強制排流器在消除埋地金屬管道雜散電流干擾中的應(yīng)用

張 超

〔中國石化北京石油分公司 北京 100022〕

強制排流器在消除埋地金屬管道雜散電流干擾中的應(yīng)用

張 超

〔中國石化北京石油分公司 北京 100022〕

針對目前地鐵運行過程中對埋地金屬管道造成的直流雜散電流干擾的現(xiàn)狀，提出利用強制排流器對干擾進行防護的措施，并對單因素電流干擾，與地鐵(已運行2年)垂直交叉、埋深3.5m、管徑DN300mm、雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層、已埋設(shè)10年、采用恒電位儀提供保護電流并加裝鎂陽極的某成品油輸油管道進行實驗，表明該技術(shù)對抑制管道上的直流雜散電流干擾達到最優(yōu)狀態(tài)，接近于未干擾的情況，大大降低了管道腐蝕隱患，提高了管道安全運行水平。

成品油管道 雜散電流 腐蝕 干擾 排流器 應(yīng)用

近些年隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，埋地油氣管道與高壓輸電線路和電氣化鐵路相遇的幾率越來越多，同時由于油氣管道的高性能防腐層，高壓輸電線路、高壓電塔、高速鐵路、城市軌道交通等對油氣管道及其陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生很強的干擾作用[1]。近一二十年來國內(nèi)外大量油氣管道失效的案例、安全事故和檢測數(shù)據(jù)表明，在具有交、直流雜散電流干擾存在的情況下，油氣管道更加容易出現(xiàn)過保護、欠保護以及一些新的腐蝕失效的情況。因此，在交直流干擾日趨嚴重的情況下，如何進行陰極保護的有效監(jiān)測和電源輸出優(yōu)化，已經(jīng)成為困擾油氣管道陰極保護設(shè)計工作者一個急需解決的難題。

1 直流雜散電流干擾的危害與監(jiān)測

在紛紛加快的城市軌道交通建設(shè)中，地鐵多采取直流電力牽引系統(tǒng)和直流電走行軌回流的方式。在地鐵運行時，由走行軌泄漏到道床及周圍土壤介質(zhì)中的直流雜散電流會對附近的設(shè)施造成嚴重腐蝕。

國外對電氣化軌道交通系統(tǒng)直流雜散電流干擾的認識始于美國。世界上第一條商業(yè)運行的電氣化鐵道系統(tǒng)于1888年在維吉尼亞州投入運行，在隨后10年，美國有數(shù)千公里的電氣化鐵路投入運行。幾乎同時，人們發(fā)現(xiàn)在電氣化鐵道附近的地下管線和電纜遭到嚴重腐蝕，鐵路當局也注意到鐵軌和道釘遭到腐蝕的情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從電氣化鐵路運行軌道泄漏的電流是造成腐蝕的主要原因，自此開始了關(guān)于直流雜散電流腐蝕的研究。

1.1 直流雜散電流干擾對管道的危害

雜散電流即指設(shè)計規(guī)定回路以外流動的電流，其具有多源性特征。按照造成的干擾性質(zhì)可分為交流干擾和直流干擾。

埋地管道的直流雜散電流干擾主要來自于附近的直流電氣化鐵路系統(tǒng)、直流電焊機等電力傳輸系統(tǒng)，或某些工業(yè)電氣設(shè)備以及外部的陰極保護系統(tǒng)[2]。對于長距離帶有涂覆層的埋地金屬管道影響最普遍、最嚴重的直流雜散電流源是直流電氣化鐵路系統(tǒng)。

由于雜散電流的強度一般都很大，從而使金屬溶解量大大增加，并可使被干擾體系在短時間內(nèi)發(fā)生點蝕穿孔，甚至誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。此外，地鐵直流雜散電流還會干擾陰極保護系統(tǒng)的正常運行，使犧牲陽極系統(tǒng)發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，降低犧牲陽極的電流效率，致使管道得不到有效的防腐保護。

