地磁感應電流對管道影響研究現(xiàn)狀

李家龍，胡黎花，王培金

(天津海洋數(shù)碼科技有限公司 天津 300456)

科技評論

地磁感應電流對管道影響研究現(xiàn)狀

李家龍，胡黎花，王培金

(天津海洋數(shù)碼科技有限公司 天津 300456)

磁暴是太陽活動引起空間天氣異常時導致地面磁場發(fā)生劇烈變化的現(xiàn)象，是地磁場對太陽活動的一種劇烈響應。磁暴經(jīng)常發(fā)生，也引起了學者關(guān)注。由于磁暴的發(fā)生，埋地石油和天然氣金屬管道中會感應出地磁感應電流(Geomagnetically Induced Currents，GIC)。GIC會干擾陰極保護裝置，加速管道腐蝕或造成泄漏，對管道安全產(chǎn)生威脅，管道腐蝕關(guān)系到管道能否安全運行，因此探索評估 GIC對管道的影響意義重大。由于目前國內(nèi)對管道 GIC研究甚少，總結(jié)了GIC的研究現(xiàn)狀，旨在為后續(xù)研究提供依據(jù)。

地磁感應電流 腐蝕 管道

0 引 言

磁暴是太陽活動引起空間天氣異常時地面磁場發(fā)生劇烈變化的現(xiàn)象，是地磁場對太陽活動的一種劇烈響應。根據(jù)法拉第電磁感應定律，在閉合導體回路中，磁通量變化時，就會在該回路上產(chǎn)生感應電流和電勢，在埋地石油和天然氣管道及其涂層與大地所構(gòu)成的分布式閉合導體回路內(nèi)產(chǎn)生的感應電流，即：地磁感應電流(GIC)。GIC對管道的腐蝕和保護問題已得到石油和石化行業(yè)專家甚至國家有關(guān)部門的重視。

據(jù)統(tǒng)計，我國東北原油管道系統(tǒng)的兩千多千米的埋地管道中，受到電流干擾的管段約為5%,，近20年中發(fā)生的40多起腐蝕穿孔事件中，有80%,是由電流干擾導致的。電流干擾對管道腐蝕的影響是巨大的，干擾電流對管道的腐蝕已不容忽視。

1 管道GIC研究現(xiàn)狀

1.1 GIC對管道影響研究現(xiàn)狀

GIC自 1873年在管道中被首次發(fā)現(xiàn)后，一直吸引著學者的關(guān)注。俄羅斯、法國、芬蘭、挪威等國家也開始了各自的空間天氣行動計劃，這些國家均把空間天氣作為一項重要研究內(nèi)容。[1-4]

Varley等人早在 1873年就發(fā)現(xiàn)了管道中的GIC，[5]從此管道 GIC引起了學者們的廣泛關(guān)注。GIC對管道的影響主要有：①引起陰極保護系統(tǒng)中的電壓波動，導致保護電位處于安全范圍以外，特別是在磁暴發(fā)生期間，可能導致某段時間管道處于非保護狀態(tài)，從而減少管道的使用壽命。②損壞管道設(shè)備，例如會擊穿絕緣法蘭、燒穿管道、造成管道腐蝕穿孔等。[6]③GIC會干擾腐蝕控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)達不到理想防腐蝕控制效果。R．A．Gummow[7]等人指出，GIC會使管道控制系統(tǒng)不能正常工作。④在 GIC爆發(fā)期間，管道工程師的設(shè)計也會遇到一些新問題。比如管道中的流量表會顯示錯誤的流量信息、管道折縫處的腐蝕程度明顯增加。如果不考慮磁暴的影響，將會造成很大的經(jīng)濟損失。

1.2 管道GIC特性研究現(xiàn)狀

管道 GIC的特征與管道導電體參數(shù)是有關(guān)系的。在金屬管道中形成的 GIC的頻率與直流頻率(0,Hz)接近，可以近似為直流。有研究稱，GIC有準直流[8]特性和方向性等特點。監(jiān)測管道 GIC顯示該電流變化頻率主要是1～10,mHz，接近于直流信號的頻率。GIC在管道中持續(xù)的時間長達幾分鐘甚至數(shù)小時。[9]

