動態直流干擾下陰極保護效果評價研究*

王洪志

(國家管網北方管道有限責任公司沈陽檢測技術分公司，遼寧 沈陽 110000)

隨著地鐵快速發展，從鐵路供電系統泄漏到大地的雜散電流對地鐵附近油氣管道產生一定的影響，管道直流干擾電位波動甚至超過正負 10 V，導致埋地管道腐蝕加速甚至穿孔，這已經成為油氣管道運行的一個重大安全隱患[1]。國內外對動態直流干擾開展了研究以及測試[2-3]，胡士信等[4]采用極化探頭以及測量儀對直流動態干擾下真實電位數據進行了對比及分析，認為這種極化探頭測量極化電位的方法很實用。夏沁等[5]介紹了有軌電車雜散電流的產生及危害，討論了常用的雜散電流檢測方法與判定標準，結果表明所測地點存在有軌電車的動態雜散電流干擾，干擾強度隨離開軌道距離的增大而減小。杜艷霞等[6]對雜散電流干擾程度與地鐵和管道的相對位置關系進行了研究。

在工程實踐中，在動態直流干擾時，干擾電位隨時間上下波動，測量和評價過程比較復雜以及國內外評價標準并不一致。對動態直流干擾下管道陰極保護有效性評價流程和有效運用進行分析，對于實際測量很有幫助。

1 國內外標準現狀

為了降低動態雜散電流對埋地鋼質管道的腐蝕危害，國內外制定了相應的標準。澳大利亞和英國等發布了相應的標準，規定了在一定監測時間段進行直流電流和電位測試，并對一定時間段的電流和電位進行評價[7-8]。

澳大利亞標準AS 2832.1—2015 《直流雜散電流干擾下的陰極保護效果評價》，規定了對電位進行長時間連續監測，測試時間一般應大于 12 h，采樣頻率應大于4次/min。對于防腐層較差的管道、其他極化和去極化較慢的管道，電位大于 -850 mV的時間不應超過測試時間的10%。對于防腐層較好的管道、其他能夠快速極化和去極化的管道，標準中給定的電位評價準則如下：

(1)電位大于-850 mV的時間不應超過測試時間的5%；(2)電位大于-800 mV的時間不應超過測試時間的2%；(3)電位大于-750 mV的時間不應超過測試時間的1%；(4)電位大于0 mV的時間不應超過測試時間的0.2%。

該標準明確了測試的流程，評判的電位準則和相對應的測試時間占比，具有一定的可操作性。采用電位-850 mV，-800 mV和-750 mV準則更易于測試，能得到有效的量化結果，對評判動態干擾下陰極保護有效性具有重要的意義。

英國標準BS EN 50162—2004《直流系統中雜散電流引起腐蝕的防護》， 規定了以動態干擾源不運行(如夜間地鐵不運行)時的電流大小為基準，設為100%的電流大小。將連續24 h的電流記錄結果轉換為相對于基準電流的百分比，就可以判斷在不同的時刻，有多少陰保電流流入管道、有多少雜散電流流入或流出管道。

該標準雖然規定了測試的流程、判定的電流準則和相對于基準電流的比例關系，但是對于測量陰極保護電流的流入流出，缺少可操作性。因此，采用該標準不太適用于陰極保護有效性的測量。

國際標準ISO 15589-1-2015 《石油和天然氣工業第1部分:輸送管道系統的陰極防護第1部分:陸地管道 》，規定了對于碳鋼、低合金鋼和鑄鐵，當土壤和水環境溫度在40～60 ℃時，保護電位為-850 mV；當土壤和水環境溫度高于60 ℃時，保護電位為-950 mV；當土壤和水環境溫度低于40 ℃時，而且土壤電阻率在大于100 Ω·m小于1 000 Ω·m時，保護電位為-750 mV；當土壤和水環境溫度低于40 ℃，而且土壤電阻率在大于1 000 Ω·m時，保護電位為-650 mV；在厭氧菌和硫酸鹽導致的腐蝕風險下的土壤和水環境，保護電位為-950 mV[9]。該標準規定了評判的詳細準則，具有一定的適用性，但是在具體的測量指標方面更適用于靜態干擾下的管道測試。

NACE頒布的SP 0169-2013《埋地或水下金屬管線系統外腐蝕控制標準》，規定了管道有效的外腐蝕速率控制在0.025 mm/a以內。對于動態干擾下陰極保護有效性的管道而言，采用檢查片質量損失的方法測量金屬損失量能夠比較直觀地確定管道陰極保護有效性[10]。

國內曾在東北地區管網遇到了復雜的動態直流干擾問題，并結合工作實際制定了GB 50991—2014 《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》。該標準規定了已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取防護措施，而管道最小保護電位一般為-850 mV。同時，在該標準第三章強調了受直流干擾影響的管道宜設置測試探頭或質量損失檢查片[11]。采用-850 mV準則對于判定動態直流干擾具有一定的適用性，管道電位更易于測量。

總之，以陰極保護的電位準則作為評價指標，對于一定的電位偏移程度，規定了參考的時間指標，使標準具有一定的可操作性。經上述比較，GB 50991—2014和AS 2832.1-2014 對動態直流干擾及評價的適用性較強。

