腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在高壓直流干擾埋地管道領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

胡上茂，劉青松，劉 剛，鄧 軍，賈 磊，張 義，陳 偉，蔡漢生

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663)

0 前 言

高壓直流輸電和油氣管道的建設(shè)促進(jìn)了全國(guó)范圍內(nèi)能源優(yōu)化配置,未來(lái)隨著雙碳目標(biāo)的進(jìn)一步落實(shí),還會(huì)有更多已規(guī)劃的直流輸電線路建成[1-4]。由于地理?xiàng)l件和實(shí)際生產(chǎn)的需要,埋地管道和直流輸電線路公共走廊的情況愈加普遍,相互干擾問(wèn)題也日趨嚴(yán)重[5-8]。高壓直流單極大地回路運(yùn)行時(shí),會(huì)有幾千安培的大電流通過(guò)接地極入地,對(duì)周?chē)蠓秶鷥?nèi)的管道產(chǎn)生干擾,管道在電流流出的位置會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕,腐蝕會(huì)導(dǎo)致管體金屬減薄,危害慘重[9-11]。為此,如何獲得準(zhǔn)確的腐蝕速率,進(jìn)而預(yù)測(cè)管道的服役壽命,是目前所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[12]。目前,在油氣管道領(lǐng)域常用的腐蝕監(jiān)測(cè)方法主要有腐蝕掛片法、電化學(xué)法、電阻法和電感法[13-15];然而,高壓直流干擾具有干擾程度大,干擾極性和干擾時(shí)間不確定等特點(diǎn)[16],采用常規(guī)的腐蝕監(jiān)測(cè)方法給出的腐蝕速率難以準(zhǔn)確反映高壓直流干擾對(duì)管道的腐蝕情況。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展和腐蝕監(jiān)測(cè)儀器的不斷更新,腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成了智能化的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并被應(yīng)用到油氣管道的腐蝕領(lǐng)域,可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)管道表面的腐蝕狀態(tài)[17]。面對(duì)高壓直流接地極對(duì)埋地管道的干擾腐蝕問(wèn)題,我國(guó)長(zhǎng)輸管道已安裝多套智能測(cè)試樁和ER腐蝕速率采集儀,可以通過(guò)監(jiān)測(cè)智能樁采集的電位和ER腐蝕探針的變化評(píng)價(jià)管道受高壓直流干擾情況[18-21]。然而,傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)和智能遠(yuǎn)程腐蝕速率壁厚監(jiān)測(cè)原理不同,用于管道高壓直流干擾腐蝕速率測(cè)量時(shí)獲得結(jié)果的準(zhǔn)確性也不同,因而會(huì)對(duì)干擾腐蝕評(píng)估產(chǎn)生影響。

鑒于此,本文綜述了傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)的方法和智能遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),介紹了不同腐蝕監(jiān)測(cè)方法的原理以及腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高壓直流干擾埋地管道的應(yīng)用現(xiàn)狀,通過(guò)對(duì)比分析,提出了各腐蝕監(jiān)測(cè)方法在高壓直流干擾埋地管道領(lǐng)域的應(yīng)用建議,展望了未來(lái)高壓直流腐蝕速率測(cè)量方法的新方向。

1 埋地管道腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

腐蝕監(jiān)測(cè)是全面認(rèn)識(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕因素、制定防腐措施的基礎(chǔ),是監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)防腐效果的有效手段。傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)方法有腐蝕掛片法,通過(guò)試片反應(yīng)實(shí)際腐蝕狀況,或者采用電阻、電感或者電化學(xué)等測(cè)量腐蝕狀況。腐蝕監(jiān)測(cè)是一個(gè)發(fā)展中的技術(shù),一些新原理和技術(shù)也會(huì)逐步出現(xiàn),如智能在線場(chǎng)指紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[22]、智能在線電阻探針[15]等。這些腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)各有不同,下面將對(duì)不同的腐蝕在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行概述。

