交流架空線路下埋地金屬管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)模型

劉 凱，張建華，徐海霞，李后英

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司物資分公司，重慶 401121；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

0 引言

近年來隨著“西電東送”和“西氣東輸”的開展，架空輸電線路和埋地金屬管道在路線規(guī)劃上均遵循路權(quán)優(yōu)先的原則[1]，導(dǎo)致“公共走廊”現(xiàn)象攀升，使得交流干擾問題日益突出。當(dāng)管道上的交流干擾電壓超過相關(guān)閾值時(shí)，不但使人身安全受到威脅，還會(huì)產(chǎn)生交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重情況下更會(huì)導(dǎo)致管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，管道涂層隨之受到危害進(jìn)而導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生。因此迫切需要開展干擾情況下埋地金屬管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，以便能及時(shí)采取修復(fù)措施，降低事故發(fā)生率，從而保護(hù)社會(huì)財(cái)產(chǎn)及人身安全。

目前，國外在燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方面發(fā)展較為成熟。20世紀(jì)90年代初期，W.Kent.Muhlbauer針對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的搭建和評(píng)估方法的應(yīng)用在《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》中均有詳細(xì)描述，并得到了研究人士的認(rèn)可[2]。美國許多油氣管道均參照其風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)并出臺(tái)了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，如AS 2832.2—2004、API PR581[3]等。文獻(xiàn)[4]也提出了一種基于ELECTRE TRI方法和效用理論的多準(zhǔn)則模型，用于評(píng)估天然氣管道中的風(fēng)險(xiǎn)并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)類別將管道段分類。國內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要應(yīng)用于管道剩余壽命預(yù)測(cè)、復(fù)雜環(huán)境下管道可靠性分析、半定量條件下的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[5-7]，如文獻(xiàn)[8]結(jié)合自身國情，對(duì)Kent評(píng)分法進(jìn)行改進(jìn)并結(jié)合關(guān)聯(lián)因素權(quán)重分配和歷史缺陷數(shù)據(jù)，建立了新的城市燃?xì)饴竦劁摴芑诳煽啃缘母g失效可能性評(píng)估模型。從所查閱的文獻(xiàn)來看，均未涉及到交流架空輸電線路干擾下埋地金屬管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)研究。

提出以金屬腐蝕速率為標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定原則，并將風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為5種情況。在輸電線路對(duì)埋地金屬管道的干擾分析中，綜合考慮了各種因素對(duì)交流干擾的影響。最終，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析得到了在特定腐蝕速率下交流電流密度和陰極保護(hù)電流密度的影響關(guān)系，以此得到管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)程度。

1 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)影響因素及狀態(tài)劃分

1.1 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)影響因素

1.1.1 交流電流密度

輸電線路對(duì)埋地管道的干擾程度以管道交流電流密度為指標(biāo)。在交流干擾下，埋地金屬構(gòu)筑物上會(huì)流過雜散電流，則其在無雜散電流下所保持的承受滲透壓與溶解壓的平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，從而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。因?yàn)殡s散電流多為局部集中的劇烈腐蝕，會(huì)形成快速的局部腐蝕甚至發(fā)生管線腐蝕穿孔，嚴(yán)重威脅著管道的安全運(yùn)行。

1.1.2 管道交流干擾電壓

高壓交流架空輸電線在正常運(yùn)行狀況下與埋地金屬管道之間主要存在電感耦合的影響。由于周期性的變化電流從而產(chǎn)生了交變的磁場(chǎng)，其磁力線切割與之平行的埋地金屬管道，導(dǎo)致埋地金屬管道上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即管道交流感應(yīng)電壓?？v向電動(dòng)勢(shì)接著又對(duì)管道與大地形成的回路產(chǎn)生電磁影響，從而在回路中產(chǎn)生縱向電流和泄漏電流，同時(shí)會(huì)在管道防腐層兩側(cè)產(chǎn)生涂層電壓?？紤]到大地電屏蔽作用，故可以忽略與埋地金屬管道間電容耦合的影響[9]。

