鄰近強(qiáng)電線路時(shí)埋地管道交流腐蝕的可能性評(píng)估

王雙平,孫震洋,胡士信,陸家榆

(1. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，天津 300250; 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000;3. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100085)

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專論

鄰近強(qiáng)電線路時(shí)埋地管道交流腐蝕的可能性評(píng)估

王雙平1,孫震洋1,胡士信2,陸家榆3

(1. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司，天津 300250; 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000;3. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100085)

強(qiáng)電線路與埋地管道共用一個(gè)走廊時(shí)管道上不可避免地產(chǎn)生次生交流干擾。當(dāng)這一交流干擾電流密度達(dá)到一定極限后便會(huì)造成管道的交流腐蝕，危及管道設(shè)備乃至人身的安全。提出了管道上交流腐蝕的條件及控制指標(biāo)的新觀點(diǎn)，并對管道交流腐蝕的可能性進(jìn)行評(píng)估。

強(qiáng)電線路；埋地管道；交流干擾；交流腐蝕；限值

由于我國人口密度大，土地緊張，地理環(huán)境復(fù)雜，強(qiáng)電線路(高壓輸電線路和交流電氣化鐵路)和埋地油氣管道近間隔長距離并行，或共用走廊已不可避免。強(qiáng)電線路與管道相鄰，將會(huì)對其產(chǎn)生交流電磁干擾影響,危及管道設(shè)備和管道操作人員的人身安全，持續(xù)交流干擾的電流還會(huì)造成管道的交流腐蝕。人們對交流腐蝕的認(rèn)識(shí)是不斷進(jìn)步的，過去由于測量容易，常以交流電壓為判據(jù)[1]，現(xiàn)在看來電流密度才是最佳的判斷指標(biāo)，上個(gè)世紀(jì)末國外開展了大量的研究，并制定出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[2-4]，參照國外標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)制定了GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]，也對電流密度做出了規(guī)定，這些技術(shù)為我們提供了借鑒。

強(qiáng)電線路對埋地鋼質(zhì)管道的交流電磁干擾影響主要危害是兩個(gè)方面，一是管道設(shè)備和操作人員的人身安全；二是管道的交流腐蝕。以前的國內(nèi)外的技術(shù)對前者考慮較周，而對于后者則考慮不足，2008年12月,國內(nèi)投產(chǎn)首條1 000 kV 高壓輸電線路的前夕，科研工作者對于后者進(jìn)行了研究。

早在1927年，加拿大工程技術(shù)協(xié)會(huì)就提出了交流電電蝕的基本參數(shù)是電流密度。此后，經(jīng)過對交流腐蝕的長期深入研究，1986年后，歐洲報(bào)告了很多關(guān)于交流(16，50 Hz)腐蝕的案例。從這些案例可以得知，采用傳統(tǒng)的測量技術(shù)和設(shè)備，測得的管地保護(hù)電位幾乎都能滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求，但管道仍發(fā)生了腐蝕。文獻(xiàn)[4]介紹了上世紀(jì)末本世紀(jì)初的幾年里，歐洲發(fā)現(xiàn)了大量腐蝕案例，幾乎都是與交流干擾相關(guān)聯(lián)：已明確的交流腐蝕有23處；發(fā)生泄漏的有4處；觀察到的電腐蝕有709處。

造成交流干擾腐蝕事件不斷上升的主要原因有：越來越多的輸電線路；防腐蝕層的絕緣性能不斷改善；防腐蝕層完整性越來越好；越來越多的電氣化鐵路。交流腐蝕的問題已引起國內(nèi)學(xué)者和建設(shè)者的廣泛關(guān)注[6-7]。

1　交流腐蝕的因素

埋地鋼質(zhì)管道通常采用防腐蝕層加陰極保護(hù)的防護(hù)措施，當(dāng)有交流感應(yīng)影響存在時(shí)，陰極保護(hù)的作用被減弱，這樣就出現(xiàn)了陰極保護(hù)電位正常，而腐蝕仍然發(fā)生的現(xiàn)象。這時(shí)影響交流腐蝕的主要因素有：管道上感應(yīng)的交流電壓；管道上防腐蝕層缺陷處裸露金屬表面上的交流電流密度；陰極保護(hù)極化的程度；防腐蝕層老化及破損程度；土壤電阻率；土壤的理化性質(zhì)和化學(xué)組成。

