高壓直流輸電體系對(duì)埋地金屬管道腐蝕的影響參數(shù)

古 彤，白 鋒2，劉震軍，李正敏，曹方圓2，朱鳳艷

(1. 中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192)

我國(guó)地域廣闊，能源主要分布在西部區(qū)域，而人口和工業(yè)則主要集中在東部地區(qū)，因此，遠(yuǎn)距離、大容量的能源輸送發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生，長(zhǎng)輸油氣管道和高壓直流工程也因此進(jìn)入建設(shè)高峰期[1-2]。

隨著西電東送，西氣東輸工程的建設(shè)，直流接地極與埋地油氣管道鄰近的情況已不可避免。而直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行期間會(huì)有大量電流通過(guò)接地極入地，在接地極附近形成恒定的直流電流場(chǎng)[3]，并伴隨出現(xiàn)大地電位升高。由于管道防腐蝕層具有良好的絕緣性能，導(dǎo)致管/地兩側(cè)之間形成高電位差，給管道設(shè)備及人員帶來(lái)威脅；如果電流通過(guò)防腐蝕層破損點(diǎn)流進(jìn)、流出管道，則會(huì)造成氫脆、腐蝕等隱患[4-5]。

目前，中國(guó)是世界上直流輸電工程數(shù)量最多，電壓等級(jí)最高，輸送容量最大的國(guó)家。隨著特高壓直流輸電工程的快速發(fā)展，接地極的額定入地電流也由3 kA增大至4 kA甚至5 kA，入地電流對(duì)埋地油氣管道的影響日漸凸顯[6-9]，引起了石油天然氣和電力兩大行業(yè)的高度關(guān)注[10]，而關(guān)于直流接地極入地電流對(duì)金屬管道腐蝕的針對(duì)性研究卻并不多見(jiàn)[11-12]。本工作通過(guò)分析高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)埋地油氣管道直流干擾的機(jī)理，對(duì)直流干擾引起管道腐蝕的相關(guān)參數(shù)開(kāi)展調(diào)研和分析，為接地極入地電流對(duì)埋地油氣管道的腐蝕影響研究提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 干擾機(jī)理概述

1.1 入地電流

目前，我國(guó)直流輸電工程均設(shè)計(jì)為雙極直流輸電系統(tǒng)，正常運(yùn)行情況下多采用雙極對(duì)稱運(yùn)行方式，當(dāng)一極停運(yùn)或發(fā)生故障時(shí)，可采用單極金屬回路運(yùn)行方式或單極大地回路運(yùn)行方式。

采用雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)入地電流為正負(fù)兩極間的不平衡電流，其值不超過(guò)額定電流的1%[13]，不平衡電流入地持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。單極金屬回路運(yùn)行作為故障期間的過(guò)渡運(yùn)行方式，其運(yùn)行時(shí)間很短，可以減少對(duì)環(huán)境的影響，并延長(zhǎng)接地極的壽命。此外，單極大地回路運(yùn)行方式僅用于直流輸電工程投運(yùn)之前的系統(tǒng)調(diào)試期間，其運(yùn)行時(shí)間也很短，一般不超過(guò)1 d。

入地電流經(jīng)大地傳導(dǎo)后從管道破損點(diǎn)流入流出的電流只是部分入地電流，經(jīng)破損點(diǎn)流出管道的電流稱為泄漏電流，單位面積破損點(diǎn)上的電流稱為泄漏電流密度。

另外本工作提到的等效入地電流，出自IEC TS 62344[14]《Design of earth electrode stations for high-voltage direct current(HVDC) links-General gurdelines》，它是接地極以陰極或陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)的總安時(shí)與設(shè)計(jì)壽命的比，可以用于分析接地極對(duì)附近埋地金屬體的腐蝕影響。

1.2 高壓直流接地極對(duì)埋地管道的干擾機(jī)理

高壓直流輸電系統(tǒng)的接地極入地電流是對(duì)管道造成干擾的主要原因之一。當(dāng)接地極有直流電流流通時(shí)，在土壤中會(huì)形成一個(gè)恒定的電流場(chǎng)，由于管道電阻遠(yuǎn)小于土壤電阻，如果管道防腐蝕層存在破損點(diǎn)，電流會(huì)經(jīng)由破損點(diǎn)在管道上流通。

