油氣管道雜散電流干擾的緩解措施與評(píng)價(jià)準(zhǔn)則評(píng)析

李海坤，劉震軍，謝 濤，張 鵬，陳 卓

(中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院;油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000)

由于地理位置的限制，油氣管道與電力線路和電氣化鐵路的建設(shè)過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)并行敷設(shè)的情況，彼此會(huì)產(chǎn)生干擾和影響。由電干擾造成電化學(xué)腐蝕形式主要為點(diǎn)蝕，這更容易導(dǎo)致管道腐蝕穿孔，具有極大的危害性，日益引起人們的重視。

針對(duì)雜散電流干擾的判斷、緩解措施和評(píng)價(jià)方法，各國(guó)都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于油氣管道直流雜散電流干擾的幾部標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，簡(jiǎn)要評(píng)述了雜散電流干擾的判斷準(zhǔn)則、緩解措施和評(píng)價(jià)方法，介紹陰極保護(hù)準(zhǔn)則有效性的最新研究結(jié)果。

1 直流干擾的判斷準(zhǔn)則

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0017-2006《埋地鋼制管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定當(dāng)管地電位較自然電位偏移20 mV或管道附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，確認(rèn)有直流干擾。當(dāng)管地電位較自然電位偏移100 mV或管道附近土壤電位梯度大于2.5 mV/m時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取直流排流保護(hù)或其它防護(hù)措施。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn) AS 2832.1-2004《第一部分管道和電纜的陰極保護(hù)》和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0169-2007《地下或水下金屬管道系統(tǒng)外部腐蝕控制》則規(guī)定可以利用-850 mV或100 mV極化準(zhǔn)則判斷管道是否充分受到保護(hù)。AS 2832.1－2004從法律的角度規(guī)定新建陰極保護(hù)系統(tǒng)引起附近其它設(shè)施電位正向偏移最大不應(yīng)超過(guò)20 mV，負(fù)向偏移最大不應(yīng)超過(guò)200 mV，并指出存在雜散電流干擾或嚴(yán)重電偶腐蝕的情況下，100 mV極化準(zhǔn)則不適用。NACE SP0169－2007提示當(dāng)管道操作壓力和運(yùn)行條件傾向于導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂時(shí)，不應(yīng)當(dāng)使用－850 mV標(biāo)準(zhǔn)。

SY/T 0017-2006是專門的雜散電流排流標(biāo)準(zhǔn)，而AS 2832.1－2004和 NACE SP0169－2007是關(guān)于陰極保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。因此SY/T 0017-2006規(guī)定了管地電位較自然電位正向偏移的限制，而AS 2832.1－2004和NACE SP0169－2007只是指出了－850 mV和100 mV極化準(zhǔn)則的適用性。在直流電流干擾的情況下，即使使用斷電法也無(wú)法消除IR降，而試片法需要較長(zhǎng)的極化和測(cè)試時(shí)間，SY/T 0017-2006規(guī)定的電位梯度法提供了一種較快的替代方法，但是由于雜散電流導(dǎo)致的管道腐蝕與流出管道的電流大小有關(guān)，所以采用電位梯度法時(shí)應(yīng)當(dāng)把當(dāng)?shù)氐耐寥离娮杪士紤]在內(nèi)。AS 2832.1－2004規(guī)定新建陰極保護(hù)系統(tǒng)引起附近其它設(shè)施電位正向偏移最大限制具有法律意義。

2 直流干擾的緩解措施

SY/T 0017-2006只給出了被干擾方可以采取的直流排流措施，包括:直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流、接地排流。

AS 2832.1-2004和NACE SP0169-2007均認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從干擾源和被干擾方兩方面采取措施緩解電干擾，包括改善防腐層、改變管道的路由、減小干擾源流入大地的電流、埋設(shè)地床排流、使用整流器強(qiáng)制排流等。但 AS 2832.1-2004更從法律角度規(guī)定當(dāng)新建陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)其它設(shè)施存在干擾，新建陰極保護(hù)系統(tǒng)業(yè)主應(yīng)通過(guò)修復(fù)防腐層、調(diào)整陰極保護(hù)電流輸出等措施緩解對(duì)外干擾。

SY/T 0017-2006中提到的強(qiáng)制排流措施會(huì)引起鐵軌電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響鐵軌的使用壽命。值得借鑒的是NACE SP0169-2007把在干擾電流流出點(diǎn)實(shí)施陰極保護(hù)作為排流措施之一，既能達(dá)到排流的目的又不會(huì)造成鐵軌電化學(xué)腐蝕。國(guó)內(nèi)也有管道把陰極保護(hù)作為排流措施的實(shí)例[4]，取得了良好效果。

