直流雜散電流對埋地管道電位干擾研究*

秦永祥 史笑雨 崔艷雨 丁清苗

中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院

城市的快速發(fā)展使電氣化鐵路、輸電線路和埋地管道不可避免地集中鋪設(shè)，當(dāng)埋地金屬管線與電氣化鐵路平行或交叉鋪設(shè)時，就可能產(chǎn)生由直流雜散電流排放而引起的雜散電流腐蝕的危險。在雜散電流作用區(qū)，由于雜散電流產(chǎn)生的腐蝕而導(dǎo)致埋地管線的腐蝕速率增高，使埋地管線受到嚴(yán)重的干擾[1～5]。馮一鳴等[6]研究了交流雜散電流對地下金屬設(shè)備腐蝕的影響，結(jié)果表明交流雜散電流使試樣的腐蝕速度增加了18.8%。曹阿林等[7]通過模擬實(shí)驗(yàn)，研究了土壤電阻率、金屬管線埋地深度和水平凈距、金屬管線層破損率、對地電位等因素與雜散電流的密度關(guān)系，研究表明，在外加電流相同情況下，埋地金屬管道中雜散電流隨著土壤電阻率、埋地深度和電阻絲水平凈距的增大而減小，隨著管道涂層破損率的增大而增大。ALLAHKARAM 等[8]通過對受到動態(tài)雜散電流干擾的天然氣管道的腐蝕檢查片進(jìn)行埋設(shè)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)實(shí)際腐蝕速率僅為計(jì)算腐蝕速率的27%。ZABOLI[9]和BERTOLINI[10]等認(rèn)為雜散電流易于從管道接地電阻抗較小的部位流入土壤，腐蝕大都集中在這些位置。近年來，包括有限元法和邊界元法在內(nèi)的數(shù)值模擬方法對雜散電流引起的腐蝕進(jìn)行了量化評價[11-12]，對保障埋地管道和其他設(shè)施的安全運(yùn)行具有積極意義。

通過進(jìn)行直流雜散電流對埋地管道的干擾實(shí)驗(yàn)，測量管地電位的偏移量，從而得出直流雜散電流對埋地管道的影響規(guī)律，并采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics 進(jìn)行模擬驗(yàn)證，為鋼質(zhì)管道在雜散電流干擾環(huán)境中的應(yīng)用提供了一定的理論支持。

1 研究方法與過程

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

選用長1.8 m 的X56 鋼管，用環(huán)氧煤瀝青漆對其進(jìn)行防腐處理，在管道兩端距離端口0.3 m 處制造2.31 cm2的模擬破損點(diǎn)；采用與管道平行敷設(shè)電阻絲模擬雜散電流，實(shí)驗(yàn)如圖1所示。設(shè)定距管道一端0.3、0.7、1.1、1.5 m 處為測試點(diǎn)。研究不同并行間距、不同并行長度以及施加不同電壓時，直流雜散電流對埋地管道陰極保護(hù)的干擾情況。

圖1 雜散電流對管道干擾的示意圖Fig.1 Schematic diagram of stray current interference on the pipeline

將管道埋入室外土壤中，埋深為15 cm，如圖2 所示，在兩個破損點(diǎn)之間每隔0.2 m 取一個測試點(diǎn)，研究破損點(diǎn)距離與管地電位的變化關(guān)系。

1.2 建立仿真模型

依據(jù)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建幾何模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，電解質(zhì)（土壤）為無限大區(qū)域。為了使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)，模型網(wǎng)格劃分采用較細(xì)化處理。

圖2 破損點(diǎn)對管地電位影響實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the effect experiment of damage point on pipe-to-soil potential

圖3 物理模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Physical model of grid structure

1.3 控制方程及邊界條件

在電化學(xué)反應(yīng)中帶電粒子在電解質(zhì)溶液中的運(yùn)動有對流、擴(kuò)散和電遷移。假設(shè)土壤中離子濃度是均勻的，土壤呈電中性，且土壤為不可壓縮電解質(zhì)，則可以不考慮對流和擴(kuò)散對離子傳質(zhì)的影響，電流的變化只由離子的電遷移所引起，則電流密度i可表示為