我國(guó)工程實(shí)況中，埋設(shè)于直流接地極附近的重要金屬管道多為長(zhǎng)距離輸油輸氣管道，此類管道表面一般敷設(shè)有防腐蝕層，目前較為常用的有3PE、FBE和石油瀝青防腐蝕層，其電阻率較大。若防腐蝕層完好，通過(guò)防腐蝕層與土壤進(jìn)行交換的電流密度則很小，此時(shí)可不考慮入地電流對(duì)管道的影響；但管道表面的防腐蝕層不可避免會(huì)有破損點(diǎn)的存在，且破損點(diǎn)處的電流密度可能較大，此時(shí)入地電流對(duì)管道的影響需要考慮。

按照接地極工作模式的不同，干擾電流在管道上流通的方向也有所不同。當(dāng)接地極處于陽(yáng)極工作模式時(shí)，入地電流會(huì)在靠近接地極的管道破損點(diǎn)處流入管道，在遠(yuǎn)離接地極的管道流出；當(dāng)接地極處于陰極工作模式時(shí)，入地電流在管道上流入流出的方向與陽(yáng)極運(yùn)行時(shí)的相反[11]。

管道受直流干擾時(shí)，在管道破損點(diǎn)處如果有直流電流流出，管道金屬與土壤接觸面上將發(fā)生腐蝕反應(yīng)，且電流強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，管道腐蝕越嚴(yán)重。管道破損點(diǎn)處的電化學(xué)腐蝕程度除受電流密度的影響外，還與其所處的土壤環(huán)境有關(guān)。此外，金屬在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，金屬管道作為電化學(xué)反應(yīng)中的電極，不同的金屬材料對(duì)表面的極化電位偏移也可能會(huì)有影響。

2 腐蝕參數(shù)確定

根據(jù)上述干擾機(jī)理可知，影響管道腐蝕的相關(guān)參數(shù)有管道金屬材質(zhì)、土壤性質(zhì)、泄漏電流。其中，與腐蝕影響有關(guān)的土壤性質(zhì)包括土壤電阻率、土壤pH、土壤成分，與腐蝕影響有關(guān)的泄漏電流參數(shù)則包括其大小與持續(xù)時(shí)間。

2.1 管道金屬材質(zhì)

據(jù)調(diào)研[14-16]，我國(guó)90年代建設(shè)的高壓管線多數(shù)采用X65管線鋼，如輪南-庫(kù)爾勒，庫(kù)爾勒-鄯善管線；目前已建的大型管道工程，西氣東輸一線采用X70管線鋼、西氣東輸二線、三線則采用X80管線鋼。因此，后續(xù)腐蝕規(guī)律試驗(yàn)研究將主要針對(duì)X65、X70和X80三種管線鋼開(kāi)展。

2.2 土壤理化性質(zhì)

2.2.1 土壤電阻率

我國(guó)土壤電阻率根據(jù)各地區(qū)實(shí)際情況不同而有較大差異，山區(qū)土壤電阻率較大，可達(dá)上千歐米，而平原地區(qū)則較低，僅為幾十歐米。埋地管線的腐蝕行為與所處的土壤環(huán)境密切相關(guān)，土壤電阻率越低，所含鹽分越多，土壤腐蝕性越強(qiáng)。

GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土壤電阻率將管道所處環(huán)境的土壤腐蝕性進(jìn)行分級(jí)：當(dāng)土壤電阻率<20 Ω·m時(shí)，土壤腐蝕性強(qiáng)；當(dāng)土壤電阻率為20～50 Ω·m時(shí)，土壤腐蝕性中；當(dāng)土壤電阻率>50 Ω·m時(shí)，土壤腐蝕性弱。

