地鐵雜散電流干擾下管道陰極保護(hù)電位的測(cè)量與評(píng)價(jià)

李平

（中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，徐州221008）

陰極保護(hù)技術(shù)在埋地長(zhǎng)輸鋼質(zhì)管道的腐蝕防護(hù)方面得到大量應(yīng)用，陰極保護(hù)與防腐蝕涂層聯(lián)合應(yīng)用是公認(rèn)的埋地管道優(yōu)選防腐蝕方法。根據(jù)GB／T 21448－2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求［1-3］，應(yīng)采用管道對(duì)地的極化電位或消除IR降的斷電電位評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)的有效性。埋地管道的陰極極化量達(dá)到100 mV或者極化電位負(fù)于－850 mV（相對(duì)于銅／硫酸銅參比電極，CSE），認(rèn)為陰極保護(hù)是有效的。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中通常采用斷電測(cè)試消除IR降得到斷電電位，以評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性。

雜散電流也稱為迷流，是在規(guī)定路徑之外流動(dòng)的電流，它對(duì)埋地管道腐蝕防護(hù)的影響是多方位的。管道斷電電位測(cè)試的難度因雜散電流的存在而增大；直流雜散電流可能會(huì)影響恒電位儀輸出，對(duì)管道全線陰極保護(hù)造成影響。在埋地管道吸收直流雜散電流的區(qū)域，管道電位會(huì)偏負(fù)，可能會(huì)造成涂層剝離以及氫脆等問(wèn)題；而在埋地管道釋放直流雜散電流的區(qū)域，管道金屬會(huì)快速腐蝕，進(jìn)而可能導(dǎo)致管道穿孔。我國(guó)目前大力推進(jìn)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)，在大型城市，地鐵等直流供電設(shè)施對(duì)周邊埋地鋼質(zhì)管道的影響已經(jīng)非常普遍。

地鐵系統(tǒng)對(duì)周邊埋地金屬構(gòu)筑物造成的雜散電流干擾是一種動(dòng)態(tài)的直流干擾。存在強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾時(shí)，如何準(zhǔn)確測(cè)試試片的斷電電位對(duì)于正確評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)水平具有重大意義。本工作以受南京地鐵直流雜散電流影響的某埋地輸油管道為例，采用新式自動(dòng)式試片電位采集儀，對(duì)其陰極保護(hù)電位進(jìn)行了檢測(cè)和評(píng)價(jià)，以期為動(dòng)態(tài)干擾情況下準(zhǔn)確測(cè)量埋地管道斷電電位提供新思路。

1 常規(guī)斷電電位測(cè)試方法

管道的保護(hù)電位是陰極保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，也是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)是否有效的基礎(chǔ)，基于該參數(shù)可對(duì)管道陰極保護(hù)設(shè)備輸出進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。因此，準(zhǔn)確測(cè)量管道的保護(hù)電位對(duì)腐蝕防護(hù)工作具有重要意義。瞬間斷電法被廣泛應(yīng)用于管道斷電電位的測(cè)試中［4］。在現(xiàn)場(chǎng)操作中，瞬間中斷對(duì)所測(cè)量位置有影響的陰極保護(hù)電流，此時(shí)測(cè)量得到的就是斷電電位。其確認(rèn)不存在直流雜散電流干擾源，瞬間斷電法測(cè)得的斷電電位值即為極化電位［1］。工程中常用的瞬間斷電電位測(cè)試方法有如下兩種：

（1）密間隔電位測(cè)試法（CIPS）

密間隔電位測(cè)試是管道外腐蝕直接評(píng)估工作的重要內(nèi)容。在執(zhí)行該方法時(shí)，須在有影響的陰極保護(hù)電源處安裝同步斷路器，然后檢測(cè)人員手持探杖（端部放置CSE）以密間隔方式（3～5 m）沿管道前行、測(cè)量管道的通／斷電位，文中所有電位若無(wú)特指，均相對(duì)于CSE。該方法可以獲取管道沿線的保護(hù)電位。通過(guò)對(duì)管道全線保護(hù)電位進(jìn)行分析，可判斷陰極保護(hù)的有效性，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化并采取相應(yīng)的整改措施。但是，當(dāng)管道受到直流雜散電流干擾時(shí)，該方法不適用。

