長輸管道交流干擾腐蝕判定準則探討

蔡亮，姚森，李建國，李磊，郝小虎

1.中國航油集團 津京冀物流有限公司（天津 300300）

2.中國石化管道儲運有限公司 滄州輸油處 （河北 滄州 061000）

3.中國石油西南管道 天水輸油氣分公司 （甘肅 天水 741002）

4.中國石油天然氣股份有限公司管道 濟南輸油氣分公司 （山東 濟南 250000）

5.中國石油天然氣股份有限公司管道 秦皇島輸油氣分公司 （河北 秦皇島 066000）

0 引言

近年來，我國電力和管道行業(yè)發(fā)展迅速，埋地鋼質(zhì)管道與高壓輸電線路平行或交叉敷設(shè)的情況非常普遍[1]。為節(jié)約和高效利用土地，新建輸電線路和管道在規(guī)劃階段傾向采取“公共路權(quán)帶”的敷設(shè)方式。輸電線路導(dǎo)致埋地管道發(fā)生交流干擾腐蝕的主要作用形式是電阻感應(yīng)、傳導(dǎo)和耦合作用，對恒電位儀等設(shè)備設(shè)施造成干擾，對管道操作維護人員人身安全造成威脅。特別是750 kV 以上等級特高壓輸電線路的應(yīng)用，對保障管道安全運行提出了更高要求[2]。

目前，國內(nèi)外對于管道交流腐蝕機理和評價準則還沒有統(tǒng)一、公認的理論[3]，不利于管道技術(shù)人員準確判定管道交流腐蝕程度，制定科學(xué)、合理的緩解保護措施。為提高我國長輸管道管理水平，收集了國內(nèi)外管道交流腐蝕方面的技術(shù)標準，對管道交流腐蝕判定準則的研究進展進行了總結(jié)和分析；結(jié)合我國管道陰極保護工作現(xiàn)狀，提出了管道交流腐蝕判定準則的應(yīng)用和改進建議。

1 國內(nèi)外標準差異分析

1.1 國內(nèi)標準

國內(nèi)按照交流干擾電壓值判定管道是否存在交流干擾，例如國家標準GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》和GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》規(guī)定，以交流干擾電壓是否高于4 V 確定是否采取防護措施，并采用交流電流密度評估管道交流干擾腐蝕的程度，劃分為3個級別：

1）交流電流密度大于100 A/m2，交流干擾程度為強烈，應(yīng)采取防護措施；

2）交流電流密度介于30～100 A/m2，交流干擾程度為中等，宜采取防護措施；

3）交流電流密度小于30 A/m2，交流干擾程度為微弱，不需采取防護措施。

1.2 歐洲標準

基于大量試驗測試和工程案例實踐，國外代表性的管道交流干擾腐蝕防護標準是歐洲通用標準EN 15280—2013《埋地管道存在交流腐蝕概率應(yīng)用評估》。EN 15280—2013重點對交流腐蝕判定準則進行了修訂，綜合應(yīng)用多種指標對交流腐蝕可能性及風險進行綜合評價，即分別應(yīng)用交流干擾電壓值、交流電流密度值和交流電流密度與陰極保護電流密度之比的方法進行判定，并考慮試片斷電電位、通電電位以及土壤特性（土壤電阻率）等因素。歐洲標準EN 15280—2013 評價準則已經(jīng)被國際標準 ISO 15589-1—2015、英國標準 BS EN 12594—2014以及美國標準NACE SP0169—2013采納，成為國外管道行業(yè)評價交流腐蝕風險的重要依據(jù)。

1）交流電壓。根據(jù)大量交流腐蝕案例，EN 15280—2013規(guī)定判定管道是否存在交流干擾的準則，考慮了2 種情形：①管道在“低”通電電位時（正于-1.2 V，相對飽和硫酸銅電極），允許交流電壓達到15 V；②管道在“高”通電電位（負于-1.2 V，管道存在雜散電流干擾），要求將交流電壓降至最低允許水平。

2）交流電流密度值。歐洲標準EN 15280—2013 應(yīng)用交流電流密度值判定交流腐蝕的做法與國內(nèi)標準基本一致，按照交流電流密度低于30 A/m2、介于 30～100 A/m2和大于 100 A/m2的 3 種情形，將管道發(fā)生交流干擾腐蝕的概率規(guī)定為較小、中等和很高。

3）交流電流密度與陰極保護電流密度之比。歐洲標準EN 15280—2013 提出根據(jù)交流電流密度與陰極保護電流密度之比評估管道交流干擾腐蝕風險等級的做法，即二者比值小于5，交流干擾腐蝕風險低；二者比值介于5～10，存在交流干擾腐蝕風險，需結(jié)合防腐層缺陷狀況、管材極化曲線和土壤腐蝕性綜合確定；二者比值大于10，交流干擾腐蝕風險很高，應(yīng)采取防護檢測措施。

