埋地鋼質(zhì)管道交流雜散電流測試分析方法及評價準則

李長春，何仁洋，肖 勇，朱宏武

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100013）

近年來我國輸電工程、鐵路工程、管道工程建設(shè)高速發(fā)展，2009年底，66kV及以上輸電線路長54.7萬km；截 止2009年，全國建成原油管道1.7萬km、成品油管道1.2萬km、天然氣管道3.3萬km；到2020年，電氣化鐵路總里程要達到5萬km。這使得埋地鋼質(zhì)管道與高壓輸電線及電氣化鐵路共用走廊的概率越來越大，當共用走廊時，由于感性耦合、阻性耦合、電容耦合在埋地鋼質(zhì)管道上易產(chǎn)生交流雜散電流，如果管道防腐蝕層出現(xiàn)破損，交流雜散電流從破損處流出，會加速管道的腐蝕，對管道的安全運行造成影響；管道上的高電壓對陰極保護設(shè)備、管道維護人員也會造成一定的威脅。因此，檢測出管道上的交流雜散電流并進行評價非常重要。

1 交流雜散電流檢測方法

管道上存在交流雜散電流時，最直觀的檢測參量就是交流電壓。SY／T 0032-2000和GB 50698-2011都給出了交流電壓測量的連線圖和數(shù)據(jù)處理方法。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可以找到測量點干擾電壓的最大值、最小值并求得平均值，進而可以得到測量點干擾電壓隨時間變化的曲線以及平均干擾電壓在距離上的分布情況［1］。交流電壓一般在開挖檢測的時候進行，而且它不能評估管道腐蝕的嚴重程度。

國外在埋設(shè)管道的時候通常采取埋設(shè)腐蝕檢查片或者ER探針（電陰測量法）對管道的交流干擾及腐蝕程度進行監(jiān)測。在APCE出版的CEOCOR-GUIDE文件中提到的腐蝕檢查片分為非永久性便攜式檢查片和永久性檢查片，前者主要用于短期測量和測量管地電位，其測量時間短不用考慮陰極保護電流引起的長期化學變化。永久性埋地檢查片腐蝕缺陷面積為1cm2，通常三個一組安裝在靠近管線的土壤里，需要與管道電連接接受與管道相同的陰極保護電流和交流干擾。該檢查片主要用于長期測量，測量參數(shù)包括管地電位、交流電流密度、電流密度比JAC／JDC、擴散電阻［2］。

國內(nèi)翁永基等［3］根據(jù)NACE標準與上海正方電子儀器公司共同開發(fā)了智能腐蝕檢查片，該儀器可以檢測管道交流電位、直流電位、管道與檢查片間電流、斷電電位等，獲得的信息量較大。并把該儀器用到西氣東輸蘇浙滬管線上取得了良好的效果。

ER探針（電阻測量法）是通過測量檢查片的物理電阻來評判腐蝕速率，同時還可以測量直流電位、交流電壓、交流電流密度等參數(shù)。通常有桿狀和Flush Type兩種，桿狀ER探針可以通過鉆桿安放在管道相鄰的土壤里，F(xiàn)lush Type探針可以挖坑放在管道表面。數(shù)據(jù)采集器與兩個檢查片、參比電極、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相連。除了檢查片和數(shù)據(jù)采集器，還有相應的軟件M-Report SW用來計算探針剩余厚度、腐蝕率、在時間軸上畫出所有的測量數(shù)據(jù)。CEN-TS15280-2006附錄中給出了電阻測量法的計算探針厚度和腐蝕速率的理論計算公式。

雖然ER探針可以測量腐蝕速率但其對局部腐蝕靈敏度不高，因此國外有人研究TFER探針，它通過控制感應元件的厚度來提高探針的靈敏度，分為單線TFER傳感器（如圖1所示）和十線TFER傳感器兩種（如圖2所示）。當交流雜散電流從傳感器流出時測量傳感器的極化電阻，通過法拉第定律將極化電阻轉(zhuǎn)化為平均腐蝕率［4］。

英國雷迪公司生產(chǎn)的雜散電流測繪儀可測量管道電流和電位值，確定雜散電流的流入點和流出點。但是測量結(jié)果沒有評判準則，工作人員只能憑借電壓和電流的波動程度來判斷干擾強弱，但根據(jù)波形很難辨別管道是受交／直流干擾。另外，該儀器采用非接觸測量，所獲得的信號帶有許多干擾成分，對測得信號的處理也顯得極為重要。

管道上雖然存在交流雜散電流，只要不從管道上流出就不會造成腐蝕，因此作者認為針對交流雜散電流的檢測應該先用軟件模擬出交流雜散電流可能出現(xiàn)的最大位置，結(jié)合PCM查出該位置附近的防腐層破損點，再用ER探針監(jiān)測該位置可能的腐蝕速率及其他管道相關(guān)參數(shù)。

2 交流雜散電流檢測信號處理方法

交流雜散電流檢測參量不同，對信號的處理方法也不同，必須根據(jù)對應的檢測參量采取相應的處理方法。目前對管地電位信號處理方法較多。K.Darowicki用短時傅里葉變換（STFT）對采集到的管道和鐵軌的電位信號進行處理，從得到的時頻圖中可以發(fā)現(xiàn)他們的時頻特征是否具有相關(guān)性。由此來判斷管道是否收到電氣化鐵路的干擾以及干擾強度［5］。

梁志珊等人采用FFT變換對有陰極保護但受交流干擾的3PE管道的管地電位信號進行分析，能分辨出管道的主要干擾頻率，看出干擾能量的大小，分離管地電位信號中的直流成分和交流成分。在現(xiàn)場應用中也取得了較好的效果。