在交流架空輸電線路對(duì)埋地金屬管道的干擾方面，有很多因素都起著不可忽視的作用。主要包括輸電線的電壓等級(jí)、負(fù)載大小，兩者間的并行長(zhǎng)度、相隔間距以及交叉跨越時(shí)的夾角大小等。如并行長(zhǎng)度增加，管道交流干擾電壓會(huì)增大并最終趨于穩(wěn)定；交叉跨越角度增大，管道干擾會(huì)減小。

1.1.3 土壤電阻率

土壤是由土粒、土壤溶液、土壤氣體、有機(jī)物、無機(jī)物、帶電膠體和非膠體粗粒等在內(nèi)的多種成分構(gòu)成的極為復(fù)雜的不均勻多相體系。不同土壤的腐蝕性差異很大，由于土壤的組成和性質(zhì)的不均勻性，很容易形成氧濃差電池，故易造成埋地金屬管道產(chǎn)生嚴(yán)重的局部腐蝕。影響土壤腐蝕的因素很多，如含水量、溫度、土壤電阻率、pH等?？紤]到其他因素的影響作用較土壤電阻率而言不夠明顯，故在此將土壤電阻率作為判斷土壤腐蝕性的重要指標(biāo)之一。

1.1.4 涂層破損面積

埋地金屬管道的表面一般都會(huì)敷設(shè)防腐層以此防止腐蝕介質(zhì)和金屬管道直接接觸，從而減小金屬管道的電化學(xué)腐蝕。目前涂層主要分有機(jī)涂層和無機(jī)涂層兩種。其中，有機(jī)涂層中應(yīng)用較廣泛的是聚乙烯防腐層，具有良好的耐剝離性能和抗透濕性能；無機(jī)涂層的出現(xiàn)彌補(bǔ)了有機(jī)涂層因老化導(dǎo)致壽命有限的缺陷，其主要有陶瓷涂層、玻璃涂層等。由于涂層種類繁多，故一般采用涂層電阻率反映管道的防腐能力。埋地金屬管在服役期間，由于所處環(huán)境復(fù)雜，周圍各種因素的組合作用使得管道在保護(hù)作用下仍能發(fā)生腐蝕。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，在日積月累下管道會(huì)出現(xiàn)局部的破損，直至涂層被擊穿，引發(fā)爆炸等危險(xiǎn)。

1.1.5 陰極保護(hù)電流密度

陰極保護(hù)系統(tǒng)在管道涂有防腐層的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步的抑制所在缺陷處的腐蝕。即通過向被保護(hù)的埋地金屬管道通以足夠的陰極電流（直流電流）的情況下，可減小或消除因土壤腐蝕造成的各種原電池的電極電位差，使腐蝕電流趨近于零，從而達(dá)到阻止腐蝕的目的。保護(hù)電流密度指的是被保護(hù)構(gòu)筑物單位面積上所需要的保護(hù)電流，其值的大小主要依據(jù)于管道防腐層狀況及干擾影響。陰極保護(hù)電位同理也受交流干擾和土壤環(huán)境影響，容易產(chǎn)生波動(dòng)，使得評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確。因此在交流干擾環(huán)境中，陰極保護(hù)電流密度更適合于衡量陰極保護(hù)水平。

1.2 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)劃分

現(xiàn)有的管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)其狀態(tài)等級(jí)的劃分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參考《管道防腐蝕手冊(cè)》[10]中金屬耐腐蝕性能標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣工業(yè)》[11]在管道運(yùn)輸系統(tǒng)的陰極保護(hù)第一部分中陸地管線相關(guān)規(guī)定：地下金屬構(gòu)筑物腐蝕速率＜0.1 mm/a時(shí)可滿足管道的設(shè)計(jì)壽命要求，將管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為極低、低、中等、高和極高等5種狀態(tài)，如表1所示。由于局部腐蝕，如孔蝕、選擇性腐蝕等在測(cè)量及預(yù)測(cè)方面仍存在很多困難，故在受交流干擾的埋地金屬管段采用均勻腐蝕速率來大致衡量腐蝕程度。