1.1 腐蝕速率測(cè)量方法

掛片法 掛片法又稱為腐蝕失重法,是比較傳統(tǒng)、也是應(yīng)用最廣泛的腐蝕速率測(cè)量與分析方法,它標(biāo)志著腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)始[23]。該方法主要原理為:在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)與管道材質(zhì)相同的試片,埋設(shè)一定周期后,取出試片,采取失重法計(jì)算腐蝕速率。試片埋設(shè)前,采用0.1 mg的分析天平記錄試片質(zhì)量,埋設(shè)一定周期后,取出試片,在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)試片進(jìn)行物理清理和化學(xué)酸洗。物理清理的目的主要是將試片表面沉積的泥土進(jìn)行清除,其過(guò)程包括將試片在水中浸泡10 min左右,用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層,觀察表面腐蝕產(chǎn)物顏色[24]?；瘜W(xué)酸洗法[25]是將物理清洗后的試片放入酸洗液中(500 mL鹽酸,3.5 g六次甲基四胺,加蒸餾水配制成1 000 mL)進(jìn)行酸洗,其作用是清除掉表面的腐蝕產(chǎn)物。試片處理完成后,采用0.1 mg的分析天平對(duì)試片再次稱重進(jìn)行腐蝕速率分析。腐蝕速率計(jì)算公式為:

v=8.76×107×(W1-W2-W3)/ρST

(1)

式中,v為腐蝕速率,mm/a;W1為埋設(shè)前試片初始質(zhì)量,g;W2為試片取回并完成除銹后的質(zhì)量,g;W3為空白失重樣,g。ρ為鐵的密度,kg/m3,T為埋設(shè)時(shí)間,h;S為試片面積,cm2。

國(guó)內(nèi)的油氣管道、城市燃?xì)夤艿酪崖裨O(shè)大量掛片用于測(cè)試埋地管道的土壤腐蝕、陰極保護(hù)和雜散電流干擾[26,27]。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,并適用于各種腐蝕介質(zhì);缺點(diǎn)是檢測(cè)周期太長(zhǎng),不能實(shí)時(shí)反映管道腐蝕信息。

電阻法 電阻探針?lè)╗15,28-29]是利用金屬材料在腐蝕過(guò)程中電阻變化來(lái)獲取腐蝕損耗和腐蝕速率的方法,也可稱為電子掛片;其工作原理圖如圖1[30,31],在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,將金屬試片的一面暴露于環(huán)境中,向金屬試片中通入電流,根據(jù)電阻計(jì)算公式:

圖1 電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corrosion monitoring principle of resistance probe

(2)

式中,ρ為金屬試片的電阻率,Ω·m;R為金屬試片電阻,Ω;A為金屬試片通電截面積,m2;L為金屬試片長(zhǎng)度,m。隨著腐蝕程度加深,金屬試片通電截面A減小,R增加,因此,可以通過(guò)監(jiān)測(cè)其阻值變化,從而獲得腐蝕損耗和腐蝕速率信息。該方法起源于20世紀(jì)20年代,開(kāi)始被用于監(jiān)測(cè)大氣腐蝕,自20世紀(jì)50年代逐漸在埋地管道領(lǐng)域得到發(fā)展和使用,并在測(cè)量精度和穩(wěn)定性方面不斷取得新的突破[30,31]。在電阻探針測(cè)量方法中,溫度補(bǔ)償是影響測(cè)量精度的一個(gè)重要因素,柏任流等[28]發(fā)現(xiàn)電阻探針的比值監(jiān)測(cè)信號(hào)隨著溫度變化存在一定的波動(dòng),并通過(guò)改變激勵(lì)恒流源電路設(shè)計(jì),大幅降低了電阻探針的接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì),使腐蝕速率測(cè)量精度提高了5倍。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)際測(cè)量中不需要清理腐蝕產(chǎn)物,也不需要取出試樣,反應(yīng)速度快,靈敏度好,具有很高的實(shí)際應(yīng)用性能,幾乎可以應(yīng)用在任何腐蝕發(fā)生系統(tǒng)。管道行業(yè)也有采用該方法評(píng)價(jià)高壓直流接地極單極運(yùn)行對(duì)管道的腐蝕損失,該方法通常在長(zhǎng)輸管道的測(cè)試樁位置將電阻探針與管道同埋深,定期采集電阻探針的厚度變化用于計(jì)算管道的腐蝕速率。但是,考慮到電阻探針的使用壽命比較短,對(duì)于腐蝕比較嚴(yán)重的位置并不適用是其劣勢(shì)所在[15]。

