所在位置的土壤電阻或比較接近真實值，如果土壤出現(xiàn)分層（電阻不均勻）或者Ca2+、Mg2+等離子在缺陷處沉積、則電阻測量值與真實值之間將出現(xiàn)偏差。電阻率計算公式ρ=2πaR中，a為電極間距即管道埋深，由于多數(shù)時候無法獲取準(zhǔn)確的a值，有時還難以獲取準(zhǔn)確的R值，如果二者的值都不夠準(zhǔn)確，計算所得的ρ值將產(chǎn)生誤差。

因此，雖然從原則上來說——電流密度可以通過擴(kuò)散電阻（防腐層破損點或試片裸露金屬表面對地的歐姆電阻，在給定直流或交流電壓時，該電阻控制著流通的交流或直流電流大小）、防腐層破損的形狀大小以及交流電壓計算得到，但該計算值通常與試片，因為防腐層缺陷形狀以及它的表面積一般是不確定的，實際檢測中通過開挖（坑檢）進(jìn)行防腐層缺陷檢測的畢竟是少數(shù)，此外，陰極保護(hù)的應(yīng)用也會改變擴(kuò)散電阻以及給定電壓下的電流密度。

綜上，使用公式計算的交流電流密度值和實測值有時接近，有時會有差異，因此，交流電流密度數(shù)據(jù)的獲取宜盡量以試片直接測量法為主，公式計算為輔。公式計算可以對試片測量結(jié)果進(jìn)行驗證，如果二者一致或接近，則證明試片檢測結(jié)果可靠，如果二者存在差別，則以試片測量結(jié)果為主要評價依據(jù)。

1.2 交流干擾程度評價/評估

1.2.1 交流電壓

采用交流電壓作為交流干擾程度的的判斷，其優(yōu)點是測試方便容易，缺點是判斷依據(jù)不甚嚴(yán)謹(jǐn)，因為交流腐蝕的影響因素不僅僅是交流電壓，因此，現(xiàn)在通常用交流電壓來進(jìn)行輔助評價或評估。

英國標(biāo)準(zhǔn)DD CEN/TS 15280-2006《Evaluation of a.c.corrosion likelihood of buried pipelines－Application to cathodically protected pipelines》（以下簡稱CEN/TS 15280）中指出[1]：土壤電阻率大于25Ω·m 時，交流電壓不應(yīng)超過10V，土壤電阻率小于25Ω·m 時，交流電壓不應(yīng)超過4V，這也是GB/T 50698中規(guī)定“當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流干擾防護(hù)措施”的依據(jù)來源。

如果假設(shè)交流電壓為9 V（未超過10V）、土壤電阻率為26Ω·m（大于25Ω·m）時，通過公式計算的交流電流密度為78A/m2，但CEN/TS 15280指出：當(dāng)交流電流密度在30A/m2～100A/m2之間時，腐蝕可能性為中等。

交流電流密度是評價交流干擾程度的主要參數(shù)，舊標(biāo)準(zhǔn) GB/T21447-2008、SY/T 0087.1-2006都采用交流電壓來評價干擾程度，但這種指標(biāo)存在一定不嚴(yán)謹(jǐn)性和局限性，因為有可能出現(xiàn)交流電壓高、電流密度低或者交流電壓低、電流密度大的情況，這主要受擴(kuò)散電阻控制，擴(kuò)散電阻主要受土壤電阻和缺陷處金屬氧化物（比如鐵銹）、Ca2+、Mg2+等離子及生成的不溶或難溶沉積物（比如CaCO3、Mg(OH)2）影響。在擴(kuò)散電阻較大時，可能出現(xiàn)“電壓高、電流密度低”的現(xiàn)象，反之，則可能出現(xiàn)“電壓低、電流密度高”的情況。土壤電阻率對交流電流密度的影響實例如表3所示，表3中序號1、2皆在南方水網(wǎng)地區(qū)檢測，土壤電阻率低，出現(xiàn)了“交流電壓低、電流密度高”的現(xiàn)象，序號3、4在北方砂土干燥地區(qū)檢測，出現(xiàn)“交流電壓高、電流密度低”的情況。

由表3可知：土壤電阻率越低的區(qū)域，交流腐蝕風(fēng)險可能越高，因為這種情況下，較低的交流電壓即可產(chǎn)生較高的交流電密度，之所以說“可能”，是因為GB/T 50698條文說明指出：對一些低土壤電阻率區(qū)域，采用單一交流電流密度來評估存在局限性，但是，當(dāng)交流電流密度較高時，也不能完全忽視交流腐蝕的可能性，CEN/TS 15280指出：土壤電阻率小于25Ω·m 時，交流電壓不應(yīng)超過4V，否則存在交流腐蝕的可能。如表3序號2—干擾電壓已大于4V，該位置土壤電阻率小，存在交流腐蝕的風(fēng)險性與可能性。

表3 土壤電阻率對交流電流密度產(chǎn)生影響的實例

總之，較高的交流電壓可能意味著較高的交流電流密度和較高的干擾風(fēng)險，但二者并非絕對的成正比關(guān)系。W.V.貝克曼《陰極保護(hù)手冊》中指出：當(dāng)交流電流密度大于50A/m2時，腐蝕才是嚴(yán)重的[2]。