表1 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)

2 狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)及量化方法

2.1 評(píng)估指標(biāo)選取

可靠且全面的狀態(tài)信息是開展?fàn)顟B(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)，國內(nèi)目前主要采用石油行業(yè)SY/T 0032-2000標(biāo)準(zhǔn)，以干擾電壓為衡量參數(shù)進(jìn)行判斷[12]，即在不同土壤環(huán)境下確定了具體限值：弱堿性土壤下最高不能超過10 V，中性土壤條件下不能超過8 V，酸性或鹽堿性土壤條件下則為6 V。但大量工程實(shí)例表明在管道服役年限期間，即使交流干擾電壓超出標(biāo)準(zhǔn)值，管道最終腐蝕程度也不會(huì)超出5%壁厚。此外，國外也針對(duì)干擾電壓進(jìn)行研究表明，管道最大干擾電壓處所測(cè)量的管道腐蝕速率不為最大值[13]。因此以交流干擾電壓值作為腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可能存在誤判的情況。

為彌補(bǔ)干擾電壓評(píng)判的不足，隨后提出了綜合干擾電壓和土壤腐蝕性的交流電流密度為腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判依據(jù)，ISO也認(rèn)同將30 A/m2作為管道交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的臨界點(diǎn)[11]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14]，管道腐蝕速率也受陰極保護(hù)水平的影響，即當(dāng)陰極保護(hù)程度一定時(shí)，管道腐蝕速率才能和交流電流密度呈一定的函數(shù)關(guān)系?？紤]到埋地金屬管道的陰極保護(hù)水平參差不齊，避免用交流電流密度評(píng)判帶來的局限性，故采用交、直流電流密度作為衡量參數(shù)。即，主要從管道受雜散電流（環(huán)境）干擾和管道自身保護(hù)措施兩方面構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系（圖1）。以此保證評(píng)估指標(biāo)能多角度、多方位的反映埋地金屬管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)程度，

圖1 埋地金屬管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系

2.2 評(píng)估指標(biāo)量化

2.2.1 交流電流密度

交流電流密度受到涂層破損情況、交流干擾電壓以及土壤電阻率等因素影響。故將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)可以綜合考慮到管道所處環(huán)境影響，使得評(píng)估結(jié)果更為精確、可靠?？梢酝ㄟ^式（1）計(jì)算得到。

式中 iac——交流電流密度，A/m2

Uac—— —交流干擾電壓，V

ρ—— —土壤電阻率，Ω·m2

d—— —破損點(diǎn)直徑，m

管道干擾電壓主要受輸電線的電壓等級(jí)、負(fù)載大小，兩者間的并行長(zhǎng)度、相隔間距以及交叉跨越時(shí)的夾角大小等影響。在實(shí)際工程中可以通過商業(yè)軟件CDEGS仿真得到各條件綜合作用下的交流干擾電壓值，可利用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)得到。土壤電阻率也可通過相關(guān)設(shè)備測(cè)量得到。針對(duì)涂層破損情況，通常認(rèn)為破損面積在（100～300）mm2時(shí)，管道具有最高的腐蝕速率?？紤]發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重的情況，取對(duì)應(yīng)100 mm2破損面積下的對(duì)應(yīng)直徑，0.0113 m。

2.2.2 陰極保護(hù)電流密度

陰極保護(hù)電流密度，即為在恒定的保護(hù)電位范圍內(nèi)，某一單位的電極表面上流入的電流。在實(shí)際工作中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量陰極保護(hù)電流密度主要通過測(cè)量流入埋地管道的管中陰極保護(hù)電流來計(jì)算，如式（2）所示。