電感法 電感阻抗是通過(guò)電阻法轉(zhuǎn)化的技術(shù),電感探針的原理即在傳感器中埋設(shè)一個(gè)線圈,通過(guò)測(cè)量金屬試樣腐蝕減薄所引起的磁通量變化而直接測(cè)量材料的腐蝕深度,進(jìn)而計(jì)算腐蝕速率[32]。與電阻法相比,電感法靈敏度高,響應(yīng)時(shí)間減少,溫度補(bǔ)償片被包在測(cè)試片里[33,34],測(cè)量結(jié)果受溫度影響較小。但是為了提高靈敏度,需要頻繁更換電極,其造價(jià)比較高。

電化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù) 電化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理[35]為先測(cè)量金屬材料的電化學(xué)特性,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成腐蝕速率來(lái)進(jìn)行判斷腐蝕狀況,主要分為電化學(xué)阻抗、電化學(xué)噪聲和線性極化電阻法。線性極化電阻法[36,37]是測(cè)量通過(guò)探頭和介質(zhì)界面的電流的電化學(xué)技術(shù),探頭上帶有參比電極、測(cè)量電極和輔助電極;在測(cè)量電極與腐蝕電極之間施加一個(gè)與電極腐蝕電位差別很小的極化電位(要求小于20 mV),將測(cè)得1個(gè)電流密度,由于腐蝕電流密度與腐蝕速率成正比,LPR(線性極化電阻技術(shù))技術(shù)可將腐蝕速率的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào),再通過(guò)變送器可以直觀地顯示、記錄腐蝕速率。該方法可以直接讀取腐蝕速率,但是適用范圍比較小,這種方法在緩蝕劑、金屬合金的篩選中應(yīng)用比較多[38]。電化學(xué)阻抗法[39]的基本原理即給電化學(xué)系統(tǒng)施加一個(gè)頻率不同的小振幅交流電勢(shì)波,測(cè)量其交流電勢(shì)與電流信號(hào)的比值,即系統(tǒng)的阻抗隨正線頻率的變化,或者是阻抗的相位角隨頻率的變化,進(jìn)而繪制出被測(cè)量體系的Nyquist譜和Bode譜,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到合適的等效電路圖,最終根據(jù)Stem公式計(jì)算體系的腐蝕速率;該方法是腐蝕科學(xué)研究中的一種重要手段,在裸金屬、金屬緩蝕劑,有涂層金屬的耐蝕性能評(píng)價(jià)和腐蝕機(jī)理研究方面得到了廣泛的應(yīng)用,但是由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性差,得到的阻抗電路不唯一,將很難對(duì)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。電化學(xué)噪聲[40]不是來(lái)源于外界干擾,而是一種電化學(xué)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的一種噪聲;采用電化學(xué)噪聲時(shí)不需要對(duì)被測(cè)電極施加可能會(huì)導(dǎo)致腐蝕電極腐蝕過(guò)程發(fā)生改變的外界擾動(dòng),目前電化學(xué)噪聲的測(cè)量方法主要有恒電位法和恒電流法,最后通過(guò)對(duì)噪聲譜的分析,得出腐蝕的過(guò)程和腐蝕特點(diǎn),該技術(shù)在腐蝕領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛,處理手段也日漸完善,但是電化學(xué)噪聲的產(chǎn)生屬于隨機(jī)現(xiàn)象,是其劣勢(shì)所在。此外,根據(jù)電化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀,無(wú)論是采用線性極化還是電化學(xué)阻抗,測(cè)量精度均比較低,不能實(shí)現(xiàn)原位的實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。對(duì)此,馮南戰(zhàn)等[34]提出了采用電流約束方法限制極化電流的分布范圍,提高了腐蝕速率測(cè)量的精度;王天正等[36]在某變電站腐蝕監(jiān)測(cè)工程中,采用護(hù)環(huán)電極電流約束技術(shù),配合電化學(xué)阻抗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)腐蝕速率的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控;在未來(lái)的研究工作中,可以嘗試將電流約束技術(shù)應(yīng)用在高壓直流接地極上實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地管道的腐蝕評(píng)價(jià)與分析。

