直流接地極對附近埋地金屬管道的電腐蝕研究

孫志鵬，魏 建，孫志龍，時偉光，王克勝，劉 偉，李平偉

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)松原供電公司，吉林 松原 138000；3.國網(wǎng)山西省電力公司檢修分公司，太原 030032)

0 引言

隨著我國能源戰(zhàn)略的逐步推進，直流輸電系統(tǒng)和輸油氣管道共用走廊的情況時有發(fā)生[1-3]。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)采用單極大地或雙極不平衡方式運行時，巨大的直流入地電流會在土壤中形成電位梯度，這不僅會改變地表電位分布，甚至?xí)铀俾竦亟饘俟艿赖母g或陰極保護運行異常等問題[4-6]。對于前者，接地極的影響主要體現(xiàn)為直流偏磁，直流偏磁抑制技術(shù)在電力行業(yè)已得到了相當(dāng)重視；而對于后者，接地極電流對地下金屬設(shè)施的腐蝕和陰極保護裝置的影響缺乏有效評估方法，這給直流輸電工程建設(shè)留下了安全隱患[7-10]。

關(guān)于直流接地極對埋地金屬管道電腐蝕評估，不同行業(yè)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接地極與地下埋地金屬管道最小距離應(yīng)大于10 km。石油行業(yè)一般用管地電位正向偏移量作為評價指標(biāo)。當(dāng)管道電位正向偏移量大于100 mV時應(yīng)采取防護措施。然而，接地極對管道的直流腐蝕不僅僅與二者的距離有關(guān)，還與直流入地電流的大小、土壤電阻率及防腐層涂層類型有關(guān)。管地電位也只能粗略估計管道受干擾程度，并不能計算出具體的腐蝕量。電腐蝕量是一個積累的過程，它結(jié)合了直流接地極工作運行的特點，所以以腐蝕量作為直流接地極對埋地金屬管道腐蝕的評價指標(biāo)更為合理[11-17]。

以雁門關(guān)直流接地極為研究對象，用CDEGS軟件搭建了直流接地極對金屬管道腐蝕的電磁仿真模型，首先確定埋地管道受腐蝕程度，然后利用法拉第電解定律計算管道年腐蝕量。最后對管道幾種常見的防護措施的適用性進行分析，分析結(jié)果可為埋地金屬管道防護工作進行參考。

1 直流入地電流對埋地金屬管道的腐蝕機理

由于土壤電阻率遠(yuǎn)小于埋地金屬管道電阻率，所以當(dāng)直流電流從直流接地極注入大地時，直流電流會優(yōu)先以金屬管道形成回路。埋地金屬管道表面一般敷設(shè)有絕緣層。絕緣層的作用就是防止直流電流流入管道。然而，隨著管道服役時間的增加，絕緣層表面難免會出現(xiàn)破損點。當(dāng)直流電流流經(jīng)破損點時，會有電流沿著破損點出入管道，造成埋地金屬管道的腐蝕。其示意圖如圖1所示。

圖1 入地電流對管道的腐蝕干擾Fig.1 Corrosion interference of ground current on buried metallic pipeline

當(dāng)直流接地極以陽極運行時，直流電流從近地管道的破損點流入管道，從遠(yuǎn)地管道的破損點流出。電流流入的區(qū)域稱為陰極區(qū)，電流流出的地方稱為陽極區(qū)。

陽極區(qū)發(fā)生金屬的腐蝕

(1)

陰極區(qū)發(fā)生吸氧反應(yīng)或水解反應(yīng)：

(2)

(3)

分析電極反應(yīng)可知，陽極區(qū)會發(fā)生金屬的腐蝕，嚴(yán)重時會導(dǎo)致管道破裂甚至穿孔；陰極區(qū)由于有氫氣的析出，可能導(dǎo)致埋地金屬管道發(fā)生氫脆，造成嚴(yán)重的安全隱患。

2 直流接地極對附近埋地金屬管道的電腐蝕分析

2.1 接地極及管道布置

神池～三岔～偏關(guān)輸氣管道長約60 km，由西向東延伸，雁門關(guān)直流接地極位于管道北邊，且大致位于管道中心，二者相距約為10 km。見圖2所示。

圖2 直流接地極與管道的相對位置Fig.2 Relative position of DC ground electrode and pipeline

2.2 計算模型及參數(shù)

1)土壤模型

使用Wenner四電極法實測雁門關(guān)直流接地極附近土壤實在電阻率，經(jīng)CDEGS軟件反演，其土壤結(jié)構(gòu)按表1所示。

表1 直流接地極等效運行時間Table 1 DC ground electrode equivalent running time

表1 土壤結(jié)構(gòu)模型Table 1 Soil structure model

2)接地極及管道參數(shù)

接地極參數(shù)：雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)直徑為350 m,內(nèi)環(huán)直徑為150 m。外環(huán)管徑為φ70 mm的圓鋼，內(nèi)環(huán)管徑為φ60 mm的圓鋼。

管道參數(shù)：管道埋深2米，管道直徑為φ700 mm,壁厚50 mm，長度為60 km。管道相對電阻率17，相對磁阻率300，絕緣層厚度3mm,其電阻率為105Ω·m2。

