地鐵直流雜散電流干擾下管道陰極保護(hù)的測試與評(píng)價(jià)方法

郭艷偉

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東佛山 528000)

0 引言

地鐵一般采用直流牽引，走行軌回流。理想狀態(tài)下，走行軌地電阻無限大，回流軌電阻無限小，隨著地鐵運(yùn)營時(shí)間的增加，由于污染、潮濕、滲漏水等原因，軌地絕緣變差，就會(huì)有電流從走行軌流入大地，形成雜散電流，對(duì)周邊埋地油氣管道等金屬構(gòu)件造成干擾[1]。

地鐵雜散電流的大小和分布與供電所的位置、饋電區(qū)段、負(fù)荷分擔(dān)狀態(tài)、負(fù)荷電流、回歸線電阻以及鋼軌對(duì)地過渡電阻等因素有關(guān)，土壤電導(dǎo)率對(duì)其也有較大的影響，隨著列車不斷運(yùn)行，雜散電流的分布隨時(shí)間而變化[2]。由于列車本身處于不斷運(yùn)行的狀態(tài)，多輛列車在鐵軌沿線各站間啟動(dòng)、運(yùn)行和制停，加上雜散電流受環(huán)境因素影響很大，因此，地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流的典型特征之一是其處于劇烈的動(dòng)態(tài)波動(dòng)狀態(tài)，地鐵系統(tǒng)對(duì)埋地鋼質(zhì)管道造成的動(dòng)態(tài)直流干擾表現(xiàn)為管道的管地電位劇烈波動(dòng)。雜散電流流入?yún)^(qū)域，管地電位負(fù)向偏移，極化電位過負(fù)可以引起析氫反應(yīng)，加速防腐層剝離，極端情況下，甚至可以造成高鋼級(jí)管道發(fā)生氫脆和氫致開裂[3]；雜散電流流出區(qū)域，管道表面發(fā)生陽極極化，管地電位正向偏移，管道發(fā)生腐蝕[4]，由地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流導(dǎo)致腐蝕甚至穿孔的案例有報(bào)道[5-8]。

目前，埋地鋼質(zhì)管道采用陰極保護(hù)與防腐層聯(lián)合應(yīng)用的方法來防止管道發(fā)生腐蝕。GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)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，埋地鋼質(zhì)管道的極化電位負(fù)于-850 mV(本文的電位值均是指相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極，CSE)或陰極極化量達(dá)到100 mV，認(rèn)為陰極保護(hù)是有效的；在現(xiàn)場測試過程中通常采用斷電測試消除IR降得到斷電電位來評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性[9]。存在地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確測試與評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)水平。

1 動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

目前，國內(nèi)外均無專門針對(duì)軌道交通動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的判斷指標(biāo)，對(duì)于直流干擾的各種評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)穩(wěn)態(tài)直流干擾的，涉及動(dòng)態(tài)直流干擾的不多[4]。GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中針對(duì)管道受到直流雜散電流干擾的陰極保護(hù)判斷指標(biāo)如下：已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，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)采取干擾防護(hù)措施。在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾情況下，管道的保護(hù)電位一般利用試片的瞬時(shí)斷電測試斷電電位來獲得，根據(jù)現(xiàn)場的檢測經(jīng)驗(yàn)，試片斷電電位也是明顯上下波動(dòng)，部分時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)試片斷電電位正于最小保護(hù)電位的情況，此時(shí)如何評(píng)判陰極保護(hù)水平，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中沒有具體說明。

AS 2832.1—2015 《Cathodic protection of metals Part1:Pipes and cables》規(guī)定：對(duì)短時(shí)間極化、涂層性能良好的金屬建筑物，記錄長時(shí)間下的管道陰極極化電位，具體內(nèi)容規(guī)定如下：

(1)電位正于保護(hù)準(zhǔn)則(對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為-850 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的5%；

(2)電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+50 mV(對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為-800 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(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 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測時(shí)間的1%；

(4)電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+850 mV(對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的0.2%。

對(duì)于長時(shí)間極化、涂層質(zhì)量差的埋地金屬，規(guī)定其電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的10%。AS 2832.1—2015選擇了電位的偏移作為參考指標(biāo)，綜合考慮了涂層狀態(tài)與干擾時(shí)間，將管地電位正于保護(hù)電位的時(shí)間占測試總時(shí)間的比例作為重要參考點(diǎn)，需要說明的是，保護(hù)電位并不一定是固定的-850 mV，當(dāng)管道所敷設(shè)處的土壤電阻率較高、存在細(xì)菌環(huán)境時(shí)，需要調(diào)整保護(hù)準(zhǔn)則的電位。AS 2832.1—2015標(biāo)準(zhǔn)是否適用于國內(nèi)動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的評(píng)判，同時(shí)正于保護(hù)準(zhǔn)則不同時(shí)間占比導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)有多大，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是否偏保守，這些都需要進(jìn)一步研究[4]。