表1和表2分別為我國(guó)21個(gè)超/特高壓直流工程接地極和41處腐蝕研究基地試驗(yàn)點(diǎn)的表層土壤電阻率。

由表1可見(jiàn)：在21個(gè)接地極極址中，有71%的極址表層土壤電阻率不超過(guò)100 Ω·m，而在不超過(guò)100 Ω·m的極址中，有47%的極址表層土壤電阻率為10～30 Ω·m。由表2可見(jiàn)：在41個(gè)腐蝕研究基地試驗(yàn)點(diǎn)中，有81%的表層土壤電阻率不超過(guò)100 Ω·m，而在不超過(guò)100 Ω·m的腐蝕試驗(yàn)點(diǎn)中，有約79%的試驗(yàn)點(diǎn)表層土壤電阻率不超過(guò)30 Ω·m。結(jié)合土壤腐蝕性分級(jí)，強(qiáng)腐蝕性的土壤電阻率選擇10 Ω·m，中腐蝕性的土壤電阻率選擇30 Ω·m，弱腐蝕性的土壤電阻率選擇100 Ω·m，另外選擇500 Ω·m，1 000 Ω·m，1 500 Ω·m作為土壤電阻率規(guī)律研究的補(bǔ)充值。

表1 國(guó)內(nèi)21個(gè)超/特高壓直流接地極極址表層土壤電阻率Tab. 1 Soil resistivities of 21 extra/ultra HVDC grounding electrode sites

表2 國(guó)內(nèi)41個(gè)腐蝕研究基地試驗(yàn)點(diǎn)土壤性質(zhì)Tab. 2 Soil properties of test sites at 41 domestic corrosion research bases

綜合上述分析結(jié)果，在后續(xù)腐蝕規(guī)律研究中,土壤電阻率取值為10,30,100,500,1 000,1 500 Ω·m。

2.2.2 土壤pH

我國(guó)土壤pH分布情況大致以長(zhǎng)江為界，長(zhǎng)江以南多為中性、弱酸性土壤，長(zhǎng)江以北多為中、堿性土壤。由表2可見(jiàn)：41個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，約22%處的土壤pH為4～7；約78%處的土壤pH大于7，且該范圍內(nèi)約78%處的土壤pH為7～8.5。

由于我國(guó)在運(yùn)直流工程極址所在土壤酸堿度以弱堿性和中性土壤為主，故在后續(xù)規(guī)律研究中，土壤pH取值為4、7、8，且重點(diǎn)關(guān)注土壤pH為8的腐蝕試驗(yàn)。

2.2.3 土壤模擬溶液

目前，我國(guó)使用的弱堿性土壤模擬溶液主要是庫(kù)爾勒土壤模擬溶液和格爾木土壤模擬溶液[17]，其中更常用的是庫(kù)爾勒土壤模擬溶液。庫(kù)爾勒土壤模擬溶液是典型的堿性土壤模擬溶液，具備土壤模擬溶液的所有主要離子成分且離子成分比較均衡，廣泛用于土壤加速腐蝕試驗(yàn)，庫(kù)爾勒試驗(yàn)站是國(guó)家材料土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)遴選出的可以代表我國(guó)典型土壤環(huán)境的試驗(yàn)站之一(見(jiàn)表3)，在腐蝕研究領(lǐng)域中的認(rèn)可度高。格爾木土壤模擬溶液中的NaCl、MgSO4·6H2O等含量過(guò)高，不適宜作為普適性基底溶液。

表3 典型土壤環(huán)境試驗(yàn)站Tab.3 Typical soil environmental test stations

鷹潭土壤站和拉薩土壤站也是國(guó)家材料土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)遴選出的代表我國(guó)典型土壤環(huán)境的土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站。其中，鷹潭站土壤是我國(guó)東南地區(qū)紅壤土的典型代表[18]；拉薩站土壤則是中性土壤的典型代表，考慮到其離子含量低，鋼材在拉薩土壤模擬液中的自腐蝕量會(huì)相對(duì)較小，有利于腐蝕試驗(yàn)研究。

綜合上述分析，故在采用庫(kù)爾勒土壤模擬溶液作為堿性土壤模擬溶液[19-20]，鷹潭土壤模擬溶液作為酸性土壤溶液[21]，拉薩土壤模擬溶液作為中性土壤模擬溶液[22]，其離子含量見(jiàn)表4，溶液電阻率利用去離子水稀釋至指定值，溶液pH則利用5% HCl(余量分級(jí)，下同)溶液和5%的NaOH(余量分級(jí)，下同)溶液調(diào)節(jié)至所需值。

表4 試驗(yàn)用三種土壤模擬溶液的化學(xué)成分Tab. 4 Chemical composition of three simulated soil solutions used in the test mg/L