式中：i為電流密度，A/m2；σe為電解質(zhì)（土壤）電導(dǎo)率，0.005 S/m[13]；e為電場強(qiáng)度，V/m。

穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程為

在穩(wěn)態(tài)條件下，電位分布方程為

所以在本模型中電位分布為Laplace方程

本模型中，電阻絲上被施加恒定的電壓，所以其邊界條件為

管道在動電位極化條件下，活性陽極溶解時電極的凈極化電流密度Iloc和體系的極化電位符合Butler-Volmer電極動力學(xué)方程

考慮到電極與溶液界面的電位差受電流密度的影響，所以

式中：i0為交換電流密度，mA/m2；η為過電位，V；αa為陽極傳遞系數(shù)；αc為陰極傳遞系數(shù)；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=9.648 56×104C/mol；R為氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)；φs,set為外部電位；Eeq為平衡電位，mV。

按表1成分配制土壤模擬溶液，使用傳統(tǒng)的三電極體系在土壤模擬溶液環(huán)境中測量X56鋼管的極化曲線，如圖4所示。

表1 土壤模擬溶液成分Tab.1 Soil simulation solution components

圖4 X56鋼在土壤中的極化曲線Fig.4 Polarization curve of X56 steel in soil

圖4 中縱坐標(biāo)電位是相對于飽和硫酸銅的電位，因?yàn)榻饘俚碾娢徊荒苤苯訙y得，需要一個參比標(biāo)準(zhǔn)，一般用飽和硫酸銅和飽和甘汞電極；橫坐標(biāo)是電流密度，取以10 為底的對數(shù)。電極動力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 電極動力學(xué)參數(shù)Tab.2 Electrode kinetic parameters

根據(jù)邊界條件求解Laplace 方程（4），求得X56 管線鋼表面的電位分布。X56 管線鋼的摩爾質(zhì)量根據(jù)下面公式（8）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ma、Mb、Mc…Mz代表合金中不同元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A%、B%、C%…Z%代表相應(yīng)的元素在管線鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

X56管線鋼的組成成分如表3所示。

表3 X56管線鋼組成成分Tab.3 X56 pipeline steel components 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 破損點(diǎn)對管地電位的影響

在含有兩個破損點(diǎn)的管道埋入土壤中穩(wěn)定24 h后，對圖2所示的各點(diǎn)測量其管地電位，將管道一端的破損點(diǎn)E用絕緣膠帶封住，只保留另一端的破損點(diǎn)K，對七個測試點(diǎn)測量其管地電位，根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出的破損點(diǎn)與管地電位的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 破損點(diǎn)對埋地管道管地電位的影響Fig.5 Effect of damage point on the pipe-to-soil potential of buried pipeline

由圖5可知，當(dāng)有破損點(diǎn)時，埋地管道中電場呈不均勻分布，存在電位梯度，因此金屬內(nèi)部的自由電子會在電場力的作用下發(fā)生定向移動，其陽離子與電子會發(fā)生分離，由于電場力的作用，部分電流會從電阻絲中流出并流入土壤和埋地金屬管線中，然后電流會從埋地金屬物中流向大地，由大地再流向牽引變電所的負(fù)極，因此造成了埋地金屬管線的雜散電流腐蝕。當(dāng)含有一個破損點(diǎn)時，管道表面的電位E與破損點(diǎn)及待測點(diǎn)之間的距離負(fù)相關(guān)，且基本符合線性方程E=-0.006 1x-0.339 1；當(dāng)含有兩個破損點(diǎn)時，由于在中點(diǎn)位置距離破損點(diǎn)位置最遠(yuǎn)，所以在管道表面電位呈先增大再減小的趨勢，并且電位E與破損點(diǎn)及待測點(diǎn)之間的距離符合二次函數(shù)方程E=-0.019 9x2+0.036 6x-0.358。這是因?yàn)楫?dāng)管道表面的涂層出現(xiàn)破損時，涂層會與管道之間形成電偶腐蝕[14]，從而在破損點(diǎn)的位置加速管道的腐蝕，因此涂層出現(xiàn)的破損點(diǎn)越多，管道腐蝕的速率越快。

2.2 并行間距的影響

取外加直流電壓15 V，改變并行長度，測量不同并行間距（5、10、15 cm）時直流雜散電流對埋地管道陰極保護(hù)的影響，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖6 所示。采用COMSOL對圖3所示的模型施加相同的邊界條件，其所得結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同并行間距下的管地電位變化曲線Fig.6 Curves of pipe-to-soil potential change under different parallel spacing

圖7 模擬不同并行間距下的管地電位變化曲線Fig.7 Simulation of pipe-to-soil potential change curves at different parallel spacing