目前有關(guān) GIC非線性特性的研究處于起步階段，Remanan Remya[10]等人證實了星際磁場具有混沌特性；K．Unnikrishnan[11]等人采用 GPS-TEC時間序列證實了電離層的混沌特性；牛超[12]等對電磁場 Z分量的混沌特性進行了研究。目前尚未檢索到 GIC混沌特性研究的報告。

國外對管道GIC的研究始于20世紀40年代，此后做了大量工作，特別是在高緯度國家，如美國、加拿大、芬蘭等。GIC現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和早期的觀測、GIC的理論研究與預測都是在這些國家進行的。他們相繼建立了管道 GIC監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測輸油管道中的GIC。[13]通過監(jiān)測，獲得了許多寶貴的數(shù)據(jù)，并基于太陽爆發(fā)活動對強 GIC事件進行了統(tǒng)計分析。Campbell[14]等人在 1978年對阿拉斯加管道 GIC進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在 1978年8月4日，阿拉斯加管道的監(jiān)測GIC值最大達到100,A；芬蘭氣象所[15]于1998年開始在曼查拉管道中監(jiān)測GIC，發(fā)現(xiàn)在 2003年10月29日，曼查拉管道中監(jiān)測GIC的值最大達到60,A。

國內(nèi)關(guān)于 GIC的研究起步較晚，主要集中在電網(wǎng) GIC，對管道 GIC的研究幾乎空白，主要是探索GIC產(chǎn)生機制，且研究成果多處于理論研究階段，沒有開展檢測GIC的裝置研究。

2 埋地管道腐蝕機理研究現(xiàn)狀

金屬管道的腐蝕問題是值得關(guān)注的重要問題。[16]據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示：中原油田僅1993—1999年6年間就發(fā)生過 28,012次腐蝕穿孔事件，造成管道破裂泄漏，發(fā)生漏油事件，直接經(jīng)濟損失 5.7億元。龍虎泡油田也發(fā)生過多次腐蝕事件，僅2009年就有約12條管道腐蝕嚴重，造成了很大的經(jīng)濟損失。2012年11月，管道公司南京處管線腐蝕穿孔。可見管道腐蝕危害極大，研究埋地管道金屬的腐蝕行為和腐蝕機理對于石油石化行業(yè)非常重要。腐蝕機理主要有以下幾種：

2.1 直流雜散電流腐蝕機理

Schwalm等人在 20世紀 60年代就發(fā)現(xiàn)了直流雜散電流對于埋地金屬管道的腐蝕作用，其本質(zhì)上是電化學的電解作用，屬于局部腐蝕，是具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應。由于直流雜散電流的影響會形成局部腐蝕電池，處于腐蝕電池陽極區(qū)的管道很容易被腐蝕，長期積累就會形成腐蝕穿孔，對埋地管道造成巨大危害。

2.2 交流雜散電流管道腐蝕機理

目前關(guān)于交流雜散電流腐蝕機理眾說紛紜。[17]交流腐蝕機理可以劃分成兩種不同類型：強電場誘導模型腐蝕機理和電化學模型腐蝕機理。

強電場誘導模型是管道金屬在變化的電場強度下，增大了一些電化學反應發(fā)生的可能性和反應速度，改變了金屬內(nèi)部電化學腐蝕的過程而發(fā)生點蝕?，F(xiàn)場管道在交流干擾下的腐蝕金屬表面存在黑色粉末狀焦化物，且腐蝕坑比較光滑，有被高溫熔化的跡象，這為強電場誘導模型提供了有力證據(jù)，說明“強電場誘導模型”具有合理性。強電場誘導模型雖然能夠揭示交流腐蝕破壞現(xiàn)象，但只是在表面上進行的揭示，并沒有反映出交流腐蝕的本質(zhì)。

交流電化學模型腐蝕機理模型主要是“整流模型”和“金屬界面的振蕩模型”。Mccollum 和Ahlborn提出了整流說，Kulma也認為整流是交流電誘導腐蝕的重要因素。Bosch等利用活化控制下的動力學極化理論，在一系列的假設(shè)和簡化基礎(chǔ)上建立了疊加交流后電極極化行為的數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)在交流影響下，腐蝕電流密度總是增大。但該數(shù)學模型沒有考慮頻率對腐蝕速率的影響，且在某些體系下，交流電流對腐蝕速率和電位的影響不再符合上述模型中的規(guī)律。