NACE SP0169-2007提出的在受干擾結(jié)構(gòu)上安裝絕緣接頭的措施雖然緩解了管道上的雜散電流干擾，但可能使絕緣接頭一側(cè)的管道遭受腐蝕[5]。因?yàn)樵驹诠艿纼?nèi)流動(dòng)的電流會(huì)在絕緣接頭的一側(cè)流進(jìn)土壤，在另一側(cè)流進(jìn)管道，電流流出的一側(cè)管道將發(fā)生電化學(xué)腐蝕。對(duì)站場(chǎng)埋地管道實(shí)施的區(qū)域陰極保護(hù)電流就常常從遠(yuǎn)端流進(jìn)干線管道，再?gòu)恼緢?chǎng)的絕緣法蘭附件流進(jìn)土壤，然后回到站內(nèi)管道，造成絕緣法蘭外側(cè)干線管道腐蝕[6]。圖1是雜散電流導(dǎo)致絕緣接頭一側(cè)發(fā)生腐蝕的示意圖。

圖1 雜散電流導(dǎo)致絕緣接頭一側(cè)腐蝕Fig.1 Stray current，lead to one side of the insulating joint corrosion

3 雜散電流干擾緩解效果的評(píng)定

對(duì)于排流保護(hù)的效果評(píng)定，目的是管地電位要達(dá)到陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求。若是安裝完排流設(shè)施管地電位仍無(wú)法達(dá)到陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求，SY/T 0017-2006建議通過(guò)正電位平均值比進(jìn)一步評(píng)定排流保護(hù)效果。

正電位平均值比按下式計(jì)算:

式中:ηv——正電位平均值比;

V1(+)——排流前正電位平均值，V;

V2(+)——排流后正電位平均值，V。

對(duì)于排流后確實(shí)無(wú)法滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則的情況，如果管道受到動(dòng)態(tài)雜散電流干擾，AS 2832.1-2004規(guī)定首先進(jìn)行充分時(shí)長(zhǎng)的電位測(cè)量。測(cè)量時(shí)間段應(yīng)該包括早晚運(yùn)行高峰，一般要20 h。使用的測(cè)量記錄儀的數(shù)據(jù)采集頻率每分鐘不應(yīng)低于4次，并針對(duì)不同的干擾類型提出了不同的適用準(zhǔn)則。

(1)極化時(shí)間較短的埋地結(jié)構(gòu)

對(duì)于防腐質(zhì)量較好，或證明在雜散電流干擾下快速地極化和去極化的埋地結(jié)構(gòu)，應(yīng)用以下標(biāo)準(zhǔn):

測(cè)量電位比-850 mV保護(hù)電位更正的時(shí)長(zhǎng)不得超過(guò)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的5%;測(cè)量電位與保護(hù)電位相比正向偏移超過(guò)50 mV的時(shí)長(zhǎng)不得超過(guò)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的2%;測(cè)量電位與保護(hù)電位相比正向偏移超過(guò)100 mV的時(shí)長(zhǎng)不得超過(guò)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的1%;測(cè)量電位與保護(hù)電位相比正向偏移超過(guò)850 mV的時(shí)長(zhǎng)不得超過(guò)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的0.2%。

(2)極化時(shí)間較長(zhǎng)的埋地結(jié)構(gòu)

對(duì)于防腐質(zhì)量較差，在干擾電流的影響下埋地結(jié)構(gòu)的電位緩慢地在極化和去極化狀態(tài)間變動(dòng)的埋地結(jié)構(gòu)，測(cè)量電位都比保護(hù)電位更正的時(shí)長(zhǎng)但不得超過(guò)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的10%。

(3)過(guò)保護(hù)

地下鋼鐵結(jié)構(gòu)消除了地電位梯度相對(duì)于飽和硫酸銅電極的電位不小于-1.2 V。對(duì)于易遭受陰極剝離的涂層尤其如此。

NACE SP0169-2007則認(rèn)為干擾問(wèn)題已經(jīng)解決的標(biāo)志是:(1)管/地電位恢復(fù)至受干擾以前的值;(2)測(cè)量結(jié)果證明不再有干擾電流自管道流進(jìn)土壤。

分析與評(píng)論:

SY/T 0017-2006提出的正電位平均值比法其實(shí)是用安裝排流系統(tǒng)后的干擾緩解比率代替用陰極保護(hù)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)排流保護(hù)效果。然而該方法并不能用來(lái)評(píng)價(jià)管道受到的電干擾腐蝕危險(xiǎn)性。

相對(duì)而言，AS 2832.1-2004規(guī)定最為詳盡，針對(duì)不同的干擾類型提出了不同的適用準(zhǔn)則。NACE SP0169-2007的標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格，根據(jù)NACE SP0169-2007的規(guī)定管道至少應(yīng)恢復(fù)到自然腐蝕狀態(tài)，但是有的情況下達(dá)到這種要求是非常困難的。