綜上所述，僅用交流電壓進(jìn)行評價是有局限性的，不能只采用交流電壓一個參數(shù)進(jìn)行交流雜散電流干擾程度評價和交流腐蝕風(fēng)險評估。2008版的GB/T 21447、2006版的SY/0087.1都列舉了交流干擾電壓判斷指標(biāo)，在最新的2018版中均已刪除。

另外，GB/T 50698在條文說明中又指出“對一些低土壤電阻率區(qū)域，采用單一交流電流密度來評估存在局限性，同樣對一些高土壤電阻率區(qū)域采用單一電壓指標(biāo)也存在局限性”，這樣描述造成可操作性不強(qiáng)，建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時給出高、低土壤電阻率的具體值或取值范圍，即適合采用交流電壓（或以之為主要指標(biāo)）的土壤電阻率范圍、適合采用交流電流密度（或以之為主要指標(biāo)）的土壤電阻率范圍。

1.2.2 交、直流電流密度比

高的直流電流密度導(dǎo)致陰極保護(hù)水平更高以及管道表面高pH值的形成，然而，在同時存在交流干擾時，高pH值的形成、擴(kuò)散電阻的降低以及表面氧化層的還原可以導(dǎo)致腐蝕速率的加速，因此，高的直流電流密度可能導(dǎo)致較高的交流腐蝕速率，但是，一個足夠高的直流電流密度可以防止任何陽極性金屬氧化，由此防止交流腐蝕的發(fā)生，因此，當(dāng)直流電密度非常高時，能起到對交流腐蝕的抑制作用，這取決于交流電流密度的高低，由此，兩種電流密度的比值可以用來評價腐蝕可能性，只要該比例低于某臨界值，不會出現(xiàn)交流腐蝕，因為交流陽極性半波的金屬腐蝕已被阻止。利用該比例作為交流腐蝕可能性的指標(biāo)的一個重要優(yōu)點是關(guān)于金屬表面的不確定性被排除掉了，計算時不需要金屬表面精確的面積。

CEN/TS 15280中給出了使用交直流電流密度比（Jac／Jdc）判斷交流干擾的標(biāo)準(zhǔn)：Jac/Jdc＜5，交流腐蝕可能性低；Jac/Jdc介于5～10之間，可能發(fā)生交流腐蝕；Jac/Jdc＞10，交流腐蝕可能性很高，需要采取緩解措施，ISO18086:2019《Corrosion of metals and alloys—Determination of AC corrosion—Protection criteria》（以下簡稱ISO 18086）也有相同的規(guī)定，并進(jìn)一步指出：電流密度比值介于3和5之間表明交流腐蝕的風(fēng)險很小，然后，為了將腐蝕風(fēng)險降低到最小，比3更小的電流密度比值是更優(yōu)的[3]。

圖1為某檢測實例，該位置的交流電流密度最大值183.41A/m2、平均值155.83A/m2，交、直流電密度比值在26.2～36.0之間，因此，該位置及附近交流腐蝕可能性很高，需采取排流措施。

總之，交流電流密度和直流電流密度控制了交流腐蝕過程和陰極保護(hù)水平，因此用它們來評價交流腐蝕可能性比使用通電電位或交流電壓更可靠。

1.2.3 土壤電阻率

土壤電阻率越小，雜散電流干擾程度加重及腐蝕風(fēng)險升高的可能性越大，對于交流、直流干擾均是如此，因為這意味著雜散電流流出的阻力（擴(kuò)散電阻）越小。ISO 18086指出：土壤電阻率低于25Ω·m時，存在非常高的交流腐蝕風(fēng)險，介于25～100Ω·m時，存在高腐蝕風(fēng)險。

1.2.4 腐蝕產(chǎn)物

GB/T 50698指出：對于鋼質(zhì)管道，其交流腐蝕的特征產(chǎn)物是Fe3O4，因此，搜集腐蝕產(chǎn)物并分析檢測其化學(xué)成分，有助于更準(zhǔn)確地判斷交流腐蝕。

1.2.5 其它特征

對于交流腐蝕，比較顯著的判斷特征還有：

（1）如果管道腐蝕位置的陰極保護(hù)良好，pH值較高（典型情況大于10），則是交流腐蝕的可能性很大；

（2）如果有產(chǎn)物有CaCO3或Mg（OH）2沉積（白色粉末），則應(yīng)懷疑有交流腐蝕，沉積物的出現(xiàn)是因為陰極保護(hù)電流密度足夠大，發(fā)生陰極反應(yīng)形成的，表明管道陰極保護(hù)效果良好，主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