交流腐蝕過程是一個多因素、多控制步驟的過程，比直流雜散電流腐蝕機理更為復雜。目前對于交流腐蝕問題觀察到的現(xiàn)象雖多，但缺乏定量計算和數(shù)學描述。

3 電流對管道腐蝕影響的研究現(xiàn)狀

3.1 直流雜散電流對管道腐蝕影響的研究

直流雜散電流的大小隨時間變化。對于埋地管道，雜散電流的流動產(chǎn)生了兩個由外加電勢差形成的腐蝕電池，加速了埋地管道的腐蝕速率，造成腐蝕。在有雜散電流存在時，金屬的腐蝕要比無雜散電流時嚴重。李言濤[18]等人對管道雜散電流進行了監(jiān)測，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，管道在沒有雜散電流的情況下，由金屬腐蝕產(chǎn)生的電池的兩極電位差僅 0.35,V左右。當管道存在雜散電流的情況下，電位差能夠達到近 9,V，直流雜散電流對管道的安全威脅很大，比自然腐蝕要嚴重很多，雜散電流對管道破壞性比較強，腐蝕速度也比較快。

3.2 交流雜散電流對管道腐蝕影響的研究

交流雜散電流干擾所造成的管道腐蝕沒有直流雜散電流干擾所造成的腐蝕嚴重，但當高壓輸電線路敷設(shè)的走向與埋地管道的走向相同時，將會在埋地管道上感應出交變電壓和交變電流，這種情況對管道危害較大，在管道上產(chǎn)生特別高的干擾電位，危及作業(yè)人員人生安全，損壞管道上的設(shè)備；[19]交流干擾會使電極表面去極化，對管道金屬造成腐蝕；使管道外圍包裹的絕緣層加速老化，造成防腐層的脫落；交流干擾還會造成陰極保護無法在可控電位范圍內(nèi)正常進行，降低電源效率，甚至逆轉(zhuǎn)犧牲陽極極性。交流雜散干擾腐蝕比自然腐蝕嚴重，Lalvani[20]經(jīng)過研究也發(fā)現(xiàn)，交流干擾腐蝕的作用范圍比自然腐蝕的作用更廣泛，腐蝕更嚴重，隨機性更強。

丁海濤等人通過大量的實驗，發(fā)現(xiàn)無論雜散電流是哪種形式，管道的腐蝕情況都和電流密度的大小相關(guān)，雜散電流越大，腐蝕越嚴重，大致成線性關(guān)系，并且遵循法拉第電解定律。

3.3 磁暴引起的GIC對管道腐蝕影響的研究現(xiàn)狀

目前GIC對管道的影響研究較少，管道GIC在管道中流動時，在管道縫隙處容易形成腐蝕電池，引起管道腐蝕。GIC對埋地管道的影響取決于地磁暴是否發(fā)生，磁暴未發(fā)生時腐蝕影響是很輕微的，而發(fā)生時很容易發(fā)生宏觀電池腐蝕，危及管道安全。由于管道所處的環(huán)境極其復雜，研究也有一定難度。

4 結(jié) 語

研究 GIC對管道的影響具有重要的科學意義和實際工程價值，但對目前GIC研究較少，也存在很大難度，GIC動力學特性、腐蝕物理機制及模型等問題有待研究。本文對GIC研究現(xiàn)狀進行了詳細論述，具有很強的科學指導意義，可為以后的研究提供理論依據(jù)?！?/p>

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Effect of GIC on Buried Pipelines：A Review of Current Research Status

LI Jialong，HU Lihua，WANG Peijin
(Tianjin Ocean Data Technology Co.，LTD，Tianjin 300456，China)

Geomagnetic storm is caused by solar activity anomaly．When a storm happens，the earth magnetic field will change．This is a kind of intense geomagnetic field of solar activity response．As geomagnetic storm occurs frequently，it has caused public concerns．Due to magnetic storms，Geomagnetically Induced Currents(GIC)will be produced in buried oil and gas pipelines．GIC interferes with cathodic protection，and will accelerate the corrosion of the pipelines or cause leakage，which is a major problem for safe operation. It is of significant importance to explore and evaluate characteristics of GIC and its influence on pipeline，but current domestic researches on pipeline GIC are very few. Research status of GIC both at home and abroad were summed up to provide reference for follow-up studies in the paper.

Geomagnetically Induced Currents(GIC)；corrosion；pipeline

TM74

：A

1006-8945(2016)07-0005-04

2016-06-03