4）土壤電阻率。歐洲標準EN 15280—2013 規(guī)定土壤電阻率與發(fā)生交流腐蝕風險的經(jīng)驗關(guān)系是：低于25 Ω·m為極高風險；介于25～100 Ω·m為高風險；介于100～300 Ω·m為中等風險；大于300 Ω·m 為低風險。歐洲標準EN 15280—2013 提出了應(yīng)用交流干擾電壓評價對管道影響程度在不同類型土壤的適用條件，管道埋設(shè)區(qū)域土壤電阻率大于25 Ω·m時，判定管道腐蝕的交流干擾電壓不超過10 V；土壤電阻率小于25 Ω·m 時，判定管道腐蝕的交流干擾電壓不應(yīng)超過4 V。

1.3 中歐交流腐蝕判定準則差異

我國管道交流腐蝕判定做法是先以交流干擾電壓是否大于4 V 進行初步判斷，再測試計算電流密度值進行評估。具體做法是在存在交流干擾風險的管道上連接腐蝕檢查試片，檢查片的裸露面積宜為100 mm2，測量交流電流密度。文獻[4]介紹了在測得交流干擾電壓大于10 V情況下，管道沒有發(fā)生腐蝕的工程案例。管道實踐證明，隨著750 kV及以上特高壓輸電線路的廣泛應(yīng)用，以交流干擾電壓4 V 作為判定準則略保守[5]。原因是在特殊的土壤環(huán)境及不同性能的防腐層，即使交流干擾電壓較低，管道仍然會產(chǎn)生較高的交流電流密度。鑒于此，歐洲標準EN 15280—2013允許交流干擾電壓達到10～15 V。

歐洲標準EN 15280—2013認為，埋地金屬管道的交流干擾源主要是高壓交流輸電線路和高壓交流牽引系統(tǒng)。交流干擾電壓值與多種因素有關(guān)：輸電線路電壓等級、輸電線路相導(dǎo)體和接地體的配置、輸電線路與管道的距離、交流輸電線路相導(dǎo)體的電流不平衡性、管線涂層平均電阻、涂層厚度和土壤電阻率。歐洲標準EN 15280—2013指出，交流腐蝕復(fù)雜多變，不應(yīng)使用單一閾值，應(yīng)使用多種指標（電壓、電流、電流比值和土壤電阻率等）對交流腐蝕可能性及風險進行綜合評價。從評價方法的選擇理念上看，歐洲標準EN 15280—2013相對國內(nèi)標準更為全面、合理。

2 管道交流干擾腐蝕研究進展

20 世紀以來，針對管道交流干擾腐蝕的機理、評價、檢測一直是研究的熱點領(lǐng)域。研究認為影響管道交流腐蝕的主要因素有：感應(yīng)的交流電壓，裸露金屬上的交流電流密度，管道直流電流的極化程度，防腐層破損點尺寸，周圍的土壤電阻率，周圍的土壤化學(xué)成分。管道交流干擾緩解措施主要是考慮安全因素，將感應(yīng)交流電壓降至人員的安全接觸電壓以下?，F(xiàn)行的管道干擾腐蝕防護措施是設(shè)置接地極，轉(zhuǎn)移從輸電線路釋放到管道上的交流電流，實質(zhì)上是降低交流電流密度。交流腐蝕的評價依據(jù)和監(jiān)測項目包括保護電位、交流干擾電壓和交流電流密度等方面。

2.1 基于陰極保護電位準則

20世紀80年代，國內(nèi)管道根據(jù)-850 mV陰極保護電位評價準則判定和評估管道交流干擾腐蝕。由于交流干擾可能使管道電位向正偏移，即使?jié)M足陰極保護電位準則要求，管道也會發(fā)生交流干擾腐蝕，該準則并不適用受強電流干擾的管道。管道交流腐蝕案例表明[6]，即使陰極保護電位正于-1 000 mV時，也存在交流腐蝕風險，特別是陰極保護電位正于-850 mV時，交流腐蝕風險更大；只有在陰極保護電位負于-1 200 mV時，才不會發(fā)生腐蝕。

2.2 基于交流干擾電壓準則

早期美國腐蝕工程師協(xié)會標準NACE RP0177—2014《減緩交流輸電線路和雷擊對鋼質(zhì)管道及其腐蝕防護影響的做法》采用現(xiàn)場更容易測量的交流電壓作為評判準則，從人身安全角度出發(fā)，規(guī)定交流感應(yīng)電壓最大不應(yīng)超過15 V。應(yīng)用交流干擾電壓評價具有一定局限性，例如存在交流電壓較大但破損點流出電流較小、管道腐蝕程度并不嚴重的情形[7]。

2.3 基于交流電流密度準則

目前國內(nèi)外學(xué)者較為公認的觀點是，根據(jù)交流電壓評估交流干擾腐蝕誤差較大，電流密度評估交流干擾腐蝕相對準確，即歐洲標準EN 15280—2013提出的交流電流密度以及交流電流密度JAC與陰極保護直流電流密度JDC比值的判定準則[8]。此外，文獻[9]提出了基于陰極保護電流密度和交流電流密度限值的經(jīng)驗關(guān)系式判定管道交流干擾腐蝕的方法，已在若干管道案例中得到應(yīng)用和驗證。具體描述為：