1.2 在線腐蝕速率監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,許多智能遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷涌現(xiàn),在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)的跟蹤腐蝕數(shù)據(jù),為科學(xué)管理提供了必要手段。目前發(fā)展的智能超聲波在線監(jiān)測(cè)[41]、智能場(chǎng)指紋[22,42]和陰極保護(hù)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)[43]已逐漸被用于油氣管道的腐蝕領(lǐng)域。

超聲波智能在線壁厚監(jiān)測(cè)主要分為脈沖反射法、穿透法和共振法[44]。在油氣管道行業(yè)中,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)超聲波脈沖反射原理進(jìn)行厚度測(cè)量,當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體達(dá)到金屬界面時(shí),脈沖被反射回探頭,通過(guò)精確測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算得出管道剩余壁厚。目前,已有的超聲波在線檢測(cè)厚系統(tǒng)有英國(guó)Permasense有限公司生產(chǎn)的Permasense系統(tǒng)、美國(guó)RCS公司生產(chǎn)的ULTRACORR系統(tǒng),中國(guó)沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制公司ZK3810系統(tǒng)等。其中,英國(guó)的Permasense系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛,它是一種基于超聲測(cè)厚原理的無(wú)線在線腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備;系統(tǒng)由探頭,網(wǎng)關(guān),數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)瀏覽器幾部分組成;某站場(chǎng)已安裝了Permasense探頭,有效掌握了實(shí)際壁厚的變化情況。此外,也有研究者采用超聲波現(xiàn)在壁厚監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)管道腐蝕行為,如李冰毅等[41]研究了管道剩余壁厚的超聲波在線監(jiān)測(cè)解決方案,并在某氣田甲醇處理站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證,可以反映出管道的實(shí)時(shí)腐蝕情況;謝兆軍[45]也提出了基于超聲波檢測(cè)原理的管線在線測(cè)厚系統(tǒng)及配套硬件為基礎(chǔ)的腐蝕監(jiān)測(cè)完整解決方案和完整系統(tǒng)構(gòu)成,并將其應(yīng)用在了普光氣田,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況良好。王志偉等[46]利用超聲波在線監(jiān)測(cè)石油管道的厚度和腐蝕情況,研究了溫度與聲速的關(guān)系,在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中融入線性回歸誤差補(bǔ)償模型,在一定程度上消除了溫度對(duì)超聲波測(cè)厚的影響。

場(chǎng)指紋(FSM)智能在線壁厚監(jiān)測(cè)方法即在管道外表面安裝電極實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)部腐蝕的監(jiān)測(cè),本質(zhì)即電位矩陣法,通過(guò)向電極施加電流并測(cè)量電極矩陣的電壓變化,可以通過(guò)原位、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)反應(yīng)材料本體壁厚的變化[47]。目前該技術(shù)的電極矩陣可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行定制,并可以通過(guò)RS485、GPRS或者北斗衛(wèi)星等進(jìn)行通訊傳輸,可采用太陽(yáng)能進(jìn)行供電,通過(guò)軟件進(jìn)行自動(dòng)分析處理測(cè)量數(shù)據(jù)。龐斌等[22]在集輸管道進(jìn)行了FSM腐蝕監(jiān)測(cè)研究,其結(jié)果不僅監(jiān)測(cè)到了管道的均勻腐蝕和局部腐蝕,還能定位到局部腐蝕發(fā)生的位置;Hoang等[48]也將FSM腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到點(diǎn)蝕占比對(duì)金屬油氣管道剩余強(qiáng)度的研究中;除此之外,何曉明等[49]在傳統(tǒng)的場(chǎng)指紋監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上,提出了一種多向場(chǎng)指紋法(MDFSM),該方法能保證任意角度的裂紋缺陷均能被有效檢測(cè)。該方法可以適用于大部分管件及設(shè)備,可以對(duì)全周向或區(qū)域性腐蝕進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè),還可以對(duì)對(duì)裂紋的位置進(jìn)行定位,其技術(shù)難點(diǎn)在于若監(jiān)測(cè)的區(qū)域存在點(diǎn)蝕和坑蝕等,金屬的電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化[50];此時(shí),缺陷位置及其周?chē)鷧^(qū)域電場(chǎng)同時(shí)發(fā)生改變并相互影響,即會(huì)出現(xiàn)“牽扯效應(yīng)”,這會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的精度。