式中 idc——ab管段中的陰極保護(hù)電流密度，A/m2

Ia——測(cè)試點(diǎn)a處的保護(hù)電流，A

Ib——測(cè)試點(diǎn)b處的保護(hù)電流，A

D—— —管道外徑，m

L—— —ab 管段長(zhǎng)度，m

目前，測(cè)量管中陰極保護(hù)電流的測(cè)試方法主要有電位差法、標(biāo)定法、電流環(huán)法等，利用式（2）即可得到特定管段中的陰極保護(hù)電流密度。

3 埋地金屬管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.1 各腐蝕速率下交流電流密度計(jì)算方法

得到在不同陰極電流密度下對(duì)應(yīng)平均腐蝕速率—交流電流密度數(shù)據(jù)[15]。結(jié)合1.2節(jié)所述腐蝕風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)判定依據(jù)，即可收集各臨界速率條件下各陰極保護(hù)電流密度處的交流電流密度值。

在同一陰極保護(hù)電流密度下，管道腐蝕速率與交流電流密度呈正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系并滿足良好的指數(shù)關(guān)系；在腐蝕速率一定的條件下，交流電流密度隨著陰極保護(hù)電流密度的增加而增大。由此表明在較低的陰極保護(hù)水平下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)高，提高陰極保護(hù)電流密度可適當(dāng)降低風(fēng)險(xiǎn)。

故求取腐蝕速率在 0.01 mm/a，0.1 mm/a，1 mm/a，10 mm/a下各陰極保護(hù)系統(tǒng)下的交流電流密度值，即可通過曲線擬合得到交流電流密度與陰極保護(hù)電流密度共同作用下臨界管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)程度。歸納整理得到相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各陰極保護(hù)電流密度下平均腐蝕速率與交流密度值

應(yīng)用曲線擬合的方法，得到在不同腐蝕速率情況下擬合曲線如圖2所示，曲線擬合程度均達(dá)到了0.95以上。

如圖2所示擬合曲線，不同腐蝕速率情況下其擬合曲線的函數(shù)關(guān)系見（3）～（6）式。

圖2 臨界腐蝕速率下交流電流密度與陰極保護(hù)電流密度的擬合曲線

當(dāng)腐蝕速率為0.01mm/a時(shí)，

當(dāng)腐蝕速率為0.1mm/a時(shí)，

當(dāng)腐蝕速率為1mm/a時(shí)，

當(dāng)腐蝕速率為10mm/a時(shí)，

式中 iac1——管道腐蝕速率為0.01mm/a時(shí)交流電流密度值

iac2——管道腐蝕速率為0.1mm/a時(shí)交流電流密度值

iac3——管道腐蝕速率為1mm/a時(shí)交流電流密度值

iac4——管道腐蝕速率為10mm/a時(shí)交流電流密度值

idc——陰極保護(hù)電流密度值。

3.2 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定

結(jié)合腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系和狀態(tài)劃分原則，管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可由式（7）確定。

式中 iac——實(shí)際計(jì)算得到的交流電流密度值

iac1——實(shí)際陰極保護(hù)電流密度下使得管道腐蝕速率為0.01 mm/a的交流電流密度值

iac2——實(shí)際陰極保護(hù)電流密度下使得管道腐蝕速率為0.1 mm/a的交流電流密度值

iac3——實(shí)際陰極保護(hù)電流密度下使得管道腐蝕速率為1 mm/a的交流電流密度值

iac4——實(shí)際陰極保護(hù)電流密度下使得管道腐蝕速率為10 mm/a的交流電流密度值

v—— —管道腐蝕速率，mm/a。

為便于理解，埋地金屬管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的判定情況具體如圖3所示。

圖3 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)判定

3.3 評(píng)估流程

考慮輸電線路或環(huán)境干擾與管道保護(hù)系統(tǒng)的相互作用，利用定量評(píng)價(jià)的方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，可避免模糊綜合評(píng)價(jià)等將指標(biāo)離散的方法帶來的較大誤差。管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖4所示。