2.3 泄漏電流

2.3.1 泄漏電流密度標(biāo)準(zhǔn)演算

調(diào)研現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[23-24]，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推算出管道能夠接受的泄漏電流密度，將此值作為干擾電流的下限。按照電位、腐蝕速率、電流三個(gè)方向進(jìn)行分類，表5列出了對(duì)直流干擾研究有參考價(jià)值的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范調(diào)研結(jié)果。

表5 現(xiàn)行關(guān)于直流干擾研究的標(biāo)準(zhǔn)Tab. 5 Current standards for DC interference studies

由表5可見(jiàn)：各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于腐蝕速率限值中的較大者為0.025 4 mm/a。根據(jù)法拉第定律，腐蝕速率與電流密度之間的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：h為腐蝕深度，cm；A是金屬的相對(duì)原子質(zhì)量，取56；n是價(jià)數(shù)，取2；ρ是金屬的密度，7.85 g/cm3；F為法拉第常數(shù)，96 500 C/mol；i是陽(yáng)極電流密度，A/cm2；t為陽(yáng)極作用時(shí)間，s。

假設(shè)直流工程接地極全年持續(xù)以等效入地電流Ie向大地散流，如需要滿足該接地極在鄰近埋地鋼質(zhì)管道上產(chǎn)生的腐蝕速率不大于0.025 4 mm/a，按式(1)計(jì)算可得鋼質(zhì)管道上的泄漏電流密度需不大于0.002 2 mA/cm2。

運(yùn)行安時(shí)數(shù)相同，等效入地電流Ie的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)(接地極出現(xiàn)陰極運(yùn)行的概率為50%)：

Ie·N=In·[t1+(t2+t3)·0.5]+Iu·N·0.5

(2)

式中：In為接地極額定入地電流；N為接地極設(shè)計(jì)使用壽命，60 a；t1為調(diào)試期單極大地運(yùn)行時(shí)間，一般不超過(guò)1 d，即0.002 7 a；t2為強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間，接地極年強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間概率為0.5%，t2=0.005N；t3為計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間，接地極的年計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間概率為1%，t3=0.01N；Iu為接地極不平衡電流，1%In。

計(jì)算可得：

Ie=0.012 5In；In=80Ie

(3)

按式(3)額定入地電流與等效入地電流的比例關(guān)系估算，接地極在額定入地電流條件下，其在鄰近埋地鋼質(zhì)管道上產(chǎn)生的泄漏電流密度需不大于0.176 mA/cm2。

2.3.2 泄漏電流密度仿真計(jì)算

仿真計(jì)算條件如下：接地極流入電流6 kA，材料為X70圓鋼，接地極到管道的距離為接地極上距管道最近的點(diǎn)到管道的垂直距離,取0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1，5，10，50 km。管道內(nèi)徑為0.59 m，外徑為0.61 m，防腐蝕層電阻率為105Ω·m，厚3 mm，管道全長(zhǎng)200 km。土壤電阻率取10，50，100，500，1 000 Ω·m，1 500 Ω·m。

目前國(guó)內(nèi)計(jì)算直流接地極對(duì)金屬管道影響的主流計(jì)算軟件為加拿大SES公司的CDEGS軟件[2,25]。該軟件在分析電力系統(tǒng)對(duì)輸油輸氣管道的交流干擾方面具有強(qiáng)大功能，可以解決大量工程問(wèn)題。但在計(jì)算直流接地極對(duì)金屬管線影響方面，由于其不能考慮金屬的極化效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果往往偏于保守。在準(zhǔn)確的計(jì)算方法還未有成熟成果前，本工作暫用CDEGS軟件進(jìn)行不同條件下管道泄漏電流密度的估算。

根據(jù)調(diào)研情況，70%的管道防腐蝕層漏點(diǎn)面積為1～100 cm2，常見(jiàn)的漏點(diǎn)面積為10 cm2，漏點(diǎn)面積中位數(shù)為6.38 cm2。由于管道涂層缺陷的位置和大小具有隨機(jī)性，通用的處理方法是引入涂層破損率的概念。目前，對(duì)于海上管道涂層破損率已有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。而對(duì)于陸上管道，由于環(huán)境的多變性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出涂層破損率，只能通過(guò)實(shí)測(cè)或者經(jīng)驗(yàn)來(lái)獲取。在涂層破損率難以開(kāi)展實(shí)測(cè)時(shí)，也可采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，以FBE涂層和3PE涂層為例，當(dāng)實(shí)際管道的涂層破損程度難以測(cè)取時(shí)，可按表6所列數(shù)值進(jìn)行選取。