4 點(diǎn)蝕速率與管/地電位的關(guān)系

在各種土壤電阻率環(huán)境下陰極保護(hù)準(zhǔn)則有效性如表1所示。但是表1中沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)則能夠?qū)⑺凶畲簏c(diǎn)蝕速率降到0.025 mm/a以下。

防腐工程師更關(guān)心的是點(diǎn)蝕速率，圖2～4給出了某管道上多個(gè)測(cè)試點(diǎn)(土壤電阻率＜10 kΩ·cm)試件最大點(diǎn)蝕速率與自然電位、on/off電位和100 mV極化電位的關(guān)系。由圖2～4可見(jiàn)，無(wú)論采用哪個(gè)準(zhǔn)則，隨著極化程度的增加，各測(cè)試點(diǎn)試件最大點(diǎn)蝕速率均逐漸降低，但是只有在達(dá)到－850 mVon/off電位以后所有試件的點(diǎn)蝕速率才下降到0.1～0.3 mm/a之間。在極化電位差達(dá)到100 mV后仍有少量試件點(diǎn)蝕速率比較大。

這說(shuō)明當(dāng)管地電位符合陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求時(shí)，管道仍有一定點(diǎn)蝕傾向，但是這時(shí)的點(diǎn)蝕速率比較穩(wěn)定，－850 mVon/off電位仍具有較普遍的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)管地電位不能滿足－850 mVon/off電位時(shí)，管道腐蝕速率就與當(dāng)?shù)丨h(huán)境關(guān)系較大，這需要防腐工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)管道遭受點(diǎn)蝕的危險(xiǎn)性。

由于氧化物的存在，鋼的自然電位會(huì)隨著埋地時(shí)間的延長(zhǎng)而正向偏移，所以在舊管道上使用－850 mVoff準(zhǔn)則會(huì)導(dǎo)致過(guò)度極化，如圖5所示。但是由于雜散電流流出管道時(shí)的去極化作用，該結(jié)論可能不適用于有動(dòng)態(tài)雜散電流存在的管道。

緩解雜散電流干擾和施加陰極保護(hù)的最終目的是使管道腐蝕速率在經(jīng)濟(jì)上和安全上處于可接受范圍內(nèi)。具體需要采用什么措施還需要防腐工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，這也正是緩解雜散電流干擾的困難所在。

表1 不同土壤電阻率下陰極保護(hù)的有效性Table1 Effectiveness of CP to different soil resistence

圖2 最大點(diǎn)蝕速率與自然電位的關(guān)系Fig.2 Maximum pitting rates vs.native potentials

圖3 最大點(diǎn)蝕速率與保護(hù)電位的關(guān)系Fig.3 Maximum pitting rates vs.on-off-potentials

圖4 最大點(diǎn)蝕速率與100 mV極化電位的關(guān)系Fig.4 Maximum pitting rates vs.polarization

圖5 不同土壤電阻率下鋼的自然電位和腐蝕性Fig.5 Common regions of steel native potentials vs.soil resistivity and corrosivity

5 結(jié)論

(1)緩解電干擾需要結(jié)合考慮干擾源和被干擾設(shè)施兩方面因素，有些措施可能會(huì)產(chǎn)生不利影響，需要防腐工程師慎重選擇。

(2)-850 mVon/off電位是一個(gè)有效的判斷準(zhǔn)則，當(dāng)管地電位不滿足此準(zhǔn)則時(shí)需要附加現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定。

(3)雜散電流干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則需要進(jìn)一步研究調(diào)整。當(dāng)雜散電流干擾無(wú)法完全排除時(shí)，如何評(píng)價(jià)管道的腐蝕危險(xiǎn)性及應(yīng)采取何種維護(hù)措施是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

[1]石油工程建設(shè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[S].北京:中國(guó)石油出版社，2006.

[2]Committee MT-014，Corrosion of Metals.As 2832.1-2004 Cathodic proteetion of metals pewt 1;Pipes and cables[S].Sydney.Stcalderds Australia 2004.

[3]Specific techudogy Group(STG)35 on Pipelines，Tanks，and well casings.SP 0169-2007 coutrol of external corrosion on undevground or submerged metallic piping systews[S].Houston.Texas:NACE Internatioual 2007.

[4]吳長(zhǎng)訪，姚喆，劉玲莉，等.新大管道雜散電流干擾影響研究[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26(6):43-44.

[5]Boteler D H.Assessing Pipeline Vulnerability to Telluric Currents[J].corrosion，2007:5-7.

[6]劉玲莉，陳宏源，劉明輝，等.輸油氣站區(qū)陰極保護(hù)中的干擾與屏蔽[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2005(2):32.