1.2 直流雜散電流干擾的監(jiān)測

目前國內(nèi)外埋地管道直流雜散電流的判斷及排除技術(shù)尚不完善，我國對直流雜散電流干擾的判定為管道上任意一點正向偏移20 mV或附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時，確認為直流干擾。國際上對于地鐵動態(tài)雜散電流的判別尚未統(tǒng)一，其中涉及該內(nèi)容的主要有英國/歐洲標準BS/EN50162—2004《Protection against corrosion by stray current from direct current systems》和澳大利亞AS2832.1—2004《Cathodic protection of metals, Part1: Pipes and cables》標準。其中英國和歐洲標準BS/EN50162—2004提出使用電流探針代替管道涂層缺陷來評價陰極保護構(gòu)筑物上的波動的雜散電流干擾程度。一般持續(xù)24 h測試探針的電流(陰極保護電流和雜散電流共同作用下的結(jié)果)，以管道不受波動的雜散電流干擾的時候(如晚上)的電流為參考值。通過對比干擾時間段內(nèi)的持續(xù)時間和方向來對雜散電流干擾水平進行評判。澳大利亞標準是采用記錄一定時長下管道的管地電位分布情況，來判定受地鐵雜散電流的干擾程度。

2 強制排流器對直流雜散電流干擾的防護

強制排流器是一套自適應(yīng)強制排流系統(tǒng)，安裝在管道沿線，監(jiān)測探頭可自動連續(xù)監(jiān)測管道上的直流雜散電流的強度，通過監(jiān)測探頭將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反饋給強制排流器中心處理器控制器單元，由強制排流器雜散電流補償和吸收單元自動完成管道上存在的雜散電流的補償和吸收，消除管道上的直流雜散電流，保持管道上管地電位的平穩(wěn)性，恢復(fù)管路各恒電位儀系統(tǒng)的有效工作，提高管道安全運行壽命[3]。

強制排流器原理：將管道(或金屬結(jié)構(gòu)物)上的雜散電流引向排流器，并經(jīng)由排流器流入大地或流回干擾源，從而避免雜散電流直接從管道流入土壤造成電化學(xué)腐蝕。排流器不能影響陰保系統(tǒng)的工作，同時要考慮其自身受到的雷電過電壓和高壓輸電電塔故障電流的影響。

該強制排流器不但可以消除地鐵造成的直流雜散電流干擾，還可適用于直流超高壓直流輸電線路(HVDC)對于管道的影響，當直流超高壓輸出線路開始單極工作的時候，強制排流系統(tǒng)可在1MS內(nèi)響應(yīng)并開始工作，直到直流輸出線路恢復(fù)正常工作。

強制排流器具有數(shù)據(jù)雙向通信(遠傳、遠控)功能，控制中心通過客戶端可實時觀察控制排流器各項工作數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析和預(yù)警，也可以通過客戶端軟件向強制排流器發(fā)送控制參數(shù)，完成強制排流器預(yù)定參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，修正強制排流器的工作狀態(tài)及參數(shù)。

強制排流器會按預(yù)定的時間將工作狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給強制排流器中心控制系統(tǒng)，中心控制系統(tǒng)會自動完成數(shù)據(jù)的記錄、存儲、預(yù)警，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲在中心控制系統(tǒng)服務(wù)器，中心控制系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)查詢、報表生成、導(dǎo)出及打印功能。

3 強制排流器的實例驗證效果

3.1 現(xiàn)場基本情況

某成品油輸油管道與地鐵垂直交叉，埋深約為3.5 m，管徑DN300 mm，為雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，已埋設(shè)10年，采用恒電位儀提供保護電流并加裝鎂陽極。恒電位儀安裝地點距離該排流點管道距離為12.8 km，為恒電位運行模式，預(yù)置電位-1.25V。

交叉處地鐵已運行2年，運行時間5點至24點，附近無主變電站，直流側(cè)標稱電壓為DC750V，牽引接觸網(wǎng)電壓波動范圍為DC500～900V，按照地鐵標準設(shè)置了相關(guān)雜散電流防堵阻措施及收集系統(tǒng)。經(jīng)測量附近測試樁保護電位，長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，初步判定雜散電流干擾。