2　評(píng)價(jià)指標(biāo)

交流干擾會(huì)對人身和管道設(shè)備的安全造成影響,也會(huì)對管道造成交流腐蝕，二者都屬于交流干擾對管道安全性影響評(píng)價(jià)的重要因素。多年來國內(nèi)大量開展了這方面的研究，結(jié)果證明，采用先進(jìn)合理的防護(hù)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到有效控制及減輕交流腐蝕限值標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也能達(dá)到人身和管道設(shè)備安全電壓的標(biāo)準(zhǔn)。本工作將著重對交流腐蝕的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)于交流腐蝕的評(píng)價(jià)要針對其影響因素，可操作的測量技術(shù)綜合考慮。由于交流腐蝕機(jī)理至今尚未明了,再加上管道環(huán)境的復(fù)雜性、測量技術(shù)的非標(biāo)準(zhǔn)性，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定較為困難，任何一個(gè)單一指標(biāo)都不能全面地評(píng)價(jià)交流腐蝕。比如交流電流密度指標(biāo)，在使用這一指標(biāo)時(shí)仍然需考慮交流電壓和土壤電阻率等其他因素。管道交流腐蝕性評(píng)價(jià)時(shí)，考慮的因素越多，評(píng)價(jià)結(jié)果越真實(shí)。

表1中列出了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中關(guān)于鋼質(zhì)管道交流腐蝕的指標(biāo)參數(shù)的規(guī)定，其中給出了管道電壓和泄漏電流密度限值。文獻(xiàn)[8]建議采用ISO標(biāo)準(zhǔn)，即3 mA/cm2作為管道交流腐蝕水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在控制鋼質(zhì)管道交流腐蝕方面，新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21447-2008延用了原石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 0032)以交流電壓作為限值，分別為6 V(酸性土壤)、8 V(中性土壤)和10 V(弱堿性土壤)。需要指出的是:①在標(biāo)準(zhǔn)說明中指出上述控制指標(biāo)僅適用于石油瀝青防腐蝕層；②采用電壓作為交流腐蝕的判斷依據(jù)主要考慮的是測量方便，而管道產(chǎn)生腐蝕的實(shí)質(zhì)是管道與大地間的泄漏電流密度，電流密度是土壤電阻率和裸露管道金屬面積的函數(shù)?？梢?，只采用電壓作為交流腐蝕水平的判斷依據(jù)不夠嚴(yán)謹(jǐn)。在新制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50698-2011[5]中，對交流腐蝕的評(píng)價(jià)就給出了電流密度在土壤電阻率大于25 Ω·m時(shí)的限值(6 mA/cm2)。

表1　與管道交流腐蝕有關(guān)的電壓和泄漏電流密度限值

2.1采用電流密度評(píng)估交流腐蝕性

鋼質(zhì)管道的腐蝕程度和防腐層耐腐蝕水平應(yīng)根據(jù)管道向土壤中流散電流的密度來衡量。文獻(xiàn)[9-10]都報(bào)道了大于5 mA/cm2的交流電流密度對金屬產(chǎn)生的腐蝕才是嚴(yán)重的。ISO 標(biāo)準(zhǔn)[2]也提出類似的電流密度限值(3 mA/cm2)，小于此限則認(rèn)為管道上存在交流腐蝕的可能性很小。

歐洲CEN/TS 15280：2006標(biāo)準(zhǔn)給出了評(píng)價(jià)管道交流腐蝕可能性指標(biāo)：交流電流密度Ja.c.小于30 A/m2，交流腐蝕不存在或很低；交流電流密度Ja.c.大于30 A/m2，小于100 A/m2，交流腐蝕為中等腐蝕；交流電流密度Ja.c.大于100 A/m2，交流腐蝕為嚴(yán)重腐蝕。為了更充分地評(píng)價(jià)交流腐蝕的可能性，還應(yīng)考慮交流腐蝕的其他影響因素。