1.3 防護(hù)（排流）效果評價

GB/T 50698規(guī)定：在土壤電阻率小于25Ω·m的地方、交流電壓小于4V為合格，在土壤電阻率大于25Ω·m的地方、電流密度小于60A/m2為合格。由于有些位置或區(qū)域的土壤電阻分布不均，可能在幾十米范圍內(nèi)土壤電阻率都不盡相同；筆者在某原油管道安裝了排流裝置的某個位置附近進(jìn)行了土壤電阻測量，然后選擇與第一個測點相距僅約30m另一個點進(jìn)行同樣測量，經(jīng)測量、計算，第一個點的土壤電阻率為21.10Ω·m，第二個點為27.76Ω·m，由此可見，有時土壤電阻率分布并不均勻，因此，宜盡量同時滿足“交流電壓小于4V、電流密度小于60A/m2”。

1.4 腐蝕速率評估

在遭受雜散電流干擾或可能存在干擾風(fēng)險的位置埋設(shè)腐蝕速率探頭、已經(jīng)采取防護(hù)（排流）措施的位置亦可安裝，定期采集、計算腐蝕速率，如果腐蝕速率未超標(biāo)，則認(rèn)為雜散電流腐蝕風(fēng)險較低或防護(hù)（排流）效果較好，ISO 18086也指出：有效的交流腐蝕控制也可通過測量腐蝕速率來證實。對于直流干擾程度或防護(hù)（排流）效果評估，也可采用腐蝕探頭。

1.5 注意事項

（1）采用試片測量時需注意：試片表面應(yīng)打磨除銹，盡量在不改變土壤電阻的條件下測量，試片埋設(shè)處通常不宜澆水，除非土壤很干燥時可適當(dāng)澆少量水。有人認(rèn)為澆水時測量的交流電流密度可認(rèn)為是降雨土壤潮濕時的值，但在降雨時，土壤電阻率也發(fā)生了變化，而土壤電阻率是影響交流電壓的因素之一；

（2）由于Fe3O4在潮濕的空氣中易氧化成三氧化二鐵，采集腐蝕產(chǎn)物時需注意，管道開挖后應(yīng)立即采集，取樣瓶取樣后立即密封、必要時注氮；

（3）采用前述公式計算交流電流密度時，GB/T 50698規(guī)定交流電壓取平均值，但最好將最大值（峰值）也代入進(jìn)行一次計算、評估，這樣才能對可能達(dá)到的最大干擾程度（最高干擾風(fēng)險）進(jìn)行評估；

（4）前文已述：高的直流電流（陰極保護(hù)電流）密度可以導(dǎo)致腐蝕速率的加速，這一點與直流干擾相反，對于較強(qiáng)的交流干擾，當(dāng)管道陰極保護(hù)水平高時，其腐蝕風(fēng)險反而更高，因此，陰極保護(hù)電位宜盡量接近-0.85V（厭氧菌存在的環(huán)境中-0.95V），不宜太負(fù)[4]。ISO 18086在“可接受的干擾水平”一章中指出：如果交流電流密度大于30A/m2，在1cm2試片或探針上測量得到的有代表性時間段內(nèi)（e.g.24 h.）的平均直流電流密度低于1A/m2，這樣規(guī)定也是為了控制保護(hù)電位、使其不要太負(fù)；

（5）交流干擾可接受水平的評價/評估需要考慮陰極保護(hù)電位，包括比較負(fù)的和比較正的陰極保護(hù)電位，比如ISO 18086規(guī)定：在陰極保護(hù)電位較負(fù)時，首選考慮滿足公式（1）；

式中Uac為交流電壓，V；Eon為通電電位，V。

而在陰極保護(hù)電位較正時，考慮交流電壓低于15V和交流電流密度低于30A/m2。

（6）雖然一個足夠高的直流電流密度可以防止任何陽極性金屬氧化，由此防止交流腐蝕的發(fā)生，但Helm[5]等人認(rèn)為：陰極保護(hù)電流密度小于250mA/m2時對交流腐蝕沒有緩解作用，當(dāng)陰極保護(hù)電流密度達(dá)到4000mA/m2時才產(chǎn)生緩解作用，但是，通常埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護(hù)電流密度在4.3～16.1mA/m2（中性土壤）或32.3～161mA/m2（高酸性土壤）之間，要達(dá)到4000mA/m2的電流密度，勢必產(chǎn)生過保護(hù)問題；

（7）經(jīng)驗表明：當(dāng)交流電壓大于等于土壤電阻率時，要計算交流電流密度，確認(rèn)交流腐蝕的可能性[4]。

2 結(jié)論

（1）不論是交流雜散電流干擾程度還是排流效果的檢測、評價，有時使用的指標(biāo)、準(zhǔn)則不止一個，需要根據(jù)具體情況合理選用，多數(shù)時候需要綜合運(yùn)用；

（2）在進(jìn)行交流雜散電流檢測、評價時，相關(guān)依據(jù)以國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為主，對于暫未引入國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的一些國外標(biāo)準(zhǔn)，可作輔助評價、評估或驗證之用，當(dāng)采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在困難時，如果適用性方面滿足條件，可適當(dāng)引用一些國外標(biāo)準(zhǔn)；

（3）近幾年來，國外發(fā)布了一些交流雜散電流方面的新標(biāo)準(zhǔn)，建議國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在修訂升級時考慮納入一些新的內(nèi)容尤其是相關(guān)的指標(biāo)、準(zhǔn)則—以更好地指導(dǎo)交流雜散電流的檢測評價工作。