采用管地電位測試儀對未利用強制排流器管道1號測試點進行24 h電位記錄，每3 s進行一次記錄，管地電位正向偏移最大值3.34V，負向偏移最大值-5.03V(見圖1)。在地鐵停止運行后，管地電位逐漸穩(wěn)定，并由-1.09V逐漸上升到-0.9V(見圖2)。

圖1 1號排流點24 h管地電位監(jiān)測電位圖

圖2 1號排流點地鐵停運后管地電位

采用管地電位測試儀對未使用強制排流器管道2號測試點進行24 h電位記錄，管地電位正向偏移最大值3.15V，負向偏移最大值-5.28V(具體情況見圖3)。在地鐵停止運行后，管地電位逐漸穩(wěn)定，并由-1.05V逐漸上升到-0.62V(具體情況見圖4)。

圖3 2號排流點24 h管地電位監(jiān)測電位圖

圖4 2號排流點地鐵停運后管地電位

3.2 現(xiàn)場情況分析

由24 h管地電位記錄可以看出，1號與2號測試點受到直流干擾較為嚴重，不僅出現(xiàn)了正向偏移和負向偏移，而且電流影響極大，電位值范圍在-5V至3.4V之間。在地鐵運行時間結(jié)束后，保護電位逐漸升高，出現(xiàn)未保護的狀態(tài)，2號測試點甚至出現(xiàn)-0.6V的電位，說明陰極保護系統(tǒng)未發(fā)揮功能，同樣可能有持續(xù)性的地鐵信號用直流電流影響。

3.3 進行強制排流

根據(jù)現(xiàn)場情況分析，地鐵供電系統(tǒng)對管道有極強的影響，干擾管道的陰極保護系統(tǒng)，如若不及時解決則極有可能造成防腐層剝離及管道腐蝕。為此，在管道與地鐵垂直交叉點兩側(cè)安裝強制排流器，強制排流器運行后，再對管道進行24 h管地電位測量。

從圖1、3可看出，在上述監(jiān)測點進行管地電位24h監(jiān)測，未進行排流前管道監(jiān)測點管地電位劇烈波動，且波動范圍較大。強制排流器開機后，從圖5、6可看到，管道上存在的雜散電流得到有效抑制，管道管地電位波動范圍較小，且在地鐵停運后，陰極保護系統(tǒng)無法保護的狀態(tài)也得到了改善，達到預(yù)期的目的。通過上述試驗，從排流效果來看，該排流技術(shù)對抑制管道存在的單因素直流雜散電流達到了最優(yōu)狀態(tài)，可使管道接近于未干擾狀態(tài)，大大降低了管道腐蝕隱患，提高了管道安全運行水平(見圖5、6)。

圖5 1號排流點(排流后)24 h管地電位監(jiān)測電位圖

圖6 2號排流點(排流后)24 h管地電位監(jiān)測電位圖

4 結(jié)束語

強制排流技術(shù)作為一種全新的排流技術(shù)，針對單因素直流雜散電流干擾取得了非常好的實際使用效果，將突破目前行業(yè)技術(shù)發(fā)展所面臨的技術(shù)瓶頸，最大程度地減緩直流雜散電流對埋地金屬管道造成的危害，從而保證管道后期安全高效運行。

[1] 張永飛，趙書華，李平，等.長輸埋地管道陰極保護故障診斷與排除[J]. 腐蝕與防護, 2014, 35(11):1168-1172.

[2] 貝克曼 W V，施文克W，普林茲W. 陰極保護手冊-電化學(xué)保護的理論與實踐[M]. 胡士信，王向農(nóng)等譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 張玉星，杜艷霞，路民旭，等.動態(tài)直流雜散電流干擾下埋地管道的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護, 2013,34(9):771-774.

2017-04-12。

張超(1983-)，男，本科，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，工程師，現(xiàn)從事管道油庫安全管理工作。