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)電位的變化確定管道的保護(hù)效果,除此之外,該技術(shù)還可以監(jiān)測(cè)管道的交流電壓,交直流電流密度,管道行業(yè)通常會(huì)根據(jù)采集的直流電流密度值并結(jié)合理論公式計(jì)算管道的腐蝕速率。該方法主要為在埋地管道需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的位置安裝自動(dòng)采集儀,配合長(zhǎng)效參比、埋地試片等埋地傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道電位和電流密度等多參數(shù)的實(shí)時(shí)采集[51]。目前,可以使用的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通訊、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等。在陰極保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),充分利用目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)建立鏈接,將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程管理平臺(tái),在線掌握陰極保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài),可以有效保證智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。該技術(shù)已被用于長(zhǎng)輸管道、城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫€等領(lǐng)域[52],值得一提的是,陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)埋地油氣管道受高壓直流接地極單極運(yùn)行方面發(fā)揮著不可替代的作用,我國(guó)的多條埋地油氣管道已安裝了上千套智能測(cè)試樁用于監(jiān)測(cè)高壓直流干擾對(duì)管道的干擾電位和腐蝕行為的影響,隨著智能管道的建設(shè),遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。

2 腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在高壓直流干擾埋地管道領(lǐng)域的應(yīng)用情況

高壓直流干擾程度大,干擾極性不確定的特點(diǎn),大量研究表明,管道受高壓直流的干擾程度與高壓直流的入地電流、持續(xù)時(shí)間,接地極的深層土壤信息和管道埋設(shè)位置的土壤狀況均有關(guān),為此如何應(yīng)用腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量并分析管線因高壓直流導(dǎo)致的腐蝕減薄問(wèn)題顯得尤為重要。目前,管道行業(yè)內(nèi)主要采用掛片法、智陰極保護(hù)電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)法、ER腐蝕速率探針?lè)ê蛯?shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)法研究高壓直流對(duì)管道的腐蝕情況。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)埋片法

采用現(xiàn)場(chǎng)埋片法研究管道受高壓直流干擾的腐蝕問(wèn)題是最普遍的做法,管道行業(yè)的通用做法是分別在受高壓直流接地極干擾的近端管道和遠(yuǎn)端管道選取多個(gè)位置作為埋設(shè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)埋設(shè)的試片分為未施加陰極保護(hù)的自然腐蝕失重試片和施加了陰極保護(hù)的失重檢查片,分別采用至少3個(gè)平行樣。根據(jù)SY/T 0029-2012“埋地鋼制檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范”[53],失重檢查片形狀大都為圓形,厚度約為3～5 mm;然而,在考察管道受高壓直流干擾期間防腐層破損面積和形狀對(duì)腐蝕的影響時(shí),也會(huì)選取方形試片或者6.5～50.0 cm2的圓形試片作為比對(duì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)埋片法計(jì)算腐蝕速率的工作原理可知,該方法需要二次開(kāi)挖和實(shí)驗(yàn)室處理,因此,對(duì)檢查片的處理和稱重精度要求較高,同時(shí)為保證失重?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確,還需要設(shè)立空白對(duì)照試樣。通常該方法埋設(shè)周期至少為1 a,然而,1 a內(nèi)發(fā)生高壓直流單極運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)具有不確定性,因此該方法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算僅由高壓直流接地極單極運(yùn)行對(duì)管道干擾的腐蝕程度,還需要采取監(jiān)測(cè)方法。