2.2采用“Ja.c./Jd.c.”評(píng)價(jià)交流腐蝕的可能性

管道上的陰極保護(hù)可以有效地控制原電池腐蝕，當(dāng)管道上感應(yīng)了交流電流后，原陰極保護(hù)電流就顯得不足，因此應(yīng)提高陰極保護(hù)電流密度(Jd.c.)。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，可采用“Ja.c./Jd.c.”評(píng)價(jià)交流腐蝕的可能性，即：“Ja.c./Jd.c.”值低于5，交流腐蝕的可能性較低；“Ja.c./Jd.c.”值為5～10，存在交流腐蝕的可能性，需做進(jìn)一步的驗(yàn)證；“Ja.c./Jd.c.”值大于10，交流腐蝕的可能性極高，必須采取防護(hù)措施(如管道接地等)。

為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)埋地管道交流腐蝕的可能性，還應(yīng)考慮交流腐蝕的其他影響因素。

2.3采用電壓來評(píng)價(jià)交流腐蝕的可能性

前面所述單一的交流電壓不宜作為交流腐蝕可能性的指標(biāo)，然而電壓測量較為容易，加上電壓和電流密度間的歐姆定律，可以很方便地了解到發(fā)生交流腐蝕的可能性，也就是說在不同的電阻率下，對于同一電流密度有一個(gè)不同的電壓值，在CEN/TS 15280：2006標(biāo)準(zhǔn)中給出消除埋地管道上交流腐蝕時(shí)管道上的交流電壓應(yīng)滿足以下要求：在土壤電阻率高于25 Ω·m地段，交流電壓不應(yīng)超過10 V；在土壤電阻率低于25 Ω·m地段，交流電壓不應(yīng)超過4 V。

上述交流電壓限制值是歐洲腐蝕工作者長期實(shí)踐總結(jié)出來的，可以作為控制管道交流腐蝕的參考值。然而,美國NACE對此卻有不同的看法，在NACE 2007年提供的《交流腐蝕技術(shù)發(fā)展水平：腐蝕速率、機(jī)理以及緩解條件》中指出這個(gè)限值有些過度，當(dāng)管道與電力線近間距長距離并行時(shí)，要滿足NACE RP0177標(biāo)準(zhǔn)的15 V要求也要付出高昂的代價(jià)，在2014年5月的北京國際腐蝕會(huì)議上，美國的干擾專家重申了這一觀點(diǎn)。

2.4土壤電阻率對管道交流腐蝕的影響

根據(jù)歐姆定律，通過管道上的感應(yīng)交流電壓和防腐蝕層缺陷處的土壤擴(kuò)散電阻，可確定該點(diǎn)的交流電流密度。如果感應(yīng)交流電壓一定，在土壤電阻率特別低的環(huán)境里，防腐蝕層缺陷處的土壤擴(kuò)散電阻較低，管道交流腐蝕的可能性較高。

事實(shí)上，防腐層缺陷處裸鋼的面積是影響交流腐蝕發(fā)生的重要因素，裸露面積越小，相對的電流密度越大，交流腐蝕的可能性越大。

土壤電阻率的大小與土壤的含水量和含鹽量有關(guān)，所以，位于地下水位以上管道和位于地下水位以下管道之間的防腐層缺陷電阻差別很大。同時(shí)，在陰極保護(hù)電流的作用下，金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成的陰極產(chǎn)物也影響著防腐層缺陷電阻。在陰極保護(hù)電流的作用下，陰極表面可發(fā)生氧的還原反應(yīng)或析氫反應(yīng),見式(1)、式(2)，管道表面將產(chǎn)生大量的OH-，導(dǎo)致pH上升，通常為11～14，甚至更高。陰極保護(hù)電流使陽離子聚集在防腐層缺陷處的金屬表面上，也會(huì)導(dǎo)致該位置的pH上升。

在透氣環(huán)境中的陰極反應(yīng)：

(1)