EN 50162—2004針對(duì)直流干擾下陰極保護(hù)規(guī)定如下：當(dāng)干擾導(dǎo)致管道消除IR降電位超出保護(hù)電位范圍時(shí)，雜散干擾為不可接受。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)建議采用電流探針測試法進(jìn)行干擾可接受程度的具體評(píng)判，一般連續(xù)24 h測試探針的電流，包括陰極保護(hù)電流和雜散電流，并定義管道不受波動(dòng)的雜散電流干擾時(shí) (如地鐵停運(yùn)的晚間)，測試管道陰極保護(hù)相應(yīng)的探針電流為基準(zhǔn)值。通過統(tǒng)計(jì)探針電流低于基準(zhǔn)值不同百分比的累積持續(xù)時(shí)間來評(píng)估管道面臨的腐蝕危險(xiǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)同樣采用管道無IR降電位來評(píng)判陰極保護(hù)水平，同樣存在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下試片斷電電位存在某些時(shí)刻不滿足保護(hù)準(zhǔn)則的情況；該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)考慮了地鐵雜散電流的動(dòng)態(tài)波動(dòng)性，提出了利用探針電流來評(píng)估干擾是否可接受的準(zhǔn)則，但該標(biāo)準(zhǔn)只考慮了最嚴(yán)重時(shí)間段內(nèi)不同降幅探針電流的累積持續(xù)時(shí)間，同時(shí)對(duì)于探針電流為流出狀態(tài)的時(shí)間限定值較小，而且電流測試中易受到陰極保護(hù)電流等影響，對(duì)儀器測試精度要求比較高，目前在國內(nèi)較少應(yīng)用[4]。

國內(nèi)外關(guān)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的評(píng)判方法、參數(shù)類型和具體的指標(biāo)均不一致，但是均采用管道的斷電電位值來評(píng)判陰極保護(hù)水平。目前，AS 2832.1—2015可操作性比較強(qiáng)，在國內(nèi)應(yīng)用較多。

2 斷電電位測試方法

斷電電位通常采用瞬間斷電法獲得，應(yīng)在切斷陰極保護(hù)電流后和極化電位尚未衰減前立即測量，工程中常用的瞬間斷電電位測試方法有2種：密間隔電位測試法(CIPS)和極化試片法。

2.1 密間隔電位測試法(CIPS)

CIPS設(shè)備主要由高靈敏的毫伏表、Cu/CuSO4半電池探杖以及尾線輪組成，測量時(shí)，必須在有影響的陰極保護(hù)電源處安裝同步斷流器，斷流器以一定的周期斷開或接通電保護(hù)電流，然后測試人員手持Cu/CuSO4半電池探杖以密間隔方式(3～5 m)沿管道前行測量管道的通/斷電位(文中所有電位若無特指，均相對(duì)于CSE)。密間隔電位測試法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)管道全線的陰極保護(hù)電位進(jìn)行測量，通過對(duì)全線斷電保護(hù)電位進(jìn)行分析，可判斷陰極保護(hù)的有效性。當(dāng)管道受到直流雜散電流干擾時(shí)，雖然斷開了陰極保護(hù)電流，但是土壤中仍然存在雜散電流，測試的斷電電位包含較大的IR降電位，該方法不適用。

2.2 極化試片法

根據(jù) GB/T 21246—2020《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》，當(dāng)管道受到直流雜散電流干擾不能采用密間隔電位測試法測量電位時(shí)，可采用極化試片法。根據(jù)管道防腐蝕層的情況選取適當(dāng)?shù)男螤詈兔娣e的試片，一般選擇面積為6.5～10 cm2圓柱形試片，鋼材的含碳量或強(qiáng)度對(duì)其腐蝕特性影響不大。因此，試片材質(zhì)與管道類似即可，不必和管材完全一樣[9]。試片通過測試樁與管道相連，保持試片裸露金屬部分背向管道，這樣試片就獲得與管道相同的陰極保護(hù)。測量時(shí)，試片瞬時(shí)從管道上斷開，就可以測量到試片的斷電電位而不需要對(duì)管道上的所有陰極保護(hù)電源進(jìn)行中斷。試片的電位就是同一位置，同樣大小的管道防腐層缺陷點(diǎn)處的斷電電位，如果試片電位測量說明該點(diǎn)斷電電位滿足規(guī)范要求，只代表管道上涂層缺陷點(diǎn)面積小于試片面積的漏點(diǎn)滿足保護(hù)要求，不說明涂層缺陷點(diǎn)面積大于試片面積的涂層缺陷點(diǎn)保護(hù)是否充分。該方法同時(shí)消除了直流雜散電流等干擾因素的影響，可也得到較準(zhǔn)確的保護(hù)電位。

極化試片法由于測試方法簡單，在陰極保護(hù)檢測中已有較多應(yīng)用[4]，國內(nèi)外實(shí)踐應(yīng)用表明，在無直流雜散電流的情況下，采用試片任意時(shí)間點(diǎn)的斷電電位都可以用來評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)效果；當(dāng)管道受到嚴(yán)重的地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾情況下，測試人員不能使用萬用表準(zhǔn)確讀取試片的斷電電位，因?yàn)樵陔s散電流的干擾下，試片的斷電電位時(shí)刻都在變化，某一時(shí)刻是合格的，下一時(shí)刻就可能不合格，單點(diǎn)讀取斷電電位已不可取。只能采用數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)斷電電位進(jìn)行長時(shí)間記錄，通常為24 h。