2.2 陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[54,55],電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以用于分析管道受高壓直流的干擾規(guī)律;此外,采用干擾期間的電流密度和干擾時(shí)間還可以用于腐蝕速率計(jì)算[56,57]。如圖2為監(jiān)測(cè)的某管道在同一時(shí)刻不同位置受高壓直流干擾期間電位圖,某接地極在2020年4月15～20日間,共發(fā)生4次單極運(yùn)行,在接地極干擾期間,近端管道(位置一)和遠(yuǎn)端管道(位置二)電位偏移方向相反;對(duì)于近端或者遠(yuǎn)端管道,在接地極電流流入管道位置,電位負(fù)向偏移,電流流出管道位置正向偏移,管體可能發(fā)生腐蝕。

圖2 同一管道同一時(shí)刻不同位置受高壓直流干擾期間的電位偏移圖Fig. 2 Potential shift diagram during HVDC interference in different locations of the same pipeline at the same time

圖2的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,智能測(cè)試樁可以對(duì)埋地管道的高壓直流干擾頻次和干擾時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤,管道行業(yè)也可嘗試通過(guò)統(tǒng)計(jì)接地極單極運(yùn)行時(shí)流出管道的電流和時(shí)間,采用法拉第定律計(jì)算不同里程位置歷次干擾期間管道的腐蝕深度,進(jìn)而計(jì)算出年腐蝕速率。法拉第定律計(jì)算管道高壓直流干擾腐蝕速率的原理為:陽(yáng)極材料(管道鋼)的損失量與金屬的原子量、電荷轉(zhuǎn)移數(shù)量以及腐蝕電流(Icorr)正相關(guān):

(3)

式中,Wt為Fe的失重,g;n為氧化反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)量;Icorr為受干擾期間管道流出的電流,單位為A;F為法拉第常數(shù),每當(dāng)量材料約為96 500 C(當(dāng)量=M/n);M為Fe的原子量;t為接地極放電時(shí)長(zhǎng),s。

考慮到接地極每次單極運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)和電流不確定,利用法拉第定律計(jì)算一年內(nèi)某位置管道因接地極單極運(yùn)行導(dǎo)致的金屬損失如下:

(4)

式中,Wt為Fe的失重,t1為接地極第一次單極運(yùn)行時(shí)管道表面電流流出的時(shí)間,s;I1corr為第一次單極運(yùn)行時(shí)管道表面流出的電流,A;tn為第n次單極運(yùn)行時(shí)管道表面電流流出的時(shí)間,s;Incorr為第n次單極運(yùn)行時(shí)管道表面流出的電流,A。

將式(4)轉(zhuǎn)化為腐蝕速率計(jì)算方法,得到式(5):

(5)

進(jìn)一步的,上式可轉(zhuǎn)化為

(6)

式中,rcorr為年腐蝕速率,mm/a;A為試片的表面積,cm2;ρ為鐵的密度,g/cm3;T1為第一次接地極單極運(yùn)行時(shí)管道表面電流流出的時(shí)長(zhǎng),h;Tn為第n次接地極單極運(yùn)行時(shí)管道表面電流流出的時(shí)長(zhǎng),h ;M為Fe的原子量;t1為接地極單極運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),s;tn為第n次單極運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),s;I1corr為第一次接地極單極運(yùn)行期間流出的電流,A;Incorr為第n次接地極單極運(yùn)行的電流,A。

采用該方法對(duì)某管道某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行干擾腐蝕速率分析,結(jié)果列于表1。該位置2019年6月5日至2020年6月5日受接地極陰極干擾共10次,每次干擾期間管道表面流出電流和時(shí)間均不同,采用式(5)對(duì)該位置進(jìn)行腐蝕速率計(jì)算,得到受高壓直流干擾期間的年腐蝕深度為20.5 μm,即1 a內(nèi)的腐蝕速率為0.020 5 mm/a。該案例分析結(jié)果表明,采用該方法評(píng)價(jià)管道受高壓直流干擾期間的腐蝕速率是可行的。考慮到腐蝕速率計(jì)算的準(zhǔn)確性,該方法對(duì)數(shù)據(jù)采集頻次有一定要求(至少為每間隔10 min采集),對(duì)采集設(shè)備供電要求高,若設(shè)備采集期間存在任何問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,則會(huì)影響腐蝕速率計(jì)算結(jié)果。

