曹濱濱
(無錫華潤燃?xì)庥邢薰荆瑹o錫 214000)
隨著無錫市地鐵的相繼投運(yùn)、高鐵以及高壓輸電線不斷建設(shè),雜散電流腐蝕埋地鋼質(zhì)管道的問題也日益突出,嚴(yán)重時(shí)可能會導(dǎo)致鋼質(zhì)管道穿孔引起燃?xì)獍踩鹿?。為了保證管道安全運(yùn)行,降低安全風(fēng)險(xiǎn),需要對引起燃?xì)夤艿栏g的雜散電流進(jìn)行研究,并制定相應(yīng)的控制和防范措施。
無錫華潤燃?xì)庥邢薰舅鶎偃細(xì)夤艿啦捎?層PE防腐蝕層和犧牲陽極陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)方式,高壓、次高壓燃?xì)夤艿赖墓懿臑閄52管線鋼,管徑為610 mm。全線共設(shè)置門站和儲備站3座,站場和閥室22座,在進(jìn)出站均設(shè)有絕緣接頭。
無錫地鐵現(xiàn)已開通地鐵1號線、2號線和3號線一期,地鐵3號線二期和地鐵4號線正在建設(shè)中。隨著地鐵線路的開通,燃?xì)夤艿朗艿降母蓴_越來越嚴(yán)重。經(jīng)過近幾年的測試發(fā)現(xiàn),由于干擾導(dǎo)致電位不達(dá)標(biāo)的位置多出現(xiàn)在管道與地鐵線路的交叉點(diǎn)。某燃?xì)夤艿繪D35-GCS00014-1測試樁位于無錫地鐵1號線旁260 m,地鐵運(yùn)營階段該處管道通電電位在-9.166~5.890 V劇烈波動,而夜間地鐵停運(yùn)后通電電位相對平穩(wěn),見圖 1。將該測試樁的斷電電位單獨(dú)作圖,如圖2所示。由圖2可見,在地鐵運(yùn)營階段斷電電位在-0.026~-1.280 V波動,而夜間地鐵停運(yùn)后斷電電位(-1.137~-1.133 V)相對平穩(wěn)。上述數(shù)據(jù)均是采用管道業(yè)內(nèi)比較先進(jìn)的檢測方法,通過數(shù)據(jù)記錄儀、6.5 cm2試片和便攜式Cu/飽和CuSO4參比電極獲取的[1-2]。
圖1 LD35-GCS00014-1號測試樁處管道電位的長時(shí)間監(jiān)測數(shù)據(jù)
圖2 LD35-GCS00014-1測試樁斷電電位的長時(shí)間監(jiān)測數(shù)據(jù)
通過斷電電位數(shù)據(jù)分析可知,夜間地鐵停運(yùn)時(shí)斷電電位在-1.13 V左右,而在地鐵運(yùn)營階段,斷電電位多次出現(xiàn)負(fù)于-1.20 V的情況,這表明試片/管道不斷吸收直流雜散電流,產(chǎn)生過保護(hù)現(xiàn)象。
根據(jù)GB 50991-2014標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,對于已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道,當(dāng)干擾導(dǎo)致管道保護(hù)電位不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí),應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。在該標(biāo)準(zhǔn)中,對測試參數(shù)做了詳細(xì)規(guī)定:測試點(diǎn)間距以50~200 m為宜,最大間距不宜大于500 m;測試持續(xù)時(shí)間以24 h為宜,但應(yīng)大于1 h,且應(yīng)選擇覆蓋干擾源負(fù)荷的高峰、平峰和低谷三個(gè)時(shí)間段;測試次數(shù)不宜少于三次;測試讀數(shù)時(shí)間間隔以10~30 s為宜,管地電位變動劇烈時(shí)以1 s為宜。但對動態(tài)直流干擾下直流干擾評價(jià)采取“一刀切”的方式,即測試持續(xù)時(shí)間(80 000 s約22.22 h)內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)正于最小保護(hù)電位(-850 mV)的數(shù)據(jù)即判斷為不合格。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),該標(biāo)準(zhǔn)對直流干擾評價(jià)過于嚴(yán)格。同時(shí),測試結(jié)果受試片的面積、埋設(shè)時(shí)間、埋設(shè)深度等影響,容易造成誤判,有時(shí)出現(xiàn)大部分受地鐵直流干擾的管道均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)果。綜上所述,國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不太適用于強(qiáng)直流干擾下管道直流干擾評價(jià)。參考國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[1-4],采用澳大利亞AS 2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)對無錫某燃?xì)夤艿浪苤绷鞲蓴_進(jìn)行檢測評價(jià)。結(jié)果表明,LD35-GCS00014-1測試樁測得的斷電電位比保護(hù)準(zhǔn)則規(guī)定的保護(hù)電位(-850 mV)高15.68%,大于5%的界限,因此該處管道處于欠保護(hù)狀態(tài)。