陳振華［6］采取自適應干擾濾波技術(shù)對SCM采取到的管地電位信號進行處理，有效地實現(xiàn)了直流成分和交流成分的分離，這對評價交流雜散電流干擾程度和腐蝕程度帶來很多好處，特別是在管地電位信號較弱甚至被干擾信號淹沒的情況下非常有效。

3 埋地鋼質(zhì)管道腐蝕評價準則

3.1 交流電流密度評價準則

交流電流密度是指埋地鋼質(zhì)管道防腐蝕層破損處單位面積通過的交流電流量，能客觀、準確地反映交流腐蝕的情況。下面總結(jié)了各國關(guān)于交流電流密度的評價準則。

德國在一系列現(xiàn)場案例調(diào)查的基礎(chǔ)上得到表1結(jié)論［7］。

在歐洲標準CEN／TS15280-2006中給出表2所示的評價準則。

ISO 15589-1-2003提出的交流電流密度限值為30A·m-2，大于此值則可能發(fā)生交流腐蝕［8］。

表1 德國的交流電流密度評價準則

表2 CEN／TS15280ˉ2006中的交流電流密度評價準則

在EN12954提出了用交流電流密度與直流電流密度之比（JAC／JDC）來進行評價，具體限值 見表3［9］。

表3 EN12954中的交／直流電流密度比值評價準則

Hosokawa在阿姆斯特丹的第23屆世界天然氣會議上提出了基于直流電流密度的交流電流密度限值：（1）0.1A·m-2≤JDC＜1.0A·m-2，JAC＜25×JDC；（2）1A·m-2≤JDC＜40A·m-2，JAC＜70A·m-2具體的結(jié)論如圖3。在以后的現(xiàn)場埋片試驗中也證實了這個判據(jù)的有效性。GB 50698-2011提出基于交流電流密度的交流干擾程度的判斷指標，具體數(shù)值見表4［1］。

圖3 達到保護要求的交流和直流的電流密度關(guān)系

表4 GB 50698ˉ2011交流干擾程度的判斷指標

3.2 感應交流電流評價準則

CEN／TS 15280-2006提出了用交流感應電流與陰極保護電流的比值來對交流腐蝕情況進行評估，具體限值見表5。

表5 交流電流與直流電流之比評價準則

3.3 交流干擾電壓評價準則

SY／T 0032-2000和SY 0007-1999規(guī)定管道對地電位限值見表6［10］。

表6 管道對地電位限值

在歐洲標準CEN／TS1528-2006中給出的交流干擾電壓限值為：土壤電阻率大于25Ω·m的地方，交流干擾電壓限值為10V；土壤電阻率小于25Ω·m的地方，交流干擾電壓限值為4V。在有氧土壤中ECu＝-850mV，在包含硫酸鹽還原菌的厭氧土壤中ECu＝-950mV。

交流電壓進行評價存在一定的局限性，因為有可能交流電壓比較大，而從破損點流出的電流比較小，對埋地鋼質(zhì)管道的危害不是很大，當交流電壓對人身安全造成危害時，采用此項指標比較合適。交流電流與直流電流之比這種評價準則使用較少，此項指標實質(zhì)上就是交流電流密度與直流電流密度之比，而且陰極保護電流與交流電流之間是否存在必然聯(lián)系還有待進一步驗證?，F(xiàn)在普遍采用的是交流電流密度作為評價準則。

4 結(jié)束語

本文主要對埋地鋼質(zhì)管道交流雜散電流腐蝕、檢測方法、信號處理方法、評價準則進行了簡單介紹。國內(nèi)研究主要偏向于用腐蝕試片進行腐蝕試驗，然后找出比較適合的評價準則，對交流電流作用下管道的腐蝕機理研究很少；針對埋地鋼質(zhì)管道上交流電壓及電流的分布規(guī)律研究更少，更多的是摘抄國外的研究成果，而加拿大已經(jīng)有軟件可以計算高壓線與埋地鋼質(zhì)管道并行時管道上的感應電壓及電流大??；在檢測方法上，國內(nèi)主要是參照國外的方法。因此，國內(nèi)需要在腐蝕機理、埋地鋼質(zhì)管道電壓分布規(guī)律、檢測方法上做更多的工作以指導實際防護工作。

［1］GB 50698-2011 埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準［S］.

［2］CEOCOR-GUIDE-2001 AC corrosion on buried metallic pipeline-guidelines for risk assessment and mitigation measures［S］.

［3］翁永基，明士濤，李英義，等.利用檢查片檢測雜散干擾和評價埋地管道陰極保護效果［J］.腐蝕科學與防護技術(shù)，2011，23（4）：349-352.

［4］SeonYeob Li.Application of steel thin film electrical resistance sensor for in situ corrosion monitoring［J］.Sensors and Actuators，2007，120（2）：368-377.

［5］Darowicki K，Zakowski K.A new time-frequency detection method of stray current field interference on metal structures［J］.Corrosion Science，2004，46（16）：1061-1070.

［6］陳振華.埋地鋼質(zhì)管道交流干擾腐蝕測試與分析［D］.北京：北京工業(yè)大學碩士學位論文，2010.

［7］胡士信，路民旭，杜艷霞，等.管道交流腐蝕的新觀點［J］.腐蝕與防護，2010，31（6）：419-423.

［8］ISO 15589-1-2003 Petroleum and natural gas industries-Cathodic protection of pipeline transportation systems-Part 1：On-land pipelines［S］.

［9］BS-EN12954-2001 Cathodic protection of buried or immersed metallic structures-General rinciples and application for pipelines［S］.

［10］SY／T 0032-2000 埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準［S］.