表1 智能監(jiān)測(cè)法腐蝕速率計(jì)算案例Table 1 Intelligent monitoring method corrosion rate calculation case

2.3 ER腐蝕速率探針?lè)?/h3>

除了智能陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)外,ER腐蝕探頭作為最穩(wěn)定的電阻探針技術(shù)也被管道行業(yè)用于高壓直流干擾監(jiān)測(cè)。王若丹[17]利用ER腐蝕探頭測(cè)試并計(jì)算了管道受到哈密接地極單極運(yùn)行時(shí)的腐蝕速率,通過(guò)無(wú)線傳輸可以遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),了解了接地極在不同運(yùn)行模式下管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn);朱鈺等[19]與電網(wǎng)方進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn),采用ER腐蝕探頭得到了在高壓直流干擾期間西氣東輸二線管道腐蝕速率為0.54 mm/a。本項(xiàng)目組也對(duì)某臨近接地極的管道位置安裝了ER腐蝕速率探頭,三次采集結(jié)果如表2,第一階段從2019.9.20～2020.3.20,ER腐蝕深度為13.23 μm,換算年腐蝕速率為26.46 μm/a;第二階段從2020.3.20～2020.9.20,ER腐蝕深度為6.79 μm,換算年腐蝕速率為0.001 358 mm/a。若采用2019.9.20～2020.9.20期間的試片厚度差,年腐蝕速率為0.002 mm/a。通過(guò)對(duì)不同階段ER探頭腐蝕速率分析結(jié)果可知,不同采集間隔計(jì)算的年腐蝕速率可能并不相同。

表2 ER腐蝕速率探頭采集結(jié)果Table 2 ER corrosion rate probe acquisition results

該方法也可以通過(guò)將ER采集儀放在管道測(cè)試樁內(nèi),設(shè)置采集參數(shù)為10 min ,或者將ER實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸,若利用該方法準(zhǔn)確分析高壓直流干擾期間的腐蝕情況,提高腐蝕速率的準(zhǔn)確性,還需與智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合,即在每次高壓直流放電結(jié)束后及時(shí)對(duì)ER的采集結(jié)果進(jìn)行分析。此外,目前管道行業(yè)也發(fā)現(xiàn),將埋設(shè)一定時(shí)間內(nèi)的ER腐蝕探頭開(kāi)挖后存在結(jié)垢現(xiàn)象,這會(huì)影響數(shù)據(jù)采集結(jié)果,是該方法的局限性所在。

2.4 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)埋片法、ER腐蝕速率探針?lè)ê椭悄軠y(cè)試樁監(jiān)測(cè)法均可以評(píng)價(jià)實(shí)際管道受高壓直流干擾的腐蝕程度,但無(wú)法提供腐蝕形貌信息,因此不利于腐蝕規(guī)律預(yù)測(cè)和腐蝕機(jī)理分析。為此,近年來(lái)也有學(xué)者開(kāi)展了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)以探討高壓直流干擾下干擾參數(shù)的變化規(guī)律及其對(duì)管道腐蝕行為的影響。秦潤(rùn)之等[58]研究了X80鋼在廣東典型土壤的腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)在50～300 V的干擾電壓下,腐蝕速率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì);上海天然氣管網(wǎng)集團(tuán)也研究了X65管線鋼在上海地區(qū)土壤中的腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)在0.2～15.0 V的干擾電壓范圍內(nèi),腐蝕速率隨著干擾電壓增加而逐漸增加,另外還發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)有助于減緩管道腐蝕速率。根據(jù)目前研究進(jìn)展,在實(shí)驗(yàn)室考察不同地區(qū)高壓直流接地極對(duì)管道的腐蝕影響時(shí),如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。如對(duì)于低土壤電阻率地區(qū),由于高壓直流引起的干擾電壓小,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)需考察陰極保護(hù)的影響,即在陰極保護(hù)穩(wěn)定后,再施加干擾進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。此外,采用式(1)的方法計(jì)算腐蝕速率后,也有必要根據(jù)干擾電壓和腐蝕速率結(jié)果進(jìn)行腐蝕安全邊界分析,如找出不同土壤環(huán)境下干擾電壓與干擾時(shí)長(zhǎng)、電流密度與干擾時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系。然而,實(shí)驗(yàn)室模擬高壓直流干擾的數(shù)據(jù)主要用于腐蝕規(guī)律分析,如何將模擬實(shí)驗(yàn)獲得的腐蝕規(guī)律和安全邊界應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)還有待進(jìn)一步研究。