除了在管道與地鐵交叉的位置,管道斷電電位會發(fā)生劇烈波動,與地鐵車輛或停車場靠近的管道也會出現(xiàn)斷電電位的劇烈波動,斷電電位不達(dá)標(biāo)會導(dǎo)致管道腐蝕,如某燃?xì)夤艿谰嗤哆\(yùn)一年半的軌道交通系統(tǒng)檢修基站僅700 m,管道上出現(xiàn)了深度5.1 mm的腐蝕坑[5]。
無錫地鐵2號線青龍山車輛段距離燃?xì)夤艿啦蛔? km,燃?xì)夤艿榔鹬狗謩e為1號閥室和2號閥室,閥室均有絕緣接頭,分布有8個(gè)測試樁,見圖3。根據(jù)AS 2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)對管道所受到的直流干擾進(jìn)行檢測和評價(jià),結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有5處測試樁不滿足要求,處于欠保護(hù)狀態(tài),見表1。
圖3 無錫某燃?xì)夤艿雷呦蚴疽?/p>
表1 無錫某燃?xì)夤艿罃嚯婋娢辉u價(jià)
進(jìn)一步監(jiān)檢測該段管道直流雜散電流的流入流出情況,為下一步干擾緩解措施設(shè)計(jì)提供依據(jù),在該段管道放置多臺數(shù)據(jù)記錄儀同步監(jiān)檢測管道電位情況,結(jié)果見圖 4。由圖4可見,在監(jiān)檢測時(shí)間內(nèi),通電電位極正值和極負(fù)值均出現(xiàn)在014號和005號樁位置,且每隔一段時(shí)間,兩個(gè)測試樁會交替出現(xiàn)極正值和極負(fù)值。對某時(shí)刻通電電位與測試樁作圖,見圖 5。由圖5可見,以夜間通電電位數(shù)據(jù)為劃分依據(jù)(圖 5中虛線),可以得到該段管道在該時(shí)刻的流入-流出位置,當(dāng)014號樁位置出現(xiàn)極正值(流出)時(shí),005號樁位置出現(xiàn)極負(fù)值(流入),反之亦然,這說明014號樁和005號樁互為流入流出關(guān)系,分界點(diǎn)位于007號和008號樁之間。
圖4 無錫某燃?xì)夤艿劳婋娢坏耐奖O(jiān)測數(shù)據(jù)
圖5 某時(shí)刻無錫某燃?xì)夤艿劳婋娢?測試樁號圖
后期可根據(jù)上述數(shù)據(jù)在005號樁及014號樁進(jìn)行饋電試驗(yàn),結(jié)合用地和用電情況,增加強(qiáng)制排流站,保證恒電位儀在恒電位模式下的最大輸出。
經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致天然氣和電力需求增大,燃?xì)夤艿篮洼旊娋€路不可避免會出現(xiàn)臨近、平行或交叉。1號門站至末站電廠18 km高壓燃?xì)夤艿琅c3條500 kV和1條220 kV輸電線路臨近、平行并多處出現(xiàn)交叉,見圖6。
圖6 無錫某燃?xì)夤艿琅c周邊輸電線路位置
根據(jù)普查測試結(jié)果,12號和18號樁位置干擾嚴(yán)重,因此采用數(shù)據(jù)記錄儀+1 cm2試片的方式獲取交流電位和交流電流密度等交流干擾數(shù)據(jù),結(jié)果見表2。
根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,采用交流電流密度對交流干擾程度進(jìn)行評價(jià),結(jié)果也列于表2中。由表2可見,3個(gè)測試樁處管道受到的交流干擾程度均為“強(qiáng)”。在管道電絕緣處、管道與干擾源發(fā)生位置改變的地方,交流干擾都較為強(qiáng)烈,1號、18號樁均靠近絕緣接頭,12號樁處管道與干擾源發(fā)生位置改變。12號樁處測得的交流電位平均值小于4 V,土壤電阻率為13.816 Ω·m,根據(jù)GB/T 50698-2011標(biāo)準(zhǔn),該處可不采取交流干擾防護(hù)措施,但現(xiàn)場采用1 cm2試片測試的交流電流密度平均值高達(dá)103.891 A/m2,說明該處管道具有很強(qiáng)的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
表2 無錫某燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_數(shù)據(jù)