3 陰極保護(hù)效果評(píng)價(jià)實(shí)踐

選取某長輸天然氣管道與地鐵平行、交叉的管段研究其所受到的地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾，管段與地鐵的位置關(guān)系如下：14號(hào)線(地上)在08#測試樁處與管道交叉，之后沿上游與管道長距離并行，間距2 km左右；另一條支線地鐵(地下)沿下游與管道并行，08#-10#測試樁之間管道與地鐵間距1 km。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該管道受地鐵雜散電流干擾的長度約90 km，管道規(guī)格為Ф914×16/17.5/22.2 mm，材質(zhì)X70鋼，防腐層材料為3PE，陰極保護(hù)為強(qiáng)制電流。

本項(xiàng)目采用UDL2數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)試片的斷電電位進(jìn)行24 h監(jiān)測，選取面積為6.5 cm2圓柱形試片，在90 km管道沿線100處測試樁處埋設(shè)試片，埋設(shè)過程采取措施降低試片處環(huán)境中的含氧量，確保試片與土壤充分接觸，并在試片極化24 h后進(jìn)行測試，以使試片最大程度得到極化，具體的連接方式見圖1。數(shù)據(jù)記錄儀的參數(shù)設(shè)置如下：通斷周期設(shè)置為15 s，斷電3 s，通斷延遲100 ms，斷通延遲200 ms，采集頻率為 1 s采集1組數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)記錄儀接線圖

文中完成了100處測試樁24 h通斷電電位測試，圖2展示G13#測試樁處的通斷電位，圖3為斷電電位，圖3中試片的斷電電位在地鐵運(yùn)行期間波動(dòng)非常明顯(-1 573～98 mV)，斷電電位相較于通電電位振幅較小，但也是劇烈變化的。管道斷電電位的波動(dòng)可能是由于地鐵雜散電流流入流出導(dǎo)致的極化水平的波動(dòng)，也可能是因?yàn)閰⒈入姌O與試片之間存在一定的IR降造成的。

圖2 G13#測試樁處的通斷電位

圖3 G13#測試樁處斷電電位

對(duì)于本次測試數(shù)據(jù)，采用AS 2832.1—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測的100個(gè)測試樁處試片的斷電電位最大值、最小值、平均值及相對(duì)于保護(hù)準(zhǔn)則正向偏移的時(shí)間占比進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，有23個(gè)測試樁滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其余評(píng)價(jià)為不合格。合格的測試樁大都為遠(yuǎn)離地鐵10 km以上且有鎂合金犧牲陽極，如圖4所示，A05#測試樁的斷電電位電位波動(dòng)均在-850～-1 200 mV之間，滿足GB 50991—2014及AS 2832.1—2015要求。

圖4 A05#測試樁處斷電電位

通過對(duì)100處測試樁試片的斷電電位進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)受地鐵雜散干擾的管道電位正負(fù)對(duì)稱波動(dòng)，大都沒有明顯的陰陽極區(qū)，而有個(gè)別測試樁試片的斷電電位呈現(xiàn)明顯的正向偏移，如圖5所示。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了這2個(gè)測試樁靠近地鐵的供電所，為雜散電流的回流場所。在陽極區(qū)，雜散電流持續(xù)從管道防腐層破損處流出，管道發(fā)生較激烈的電化學(xué)腐蝕，通過在附近開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)管道確實(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，如圖6所示，腐蝕點(diǎn)呈孔蝕狀，創(chuàng)面光滑，邊緣較齊整，腐蝕產(chǎn)物為黑色，為典型的直流雜散電流腐蝕特征。直流雜散電流腐蝕速度極快，危害極大。根據(jù)法拉第定律計(jì)算，壁厚為6 mm的管道，在1 cm2的管道防腐層破損點(diǎn)上，假如存在1 mA的直流雜散電流持續(xù)流出，0.5 a即可導(dǎo)致管道穿孔。因此，對(duì)于存在直流雜散電流干擾導(dǎo)致管道保護(hù)電位不達(dá)標(biāo)的情況，應(yīng)采取干擾防護(hù)措施。

圖5 G09#測試樁處斷電電位

圖6 直流雜散電流腐蝕缺陷

4 結(jié)論

(1)地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下陰極保護(hù)水平的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)還不完善，不能準(zhǔn)確反映管道面臨的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。目前,AS 2832.1—2015標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)應(yīng)用較多，可操作性強(qiáng)。

(2)當(dāng)管道受到地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾時(shí)，密間隔電位測試法不適用，采用數(shù)據(jù)記錄儀配合試片的方法測試管道斷電電位是可行的。

(3)地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流腐蝕速度快，危害大，對(duì)于存在地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾導(dǎo)致管道保護(hù)電位不達(dá)標(biāo)的情況，應(yīng)采取干擾防護(hù)措施。

(4)建議盡快完善動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定管道在不同動(dòng)態(tài)直流雜散干擾強(qiáng)度下的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。