（2）極化試片法

根據(jù)GB／T 21246－2006《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)管道受到直流雜散電流干擾無(wú)法采用瞬間斷電法（CIPS）測(cè)量電位時(shí)，可采用極化試片法。極化試片（極化探頭）由在測(cè)試位置處埋設(shè)的金屬試片和參比電極構(gòu)成，裸露的金屬試片用于模擬管道防腐蝕層的破損點(diǎn)。試片材質(zhì)應(yīng)與管道的相同，并應(yīng)根據(jù)管道防腐蝕層的情況選取適當(dāng)?shù)男螤詈兔娣e，陰極保護(hù)極化試片的面積為6.5～10 cm2。通過(guò)斷開(kāi)試片與管道的電導(dǎo)通，可以將測(cè)量路徑上的電壓降減至很小，此時(shí)，測(cè)量得到的斷電電位可以近似為極化電位。若使用極化試片測(cè)量得到的斷電電位有效，則防腐蝕層上同等尺寸以及更小尺寸的破損點(diǎn)也處于有效的陰極保護(hù)。

極化試片法在業(yè)界已有較多應(yīng)用［2-6］，在大量實(shí)踐應(yīng)用中表明在無(wú)雜散電流干擾的情況下，試片斷電電位的讀取有成熟準(zhǔn)確的方法；當(dāng)管道受到嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾時(shí)，測(cè)試人員肉眼無(wú)法使用普通電壓表準(zhǔn)確讀取試片的斷電電位，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

2 陰極保護(hù)電位測(cè)量記錄新方法

選取某原油輸送管道與地鐵平行、交叉的管段，研究其所受到的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該管道在石埠橋站附近遭受雜散電流干擾的長(zhǎng)度約22 km，管 道 尺 寸 為 φ762 mm ×8.7／10.3／12.5 mm，管道采用L415／X60鋼，防腐蝕層材料為熔結(jié)環(huán)氧粉末，該管道于2004年投入運(yùn)營(yíng)。管道石埠橋站與南京地鐵2號(hào)線和4號(hào)線臨近，與地鐵站距離最近的點(diǎn)位于474號(hào)測(cè)試樁處，距離地鐵站約3.1 km。

現(xiàn)有測(cè)試結(jié)果表明，該管道受到地鐵雜散電流的影響。在日間地鐵運(yùn)行期間管道電位波動(dòng)劇烈，而在夜間地鐵停運(yùn)期間，管道電位較為平穩(wěn)，見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)：在地鐵運(yùn)行期間采用斷電電位來(lái)評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性是十分困難的。

圖1 459號(hào)測(cè)試樁處管道通斷電電位的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.1 Long-time monitoring results of on／off potential at test station 459＃

在受到地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾情況下，不能繼續(xù)采用數(shù)字電壓表和手動(dòng)斷開(kāi)試片與管道間連接的方法測(cè)量管道斷電電位。這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)直流干擾情況下，普通數(shù)字式電壓表顯示的數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確判讀，試片的斷電電位也無(wú)從確定。

為了準(zhǔn)確測(cè)試試片的斷電電位，本工作采用自動(dòng)式試片電位采集儀對(duì)試片的斷電電位進(jìn)行測(cè)試，用于管道斷電電位的測(cè)試和陰極保護(hù)效果的評(píng)價(jià)。首先選取圓柱形、面積為6.5 mm2的極化試片，埋設(shè)于該管道沿線多處測(cè)試樁處，然后在管道和試片之間增加自動(dòng)式試片電位采集儀（記錄儀），自動(dòng)式試片電位采集儀用于測(cè)試與管道連接的試片的通電電位和瞬間斷電電位。該采集儀內(nèi)置自動(dòng)通斷和數(shù)據(jù)讀取功能，可以在斷開(kāi)試片與管道的連接后自動(dòng)讀取、存儲(chǔ)電位數(shù)據(jù)。該設(shè)備可以對(duì)極化試片的斷電電位進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

在測(cè)量試片斷電電位前，應(yīng)確保試片與土壤充分接觸，并在試片埋設(shè)24 h后進(jìn)行測(cè)試以使試片最大程度得到極化。在測(cè)試中使用自動(dòng)式試片電位采集儀采集電位數(shù)據(jù)，該設(shè)備安裝在管道與試片之間，具體的連接方式見(jiàn)圖2。采集儀的參數(shù)設(shè)置如下：