表6 不同使用年限的FBE/3PE涂層的破損率(經(jīng)驗(yàn)值)Tab. 6 Breakage rates of FBE/3PE coatings with different service lives (empirical values)

表7給出了不考慮極化效應(yīng)，不同土壤電阻率和管道-接地極距離下，接地極電流在管道破損點(diǎn)處(6 cm2破損面積)產(chǎn)生的泄漏電流密度。

表7 泄漏電流密度計(jì)算結(jié)果(破損面積6 cm2，破損率0.002%)Tab. 7 Calculation results of leakage current density (damage area 6 cm2, damage rate 0.002%) (mA/cm2)

根據(jù)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)SP 0169—2007進(jìn)行計(jì)算，可知接地極在鄰近埋地鋼質(zhì)管道上產(chǎn)生的泄漏電流密度需不大于0.176 mA/cm2?？紤]到電源等設(shè)備的精度和穩(wěn)定性，建議以0.3 mA/cm2作為重點(diǎn)試驗(yàn)電流密度的下限值。

由表7可見(jiàn)：當(dāng)接地極與管道距離較近且接地極流超過(guò)額定電流時(shí)，管道上的泄漏電流密度最高可達(dá)到40 mA/cm2，通常等效入地電流密度約為額定電流的1/80，即等效入地電流密度為0.5 mA/cm2。

根據(jù)DL/T 5224—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接地極與管道距離需不小于10 km，結(jié)合表7的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)接地極與管道距離為10 km時(shí)，管道上的泄漏電流密度約為1 mA/cm2。以接地極與管道距離1 km為常規(guī)情況的上限，結(jié)合表7的計(jì)算結(jié)果，以9 mA/cm2作為重點(diǎn)試驗(yàn)電流密度的上限值，另外將此電流密度放大至90 mA/cm2作為補(bǔ)充研究的上限。在1～9 mA/cm2之間再選擇一個(gè)電流密度點(diǎn)，如3 mA/cm2。

綜合上述分析，在后續(xù)研究中，設(shè)置電流密度為0.3，0.5，1，3，9 mA/cm2進(jìn)行試驗(yàn)，其他電流密度40，90 mA/cm2作為規(guī)律分析的補(bǔ)充。

2.3.3 持續(xù)時(shí)間

持續(xù)時(shí)間是利用法拉第定律進(jìn)行選擇的，即某一電流密度下選取一個(gè)持續(xù)時(shí)間，利用法拉第定律計(jì)算該電流密度下的腐蝕失重[25]，如果此時(shí)計(jì)算的腐蝕失重量可利用分析天平測(cè)得，則該持續(xù)時(shí)間可取。另外持續(xù)時(shí)間的選取原則為大電流短時(shí)間，小電流長(zhǎng)時(shí)間。

在后續(xù)的研究中，電流密度選擇1 mA/cm2，持續(xù)時(shí)間選擇6 h、1 d和3 d。

3 結(jié)論

首先分析了高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式以及入地電流的特征，然后通過(guò)分析直流干擾機(jī)理確定了接地極對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕影響的參數(shù)，即管道材質(zhì)、土壤電阻率、土壤pH、土壤模擬溶液、泄漏電流密度以及持續(xù)時(shí)間。

通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)研、計(jì)算及分析，確定了后續(xù)腐蝕試驗(yàn)研究的參數(shù)選值。即試驗(yàn)材料選用X65、X70、X80管線鋼；土壤電阻率選用10，30，100，500，1 000，1 500 Ω·m；土壤pH取4，7，8(重點(diǎn)關(guān)注)；堿性土壤模擬溶液選用庫(kù)爾勒土壤模擬溶液，中性土壤模擬溶液選用拉薩土壤模擬溶液，酸性土壤模擬溶液選用鷹潭土壤模擬溶液；泄漏電流密度選用0.3，0.5，1，3，9 mA/cm2，40、90 mA/cm2則作為補(bǔ)充研究參數(shù)。1 mA/cm2泄漏電流密度下持續(xù)時(shí)間選用6 h、1 d、3 d。