在不透氣環(huán)境中的陰極反應(yīng)：

(2)

實(shí)際上，從試片和可能受交流干擾腐蝕管道表面的腐蝕產(chǎn)物測得的pH通常為10～13。

可以看出，當(dāng)金屬表面附近的pH增大時(shí)，缺陷電阻就會(huì)變低，上述的兩個(gè)影響因素都會(huì)使得交流電流增大。

在陰極保護(hù)的作用下，根據(jù)土壤中主要化學(xué)物質(zhì)組成，防腐蝕層缺陷的電阻可能升高或降低，實(shí)際上當(dāng)pH升高后，土壤中化學(xué)物質(zhì)組成也會(huì)發(fā)生改變，如生成NaOH或CaCO3等物質(zhì)。堿土金屬離子(Ca2+,Mg2+)的氫氧化物溶解性較低，隨著pH的增加，在防腐蝕層缺陷處堿土金屬離子與OH-作用，形成石灰質(zhì)沉積物，聚集在金屬表面上，導(dǎo)致防腐層缺陷電阻顯著增加，有時(shí)電阻可增大100倍。因此，為了降低交流腐蝕的可能性，應(yīng)降低金屬與電解質(zhì)之間的電阻，通常采用加大陰極保護(hù)的作用，使管/地保護(hù)電位(斷電電位)極化到更負(fù)水平，但不能超過管道鋼的規(guī)定限值(-1.1 V,CSE)。

雖然堿土金屬離子可導(dǎo)致孔隙電阻增大，但堿金屬離子(Na+,K+,Li+)的氫氧化物溶解性較大，這樣在防腐蝕層缺陷處聚積了大量土壤中的水分和離子，從而降低了孔隙電阻，有時(shí)可降低60倍之多。

因此，防腐蝕層缺陷處電流密度取決于以下因素：(1) 防腐蝕層缺陷的大??；(2) 土壤電阻率或堿金屬離子與堿土金屬離子的比率；(3) 在陰極保護(hù)作用下，產(chǎn)生OH-的數(shù)量。

3　交流腐蝕過程

到目前為止，關(guān)于交流腐蝕的機(jī)理尚不明確，但金屬遭受腐蝕必然是有電流從管道上流出，通常采用陰極保護(hù)，使外部的電流從管道防腐蝕層損壞處流入管道，阻止管道腐蝕的發(fā)生。

如果實(shí)施陰極保護(hù)管道上存在交流電壓，電流將從防腐蝕層破損處流出，流出的電流取決于管道系統(tǒng)的阻抗。如果交流電壓足夠大，在交流電壓正向波段時(shí)，電流會(huì)從管道表面流入土壤，導(dǎo)致腐蝕。

圖1所示為腐蝕過程的機(jī)理。在正向波峰段，電流從金屬表面流出，裸露金屬表面發(fā)生氧化形成氧化膜。在負(fù)向波峰段，電流流入金屬表面，該氧化膜轉(zhuǎn)化成氫氧化物而減少。經(jīng)過氧化-還原反應(yīng)的不斷循環(huán)，將產(chǎn)生大量的氫氧化鐵。因此，交流電流每一次循環(huán)，管道表面的金屬將被氧化，長期作用下便造成大量金屬腐蝕損失。

相對而言，如果管道上不存在交流干擾，則陰保電流總是流入金屬表面，管道不被腐蝕。如圖2所示。

4　交流腐蝕的識(shí)別

交流腐蝕通常在輸送產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題或特別測量、評(píng)價(jià)和管道開挖過程中發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)平行于高壓輸電線路或交流電氣化鐵路的管道腐蝕越來越嚴(yán)重時(shí)，管道的腐蝕就有可能是交流腐蝕，應(yīng)當(dāng)引起管道管理者的警覺。

管道交流腐蝕的前提條件是管道上存在對地交流電壓，這一電壓測量應(yīng)是長期連續(xù)的，對于故障或雷擊引起的瞬間干擾，雖然時(shí)間很短，但電流很大，其對安全和腐蝕的危害程度也不可小視。