（1）采集儀的通斷周期設(shè)置為周期15 s，斷電3 s，或者周期5 s，斷電1 s。

（2）采集儀的采集頻率設(shè)置為1 s采集一組數(shù)據(jù)。

（3）測(cè)試時(shí)間為2 h或者24 h（根據(jù)干擾情況確定）。

圖2 自動(dòng)式電位采集儀的接線圖Fig.2 Wiring diagram of automated potential collector

本工作采用自動(dòng)式試片電位采集儀在原油管道沿線進(jìn)行斷電電位測(cè)試，并評(píng)價(jià)其陰極保護(hù)的有效性。圖3展示了某測(cè)試樁處的通、斷電電位。圖4為局部放大圖，可以更清晰地查看管道的斷電電位。由圖3，4可見(jiàn)，該管道的通電電位在地鐵運(yùn)行期間波動(dòng)非常劇烈（－8～6 V），但其斷電電位波幅較小。管道斷電電位的波動(dòng)可能是由于極化水平的波動(dòng)，也可能是因?yàn)閰⒈入姌O與試片之間尚存在IR降造成的。

圖3 原油管道某測(cè)試樁處的管道電位Fig.3 Pipe potential at a test pile of a crude oil pipeline

3 陰極效果評(píng)價(jià)

利用新型自動(dòng)式試片電位采集儀配合極化試片的方法，對(duì)原油管道斷電電位進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表1。

圖4 圖3的局部放大圖Fig.4 Partially enlarged view of Fig.3

表1 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.1 Rick rating results of the pipeline

根據(jù)GB／T 21448－2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中4.4節(jié)“陰極保護(hù)準(zhǔn)則”所述，在一般土壤和水環(huán)境中，管道無(wú)IR降時(shí)的陰極保護(hù)電位應(yīng)處于－0.85～－1.20 V。而當(dāng)管道受直流干擾時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)未明確陰極保護(hù)準(zhǔn)則（4.4.6節(jié)）。因此，根據(jù)GB／T 21448－2017標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)試管段19處測(cè)試樁中有17處的斷電電位不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)于已投運(yùn)陰極保管道的直流干擾評(píng)價(jià)，GB 50991－2014《埋地鋼質(zhì)管道直流防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提出“當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施”。本工作所檢測(cè)的管道，由于受動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾導(dǎo)致其斷電電位亦有波動(dòng)，477號(hào)和475號(hào)樁在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)有較少的時(shí)間段（小于所測(cè)試時(shí)間段的0.15%）斷電電位正于－850 m V。在該種工況下，GB50991－2014標(biāo)準(zhǔn)未明確金屬腐蝕速率是否小于0.01 mm／a。

因此，對(duì)于本次測(cè)試數(shù)據(jù)，筆者采用GB 50991－2014附錄中列出的AS2832.1－2004《Cathodic protection of metals-pipes and cables》標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)和評(píng)價(jià)，也供從業(yè)者參考。澳大利亞AS2832.1－2014標(biāo)準(zhǔn)中提出，對(duì)于受到動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的金屬構(gòu)筑物，使用數(shù)據(jù)記錄儀采集足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)管道的電位，對(duì)短時(shí)間極化、防腐涂層性能良好的構(gòu)筑物采用以下百分比方法判斷陰極保護(hù)有效性：

（1）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不超過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀采集時(shí)間的5%；

（2）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則＋50 m V（對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為－800 mV）的時(shí)間不超過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀采集時(shí)間的2%；

（3）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則＋100 mV（對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為－750 m V）的時(shí)間不超過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀采集時(shí)間的1%；

（4）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則＋850 m V（對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV）的時(shí)間不超過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀采集時(shí)間的0.2%。

基于AS2832.1－2014標(biāo)準(zhǔn)提出的極化電位偏移幅度及時(shí)間比例，對(duì)本次檢測(cè)的19個(gè)測(cè)試樁處試片的斷電電位最正值、最負(fù)值、平均值及相對(duì)于保護(hù)準(zhǔn)則正向偏移的比例進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)受干擾管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在所考查的19個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，有13個(gè)測(cè)試點(diǎn)在測(cè)試時(shí)間內(nèi)的斷電電位正于－850 mV的時(shí)間大于5%，占測(cè)試樁總數(shù)量的68%，具體結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)管道受到地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流干擾時(shí)，利用自動(dòng)式試片電位采集儀配合極化試片的方法測(cè)試管道斷電電位是準(zhǔn)確可靠的，與常規(guī)的手動(dòng)斷電讀取法相比，能夠避免因斷電電位劇烈波動(dòng)而引起的讀取誤差；

（2）在地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾區(qū)段如何消除試片斷電電位中所包含的IR降是值得進(jìn)一步研究的一個(gè)難題；

（3）采用AS2832.1－2014標(biāo)準(zhǔn)提出的極化電位偏移幅度及時(shí)間比例，可對(duì)本次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；

（4）建議國(guó)內(nèi)管道相關(guān)從業(yè)者推動(dòng)修訂在管道遭受直流干擾時(shí)，國(guó)標(biāo)中的陰極保護(hù)電位評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。