其他參數(shù)：鐵的電化學(xué)當(dāng)量K為1.047 g/(A·h),鐵的密度為7.85×106g/m3。

2.3 管道腐蝕評估

雁門關(guān)直流接地極以單極大地方式運行時，其入地電流為5 000 A。圖3為不同運行方式下管道沿線管地電位分布圖。

圖3 管道電位分布圖Fig.3 Pipe-ground voltage distribution

分析圖3可知，當(dāng)直流接地極以陽極運行時，近地管道周圍管道電位小于土壤電位，管地電位為負(fù)，直流電流由大地流入管道；遠(yuǎn)地管道周圍管道電位大于土壤電位，管地電位為正，直流電流流出管道。直流接地極以陰極運行管地電位分布正好相反。

由于腐蝕發(fā)生在直流電流流出端(陽極區(qū))，由圖3可知，直流接地極以陽極運行陽極區(qū)管地電位小于直流接地極以陰極運行陽極區(qū)管地電位。所以直流接地極以陰極運行對管道腐蝕更為嚴(yán)重。

由于管地電位正向偏移量遠(yuǎn)大于100 mV,所以應(yīng)進一步加強管道防腐措施。

2.4 管道腐蝕量計算

2.4.1 計算方法

由法拉第電解定律可知，金屬管道的電腐蝕量為：

m=kit

(4)

式中，m為埋地金屬管道單位面積的腐蝕質(zhì)量，g/m2;k為金屬材料的電化學(xué)當(dāng)量，g/(A·h);i為金屬管道的單位面積泄漏電流密度，A/m2;t表示時間，h。

2.4.2 雁門關(guān)直流接地極等效運行時間

雁門關(guān)直流接地極使用壽命按50年考慮。直流輸電工程接地極各工況的運行時間見表2。其中，強迫停行時間為使用壽命的0.5%，計劃停運為使用壽命的1%。單雙極運行出現(xiàn)陰極運行的概率按50%。

所以根據(jù)法拉第電解定律，結(jié)合直流接地極的運行特點，該管道一年的腐蝕量如表2所示。

表2 管道年腐蝕深度Table 2 Annual corrosion depth of pipeline

雖然該管道管地電位大于100 mV，但年腐蝕量遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.025 4 mm。所以對管道安全運行不造成威脅。

3 提高管道絕緣措施分析

由于管地電位過大是導(dǎo)致絕緣層擊穿及陰極保護運行異常的主要原因，所以降低管地電位對提高輸氣管道的安全運行有重要意義。最常見的方法是提高絕緣層的絕緣性能，另一種方法是采用絕緣接頭。本節(jié)將討論這兩方面對管地電位的影響。

3.1 絕緣層性能對管地電位的影響

由于絕緣層可以減少電流流入金屬管道，所以在理論上增加絕緣層厚度和增加絕緣層電阻率對減小管地電位有一定的效果。其仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

分析圖4、圖5可知，增加絕緣層厚度或增加絕緣層電阻率對減小管地電位的作用很小。其原因是增加絕緣層厚度或增加絕緣層電阻率雖然可以減少管道的泄漏電流，但防腐層的等效電阻也隨之變大，所以管地電位變化并不明顯。

圖4 絕緣層厚度對管地電位的影響Fig.4 Influence of the thickness of the insulating on the pipe-ground voltage

圖5 絕緣層單位面積電阻率對管地電位的影響Fig.5 Influence of insulation unit area resistivity on pipe-ground voltage

3.2 絕緣接頭對管地電位的影響

當(dāng)埋地金屬管道沒有安裝絕緣接頭時，其管地電位如圖6所示。分析圖6可知，埋地金屬管道基本上可以視為等電位體。所以管地電位的大小是由地電位決定的：地電位高的地方管地電位大，地電位低的地方管地電位小。

圖6 無絕緣接頭時的管地電位Fig.6 Pipe-ground voltage without insulated joints

當(dāng)在距金屬管道中心左右5 km處各安裝絕緣接頭后，管地電位分布如圖7所示。當(dāng)安裝絕緣接頭后，絕緣接頭兩側(cè)的管道電位發(fā)生很大的變化。金屬管道不再是等電位體，絕緣接頭起將管道分段絕緣的作用。分段后的管道電位更趨近地電位：地電位高的地方管道電位大，地電位低的地方管道電位小。所以安裝絕緣接頭能降低管地電位。

圖7 安裝絕緣接頭時的管地電位Fig.7 Pipe-ground voltage with insulated joints

圖8為管道安裝絕緣接頭與未安裝絕緣接頭的管地電位對比圖。

圖8 有無絕緣接頭管地電位對比圖Fig.8 Comparison of pipe-ground voltage with or without insulated joints

管地電位的大小表征管道受直流干擾程度的強弱。由圖3可知，無論直流接地極以何種方式運行，直流接地極附近的管道管地電位都是最大的。分析圖8可知，絕緣接頭可以將管道分段絕緣，直流接地極附近管道的管地電位降幅非常明顯，說明絕緣接頭可以提高埋地金屬管道的防腐性能。在實際工程中，常常在受直流入地電流干擾大的區(qū)域安裝絕緣接頭，來降低該區(qū)域管道的管地電位，達到治理目的。

4 結(jié) 論

1)管地電位只能粗略估計管道腐蝕程度。更為準(zhǔn)確的評估指標(biāo)應(yīng)計算其年腐蝕量。

2)提高絕緣層的絕緣性能并不能有效地減小管地電位。

3)減小管地電位的關(guān)鍵是通過改變管道電位來減少管道電位與地電位的差值。

4)絕緣接頭可以明顯減小管地電位。其原理是將金屬管在電氣上隔離，從而使管道電位更接近其周圍土壤電位，從而降低管地電位。