ISO 18086-2019 標(biāo)準(zhǔn)Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria和NACE SP 21424-2018標(biāo)準(zhǔn)Alternating current corrosion on cathodically protected pipelines: Risk assessment, mitigation, and monitoring均從土壤電阻率、腐蝕速率、交流電流密度和直流電流密度等方面對交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評判。首先,通過土壤電阻率來定性評判交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn);然后,采用腐蝕速率確定在一定直流電流密度(如≤1 A/m2)范圍內(nèi)交流電流密度閾值(如30 A/m2)的方式定性評判交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。ISO 18086-2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提出了采用交流電流密度與直流電流密度的比值(交/直流電流密度比)判斷交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn):當(dāng)比值處于3~5時(shí),管道存在較小的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)比值大于5時(shí),管道則存在交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
通過1 cm2試片進(jìn)行交/直流電流密度測試時(shí),試片上的直流電流既有流入又有流出,當(dāng)試片吸收直流雜散電流時(shí)(流入,為負(fù)值),交/直流電流密度比(JAC/JDC)會出現(xiàn)負(fù)值。
測得18號樁處土壤電阻率為11.304 Ω·m,采用1 cm2試片測試該處交/直流電流密度比,測試結(jié)果見圖7,對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表3。由表3可見,長時(shí)間測試的交/直流電流密度比的平均值為24.861,最大值為278.866,最小值為-154.561,夜間(電位平穩(wěn)期)交/直流電流密度比的平均值為11.843。這也說明,采用上述ISO 18086-2019和NACE SP 21424-2018標(biāo)準(zhǔn)對交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估時(shí),采樣時(shí)間應(yīng)為一個(gè)有代表性的時(shí)間段(如24 h)。
圖7 無錫某燃?xì)夤艿?8號樁處交/直流電流密度比與時(shí)間的關(guān)系曲線
表3 無錫某燃?xì)夤艿?8號樁處交/直流電流密度比
根據(jù)上述數(shù)據(jù)對18號樁交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià):土壤電阻率為11.304 Ω·m,小于25 Ω·m,為極高風(fēng)險(xiǎn);交流電流密度平均值大于100 A/m2,且直流電流密度大于1 A/m2,為高風(fēng)險(xiǎn);交/直流電流密度比大于5,為高風(fēng)險(xiǎn)。
評價(jià)結(jié)果顯示,18號樁處管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)高,應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施。上述評價(jià)過程相較于采用交流電位和計(jì)算的交流電流密度數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)更為繁瑣和復(fù)雜,但可以更好地評價(jià)管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)可根據(jù)相關(guān)方法[6],采用仿真計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)方式對該段管道進(jìn)行交流干擾緩解設(shè)計(jì)。