由圖6、圖7 可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果十分相近，具有相同的變化趨勢，在外加電壓相同時，改變并行長度，不同并行間距下的管地電位變化趨勢基本相同，且并行長度越長，各并行間距間的走向趨勢越明顯。在不同的并行長度下均可以發(fā)現(xiàn)，并行間距與管地電位的最大正向偏移量呈負(fù)相關(guān)，即并行間距越大，管地電位的最大正向偏移量越小，直流雜散電流對埋地管道的腐蝕影響越小。因此，在實(shí)際施工過程中，若埋地管道無法避開與輸電線及鐵軌并行時，應(yīng)盡量拉大他們的并行間距，減少雜散電流對埋地管道的影響。

2.3 并行長度的影響

取管道與電阻絲的并行間距為15 cm，改變外加電壓，測量不同并行長度（0.6、1.2、1.8 m）下直流雜散電流對埋地管道陰極保護(hù)的影響，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，采用上述條件用COMSOL進(jìn)行模擬所得管道表面電位及其變化情況如圖9所示。

由圖8、圖9 可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在數(shù)值上存在一定的偏差，但整體變化趨勢基本相同。在并行間距為15 cm時，施加相同的直流電壓，并行長度與管地電位的最大正偏移量呈正相關(guān)，即并行長度越大，管地電位的最大正向偏移量越大，直流雜散電流對埋地管道的影響越嚴(yán)重。因此，在施工過程中應(yīng)盡量減小埋地管線與輸電線的并行長度，減少雜散電流對埋地管道的腐蝕影響。

圖8 不同并行長度下的管地電位變化曲線Fig.8 Curves of pipe-to-soil potential change under different parallel lengths

圖9 模擬不同并行長度下的管地電位變化曲線Fig.9 Simulation of pipe-to-soil potential change curves under different parallel lengths

2.4 施加不同電壓的影響

取并行長度1.8 m，改變并行間距，測量不同干擾電壓（5、10、15 V）時直流雜散電流對埋地管道陰極保護(hù)的影響，實(shí)驗(yàn)如圖10 所示，模擬結(jié)果如圖11所示。

由圖10、圖11 可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相差較小，在并行長度為1.8 m 時，不同的并行間距下，均有相同變化趨勢，即外加電壓與管地電位的最大正向偏移量成正相關(guān)，因此，隨外加電壓的增大，電流密度增強(qiáng)，直流雜散電流對埋地管道腐蝕的影響越大。在外加電壓為15 V，并行間距為5 cm時，管地電位的正向偏移量最大，此時，直流雜散電流對埋地管道的腐蝕影響最大，嚴(yán)重時可能會破壞管道防腐層，造成腐蝕穿孔等事故。因此，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免高外加電壓、短并行間距的出現(xiàn)，防止埋地管道超出最小保護(hù)電位范圍。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比可知，軟件模擬中管道電位的最大正向偏移量較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較小，這是由于實(shí)驗(yàn)過程中除雜散電流外可能還有環(huán)境中其他因素對管道腐蝕造成了影響，因此實(shí)驗(yàn)電位變化較模擬結(jié)果更明顯。

圖11 模擬不同電壓干擾下的管道電位變化曲線Fig.11 Simulating of the potential change curves of pipeline under different voltage disturbances

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究了雜散電流對埋地管線鋼電位的干擾規(guī)律，所得出的結(jié)論反映了X56管線鋼在近中性土壤中的電位變化情況。如果考慮材料表面的鈍化，或土壤酸堿度的改變則所得結(jié)果可能會有一定的差異。

（1）管道表面涂層出現(xiàn)破損，管道與涂層之間會形成電偶腐蝕。在破損點(diǎn)位置土壤中的雜散電流在破損點(diǎn)位置進(jìn)入管道，并且距離破損點(diǎn)越近，管地電位越低。當(dāng)涂層表面只有一個破損點(diǎn)時，管道表面的電位與破損點(diǎn)及待測點(diǎn)之間的關(guān)系符合線性方程；當(dāng)涂層表面含有兩個破損點(diǎn)時，管道表面電位與破損點(diǎn)及待測點(diǎn)之間的距離符合二次函數(shù)方程。

（2）管道電位的最大正向偏移量與并行長度和外加電壓呈正相關(guān)，與并行間距呈負(fù)相關(guān)，在高外加電壓、短并行間距時，電流瞬時增大，管地電位正向偏移最大，此時對埋地管道腐蝕的影響最大。