2 測試及適用性評價

2.1 測試段概況

選取某線管道，線路截斷閥室5座，設計壓力10 MPa，操作壓力不超過4 MPa，管徑為914 mm，管道采用強制電流陰極保護，設有2座陰極保護站。管線附近存在地鐵，附近地鐵額定直流電壓為1 500 V，管道全線均受到城市地鐵動態直流干擾影響。全線安裝固態去耦合器進行交流排流，交流干擾程度較弱，選取15個測試點進行斷電電位測試。

2.2 通斷電電位測試

采用數據記錄儀進行試片通斷電電位測試，通電時間為4 s，斷電時間為1 s，延時為50 ms，采樣頻率為1 次/s。采用裸露面積為10 cm2的鋼質試片，參比電極采用銅/飽和硫酸銅參比電極，試片極化時間為24 h。數據記錄時間為24 h。

2.3 質量損失檢查片埋設及極化探頭測試

選擇3處測試點進行質量損失檢查片的埋設，埋設地點分別按照自然腐蝕檢查片和1支與管道連接的檢查片，埋設時間不少于3個月。選取一處測試點進行極化探頭測試，極化探頭與管道連接。探頭裸露面積為10 cm2，分別進行5 d及不少于3個月的測試。

3 結果與討論

15個測試點24 h通斷電點測試波動狀況見圖1。

圖1 測試點24 h通斷電測試結果

從圖1中可以看出，全部均受到較強直流干擾，干擾類型為動態直流干擾，在00∶40～05∶20時間段內走勢平穩，無干擾影響，該時間段是地鐵列車停運；各測試點在05∶20～00∶40時間段內電位波動劇烈。各個監測點05∶20到第二天00∶40均呈現電位波動幅度大的特征。在05∶20～00∶40干擾時間段內，每一個波段之間均呈現幾十秒到10 min的小波峰，這與地鐵的運營間隔停車結果相一致。管道表現出明顯的動態直流干擾特征，從而確定該管段的干擾源為地鐵線路。

對15個測試點24 h斷電電位,根據管道最小保護電位不小于-850 mV準則進行評價及統計,結果見表1。從表1可以看出：在15處測試樁的直流斷電電位判斷，100%達標的有1處，為2號;90%達標的有2處，為14號和15號;80%達標的有2處;70%達標的有5處;低于70%共5處，分別是8號，9號，10號，11號及12號，其中8號和11號頻次比約在50%。

表1 24 h測試下陰極保護有效性評價

根據澳大利亞標準AS 2832.1-2014評價準則的規定，選定的15個直流動態干擾測試點評價，結果見表2。結果顯示：在15處測試樁的直流斷電電位判斷，陰極保護有效性評價為“達標”的有3處，評價為“不達標”的有12處。

表2 陰極保護有效性評價

選取干擾和非干擾兩個小時時間段進行對比，即選取23∶00～00∶00和02∶00～03∶00兩個典型的時間段，對試片的斷電電位進行統計，結果見圖2至圖4。

圖2 3號測試點特定時間段電位對比

圖3 7號測試點特定時間段電位對比

從圖2至圖4可以看出，干擾時段與非干擾時段的波形變化明顯不同。在干擾時段(23∶00～00∶00)，電位產生劇烈的上下波動；在非干擾時段(02∶00～03∶00)，電位幾乎無波動。

圖4 9號測試點特定時間段電位對比

將兩個時間段的數據采用AS 2832.1-2014和GB 50991—2014的-850 mV準則進行對比，結果見表3至表5。從表3中可以看出，干擾時段和全段進行-850 mV評價，評價結果的次序基本一樣;而非干擾時段采用-850 mV進行評價，其結果可以明確顯示非干擾時段所有數據是否符合 -850 mV準則。表4和表5分別采用分干擾時段和全段綜合評價的方法進行評價，其評價的比例次序和結果基本一致。從而確定采用-850 mV準則更適合于地鐵不運行時非干擾時間段，而采用AS 2832.1-2015進行評價，更適合于在干擾時間段進行評價。

表3 特定時間段陰極保護有效性評價

表4 特定時間段的陰極保護效果評價

表5 特定時間段的陰極保護效果綜合評價

選取3號、7號和9號測試點進行質量損失檢查片埋設，檢查片腐蝕速率見表6。

表6 埋設檢查片腐蝕速率

從表6中可以看出，即使干擾段陰極保護電位未達標，但是在投用陰極保護的前提下腐蝕速率仍低于SP 0169陰極保護電位下金屬腐蝕速率0.025 4 mm/a的準則。但是在進行陰極保護的自腐蝕速率方面，三個測試點的腐蝕速率均大于0.025 4 mm/a，說明了SP 0169中陰極保護電位下金屬腐蝕速率0.025 4 mm/a準則的適用性更強。

3號、7號和9號陰極保護腐蝕速率的前后順序與測試電位陰極保護的評價順序是一致的，說明上述陰極保護有效性評價時間比準則和腐蝕速率存在一一對應關系，評價方法是有效的。

4 結束語

(1)對斷電電位進行24 h監測并采用AS2832.1-2014中電位頻次分段評價和GB 50991—2014中-850 mV準則的方法進行監測和評價是有效的。

(2)采用澳大利亞AS 2832.1-2015的標準進行陰極保護時間比評價與GB 50991—2014評價結果基本一致，綜合兩項指標運用將AS2832.1-2014用于評價干擾段，-850 mV準則適用于地鐵停運段，適用性更強。

(3)從檢查片測試結果可以看出，SP 0169中陰極保護電位下金屬腐蝕速率0.025 4 mm/a準則適用性更強。