4 實(shí)例分析

針對(duì)輸電線路正常情況下埋地金屬管道的干擾分析，華北地區(qū)某輸氣管道敷設(shè)長(zhǎng)度達(dá)20 km，管道外徑為219 mm，厚度為6.4 mm，埋深為2 m。防護(hù)層材料為3PE，并符合國家標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》。其中3層PE防腐層電阻率為105Ω·m2，相對(duì)介電常數(shù)為2.3。管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)采用強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)方式，陰極保護(hù)電流密度為0.014 A/m2。管道兩端為分輸站，分輸站工藝設(shè)備、管道和干線管道均由絕緣法蘭相連，管道沿線無接地措施。管道與多條交流輸電線路臨近并行，現(xiàn)場(chǎng)交流干擾檢測(cè)表明該管線交流干擾嚴(yán)重，最高電壓約為40 V，在測(cè)量時(shí)段內(nèi)，交流干擾電壓讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，變化≤0.5 V，數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果見表3（表中干擾電壓為測(cè)量時(shí)段內(nèi)的平均值）。管道沿線主要為平原，土壤電阻率大約為（80～100）Ω·m，在本文中視其為均勻土壤層。

圖4 管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

表3 管道交流干擾測(cè)試結(jié)果

式中 iac——管道管道交流電流密度，A/m2

Uac—— —交流干擾電壓，V

d——涂層破損點(diǎn)直徑，m

ρ—— —土壤電阻率，Ω·m

將陰極保護(hù)電流密度值0.014 A/m2與交流電流密度值代入腐蝕風(fēng)險(xiǎn)判定圖大致可得管道處于腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，代入式（5）和式（6）中，計(jì)算得到 iac3，iac4。見（9）～（11）式。

考慮到3號(hào)樁測(cè)量得到的干擾電壓最大，計(jì)算分析具有代表性。故在此主要詳細(xì)介紹3號(hào)樁所對(duì)應(yīng)管段的腐蝕情況，其余管段結(jié)果如表4所示。針對(duì)管道的破損點(diǎn)，通常認(rèn)為破損面積在時(shí)，管道具有最高的腐蝕速率，故本文考慮發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重的情況，則取對(duì)應(yīng)破損面積下的對(duì)應(yīng)直徑，0.0113 m。

則根據(jù)式（1）可得到該管道交流電流密度值iac見式（8）。

最后將值與實(shí)際計(jì)算得到的交流電流密度值進(jìn)行比較得到如下結(jié)果。

故可得到該段埋地金屬管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)程度為高級(jí)別，需要采取一定防護(hù)措施，以免腐蝕情況加劇而引發(fā)安全事故。

從表4可得，管道所處環(huán)境復(fù)雜，不同環(huán)境下腐蝕風(fēng)險(xiǎn)程度相差比較大。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)最大處所受干擾電壓值不一定最大，也會(huì)受到土壤環(huán)境的影響。因此在監(jiān)察管理過程中，需要加強(qiáng)管道所處惡劣環(huán)境（干擾強(qiáng)、土壤電阻率低）下的防護(hù)措施。

表4 各管道段腐蝕情況

5 結(jié)論

（1）在管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，輸電線路的交流干擾是影響狀態(tài)評(píng)估的重要因素。故考慮環(huán)境干擾和自身保護(hù)兩方面來建立評(píng)估指標(biāo)體系是合理的。

（2）通過曲線擬合方式對(duì)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，可避免模糊綜合評(píng)判等半定量方法所帶來的較大誤差。

（3）該方法在理論上是科學(xué)合理的，實(shí)踐表明基于方法所評(píng)價(jià)得出的結(jié)果與實(shí)際情況相符合，證明該方法也是有效的。

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