在對懷疑存在交流腐蝕的管道開挖檢查時(shí)，必須測量該位置的土壤電阻率和pH，收集腐蝕產(chǎn)物和土壤樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。

管道上交流腐蝕的特點(diǎn)是腐蝕發(fā)生在防腐蝕層破損處，腐蝕形態(tài)呈圓滑形，腐蝕產(chǎn)物松散，典型的交流腐蝕形貌如圖3所示。

根據(jù)交流腐蝕的影響因素和條件，對發(fā)生腐蝕的案例進(jìn)行多方面的對比判別，按表2中的各項(xiàng)問題進(jìn)行回答，當(dāng)多數(shù)回答是肯定的時(shí)候，交流腐蝕就可以確定[4]。

表2　管道交流腐蝕的判別

5　結(jié)束語

當(dāng)埋地鋼質(zhì)管道鄰近有高壓輸電線路或交流電氣化鐵路時(shí),不可避免會(huì)對其產(chǎn)生電磁感應(yīng)干擾影響，使管道上帶有交流電壓，危及管道設(shè)備和人身安全，當(dāng)管道上的交流電流密度高到一定程度后，還會(huì)造成管道的交流腐蝕，直接威脅到管道的安全。近年來國內(nèi)外科技工作者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了突出的成果，制定了可操作性很強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，提供了可以借鑒的實(shí)用技術(shù),希望這些技術(shù)能在今后的電力和管道建設(shè)事業(yè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

[1]尹可華. 工頻電場作用下的金屬腐蝕[Z]. [出版地不詳]:成都科技大學(xué)管道干擾科研組,1979.

[2]ISO15589-1-2003Petroleumandnaturalgasindustries-cathodicprotectionofpipelinetransportationsystems-on-landpipelines[S].

[3]CEN/TS15280：2006Evaluationofa.c.corrosionlikelihoodofburiedpipelines-applicationtocathodicallyprotectedpipelines[S].

[4]CEOCOR2000A.C.corrosiononcathodicallyprotectedpipelinesguidelinesforriskassessmentandmitigationmeasures[S].

[5]GB/T50698-2011埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]胡士信,路民旭,杜艷霞. 管道交流腐蝕的新觀點(diǎn)[J]. 腐蝕與防護(hù),2010(6):419-424.

[7]董亮,路民旭,杜艷霞. 埋地管道交流腐蝕的研究進(jìn)展[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2011(6):173-177.

[8]郭劍,曹玉杰,胡士信. 交流輸電線路對輸油輸氣管道電磁影響限值研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2008(2):17-20.

[9]貝克曼，施文克,普林茲. 陰極保護(hù)手冊——電化學(xué)保護(hù)的理論與實(shí)踐[J]. 胡士信,王向農(nóng),譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[10]中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所二部金屬腐蝕與防護(hù)組. 交流電對地下油氣管道電化學(xué)腐蝕及其陰極保護(hù)的影響[J]. 金屬腐蝕與防護(hù),1977(1):20-29.

Assessment of AC-corrosion Possibility of Buried Pipelines with Adjacent Strong Electric Lines

WANG Shuang-ping1, SUN Zhen-yang1, HU Shi-xin2, LU Jia-yu3

(1. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300250, China; 2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang 065000, China; 3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China)

The induced alternative interference current generated on buried pipelines is inevitable when the buried pipelines are paralleled with strong electric lines in a relative short distance. AC-corrosion will occur on the buried pipelines when the density of the induced alternative interference current reaches a specific limit value. This phenomenon will jeopardize the buried pipelines and even threaten the personal safety. A new standpoint about the AC-corrosion conditions and its control index are proposed. More importantly, the AC-corrosion possibility of buried pipelines is properly assessed.

strong electric line; buried pipeline; AC interference; AC corrosion; limit value

10.11973/fsyfh-201601011

2014-11-20

王雙平(1958-),高級(jí)工程師,本科,從事電氣化鐵路牽引供變電和交流干擾與防護(hù)研究和設(shè)計(jì),13502009887,wsp581009@126.com

TG174.4

A

1005-748X(2016)01-0047-04