無錫市境內(nèi)有京滬高鐵、滬寧城際鐵路及其他客運(yùn)、貨運(yùn)鐵路,管道易受電氣化鐵路特別是高鐵造成的交流雜散電流干擾。對滬寧城際鐵路惠山站附近的LD222-GCS00100-7號樁進(jìn)行長時(shí)間雜散電流檢測,見圖8。結(jié)果顯示,該處管道受到典型的高鐵引起的交流雜散電流影響:當(dāng)列車經(jīng)過時(shí),交流電位和交流電流密度同時(shí)成比例增大,最大交流電位為10.33 V,最大交流電流密度為312.84 A/m2,列車遠(yuǎn)離后交流電位和交流電流密度都趨于平穩(wěn);當(dāng)城際鐵路夜間無列車通行時(shí),交流電位和交流電流密度都較為平穩(wěn);夜間(測量時(shí)刻為50 000~60 000 s)交流電位小于4V,交流電流密度為60~65 A/m2,存在一定的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
圖8 無錫某燃?xì)夤艿繪D222-GCS00100-7號樁處交流干擾數(shù)據(jù)
由于該處直流電流密度大于1 A/m2,采用交/直流電流密度比判斷交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),結(jié)果見圖9。由圖9(a)可見,交/直流電流密度比在-388.19~289.01波動,平均值為4.44;夜間城際鐵路和地鐵無列車運(yùn)行時(shí),交/直流電流密度都較為平穩(wěn),因此其比值也平穩(wěn),而白天受到城際鐵路和地鐵的干擾,交/直流電流密度及其比值均有較大變化。出現(xiàn)比較多負(fù)值的原因是該處受地鐵直流雜散電流干擾比較嚴(yán)重,測試試片的電流既有流入又有流出,當(dāng)吸收雜散電流(流入,為負(fù)值)時(shí)該處交/直流電流密度比出現(xiàn)負(fù)值,見圖9(b)。
綜上所述,對受地鐵引起的直流干擾和高鐵引起的交流干擾管道進(jìn)行交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可能較為復(fù)雜。如圖9(b)中處于67 990 s附近的數(shù)據(jù),該時(shí)刻交流電流密度大于300 A/m2,但直流電流密度小于0,兩者的比值亦小于0。如果按照ISO 18086-2019和NACE SP 21424-2018標(biāo)準(zhǔn)評價(jià),其交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較小,這與實(shí)際差距較大,采用這種方法進(jìn)行評價(jià)可能會掩蓋某些腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
(a) 整體圖
在役城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿蓝嘟ㄔO(shè)在城區(qū)及城區(qū)周邊,易受地鐵、輸電線路和高鐵,以及上述干擾源的混合干擾影響。對于直流干擾,建議采用6.5 cm2/10 cm2試片進(jìn)行監(jiān)檢測和評價(jià),而對于交流干擾,建議采用1 cm2試片進(jìn)行監(jiān)檢測和評價(jià)。
(1)對于動態(tài)直流干擾特別是由地鐵引起的直流干擾,采用管道斷電電位進(jìn)行評價(jià)時(shí),國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不太適用。強(qiáng)直流干擾時(shí),犧牲陽極可能無法抑制嚴(yán)重的干擾(如地鐵維檢修基地附近的管道),可采用強(qiáng)制電流的方式對城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行整治。
(2)不能采用交流電位作為交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評判依據(jù),而應(yīng)該采用交流電流密度、直流電流密度評價(jià)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),這樣雖然更為繁瑣和復(fù)雜,但可更好地評價(jià)管道所受的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
(3)當(dāng)管道受到混合干擾時(shí),試片的直流電流存在流入和流出,當(dāng)直流電流流出管道時(shí)出現(xiàn)直流電流密度為負(fù)值的現(xiàn)象,使得交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)較為困難。
(4)管道從業(yè)者應(yīng)對混合干擾情況下管道交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)進(jìn)行進(jìn)一步研究,包括修訂現(xiàn)行交流干擾的標(biāo)準(zhǔn)等工作。