1）如果 0.1 A/m2≤JDC＜1.0 A/m2，管道不存在交流干擾腐蝕條件為JAC＜25×JDC；

2）如果 1.0 A/m2≤JDC＜40 A/m2，管道不存在交流干擾腐蝕條件為JAC＜70 A/m2。

2.4 基于綜合評價準則

隨著研究的深入，學(xué)者們認識到對一些低土壤電阻率區(qū)域，采用單一交流電流密度來評估存在局限性；同樣，對一些高土壤電阻率區(qū)域，采用單一電壓指標也存在局限性。在歐洲標準EN 15280—2013基于交流干擾電壓、電流密度和交直流電流密度比值的綜合評價方法基礎(chǔ)上，文獻[10]指出根據(jù)交流干擾電壓和交直電流密度比值的判定準則仍是不全面的，還應(yīng)考慮管道保護電位狀況，提出以管道腐蝕速率0.02 mm/a和0.1 mm/a為區(qū)間值，將交流干擾腐蝕風險劃分為低、中和高3個等級，判定準則描述為：①交流電流密度與直流電流密度的比值越大，且保護電位越負（達到過保護狀態(tài)），交流干擾腐蝕風險等級越高；②交流電流密度與直流電流密度的比值≥200，交流干擾腐蝕風險處于中等或較高等級，與陰極保護電位大小無關(guān)；③交流電流密度與直流電流密度的比值＜200，交流干擾腐蝕風險為低等級，以監(jiān)測陰極保護電位數(shù)值為準。如果管道陰極保護電位介于-1.0～-1.2 V，交流電流密度與直流電流密度之比小于20，可以認為管道陰極保護效果有效可靠。

文獻[11]也認為應(yīng)同時考慮保護電位和交、直流電流密度確定交流干擾腐蝕風險，以腐蝕速率0.01 mm/a作為臨界值，將交流干擾腐蝕風險分為高和低2 個等級，研究了不同交流電流密度與腐蝕速率的關(guān)系，例如交流電流密度為100 A/m2，腐蝕速率應(yīng)在0.01 mm/a 臨界值的基礎(chǔ)上提高一個數(shù)量級。文獻[12]根據(jù)交、直流電流密度，研究了陰極保護判定準則：

1）當JAC＜10 A/m2，且管道陰極保護電位達到-850 mV，管道交流干擾腐蝕風險可忽略；

2）當10 A/m2≤JAC≤50 A/m2，且滿足JDC＞（JAC-10）/100時，管道陰極保護效果有效可靠；

3）當 JAC＞50 A/m2，且 JDC＜0.4 A/m2，管道存在交流腐蝕風險。

上述研究探索了管道陰極保護電位與是否存在交流干擾腐蝕的關(guān)聯(lián)關(guān)系。但其研究出發(fā)點是確定陰極保護有效性的依據(jù)，因此并不完全適用于判定交流干擾腐蝕，還需要大量管道案例進行驗證。展望未來管道交流腐蝕評價準則的發(fā)展趨勢，應(yīng)由以往單一的指標評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎囗椫笜说木C合評價，基于交、直流電流密度比值和保護電位的評價準則，特別是定量表征二者的相互關(guān)系[13]，目前還處于試驗研究階段，也是未來的研究方向和重點。

3 結(jié)論和建議

為科學(xué)準確地識別、判斷管道交流干擾腐蝕，應(yīng)學(xué)習參考國外管道交流腐蝕的判定準則和實踐做法，提高管道管理維護水平，保障管道陰極保護的有效性。針對國內(nèi)管道交流腐蝕的評估和防護工作，提出以下建議。

1）管道受強電流影響或者發(fā)生交流腐蝕風險較大時，傳統(tǒng)的-850 mV 陰極保護電位準則和-100 mV極化偏移準則不適用。

2）優(yōu)先選擇交流電流密度作為管道交流腐蝕的判定準則。交流干擾電壓準則僅作為管道交流腐蝕風險和人員人身安全的初步分析，可靠性較差，應(yīng)結(jié)合其他參數(shù)進行判定。

3）如條件允許，應(yīng)使用多種指標參數(shù)對交流腐蝕可能性及風險進行綜合評價，包括交流電壓、電流密度、交直流電流密度比值、土壤電阻率和腐蝕速率等。

4）國家標準GB/T 50698—2011 應(yīng)借鑒歐洲標準EN 15280—2013 關(guān)于管道交流干擾腐蝕綜合評價的理念和做法，修訂時加以完善。

5）根據(jù)管道陰極保護電位和保護效果，進一步完善基于交、直流電流密度比值的判定準則，是管道交流干擾腐蝕評價未來的研究重點。