3 不同腐蝕監(jiān)測(cè)方法在高壓直流干擾埋地管道的應(yīng)用建議

采用腐蝕速率評(píng)價(jià)高壓直流接地極對(duì)管道的干擾程度是最為直接有效的方法,如何選用合理的腐蝕速率分析評(píng)估方法顯得尤為重要。根據(jù)高壓直流接地極對(duì)埋地管道腐蝕的研究進(jìn)展,結(jié)合不同腐蝕速率測(cè)量方法的原理,建議如下:若某管道僅受接地極單一干擾源影響,不存在地鐵和交流輸電線路干擾,可以選擇在靠近接地極的近端管道和遠(yuǎn)離接地極的遠(yuǎn)端管道均埋設(shè)試片;近端管道的試片埋設(shè)間隔可加密至3～4 km,遠(yuǎn)端管道的試片埋設(shè)間隔可設(shè)置為10 km;近端和遠(yuǎn)端管道至少選擇3個(gè)埋設(shè)點(diǎn)。若管道同時(shí)受到多個(gè)干擾源影響,建議安裝智能測(cè)試樁,安裝位置與前述埋設(shè)試片原則相同,或者可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜程度進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)。采用該方法時(shí),考慮到準(zhǔn)確計(jì)算高壓直流干擾期間腐蝕速率的需要,智能樁數(shù)據(jù)采集頻次需至少為10 min間隔,同時(shí)需要對(duì)智能遠(yuǎn)傳設(shè)備進(jìn)行定期維修,以保證數(shù)據(jù)有效傳輸。若需研究不同地區(qū)高壓直流對(duì)埋地管道的干擾規(guī)律,可以通過(guò)條件可控的實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)規(guī)律計(jì)算。對(duì)于ER腐蝕探頭方法而言,與傳統(tǒng)埋片法相比,其響應(yīng)速度快,不需開(kāi)挖;與智能監(jiān)測(cè)相比,數(shù)據(jù)處理速度快;但目前的研究發(fā)現(xiàn),ER探頭存在結(jié)垢現(xiàn)象,會(huì)影響數(shù)據(jù)采集結(jié)果,此外,ER采集的數(shù)據(jù)也包含了土壤對(duì)探針的腐蝕情況,得到的結(jié)果為土壤腐蝕和高壓直流干擾期間的綜合腐蝕速率。因此建議對(duì)接地極單極運(yùn)行頻次高的管段,同時(shí)安裝智能測(cè)試樁和ER腐蝕速率探頭。

4 展 望

隨著能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,更多高壓直流輸電線路和油氣管線在建設(shè)或規(guī)劃中,高壓電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)共用走廊的現(xiàn)象將更加明顯,油氣管道受高壓直流輸電干擾的腐蝕問(wèn)題將更加嚴(yán)重。目前主要采取現(xiàn)場(chǎng)埋片法、ER腐蝕速率探頭法和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)法獲取管道腐蝕速率,但對(duì)于高壓直流干擾而言,這些傳統(tǒng)方法并不能準(zhǔn)確得到高壓直流對(duì)管道干擾的腐蝕速率數(shù)據(jù),還需要采用監(jiān)測(cè)的方法。隨著智能管道的建設(shè),管道安裝智能測(cè)試樁已成為熱點(diǎn),可以逐步采用高壓直流干擾期間監(jiān)測(cè)的干擾電流和干擾時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù),利用法拉第定律計(jì)算腐蝕速率,并將其推廣;此外,也可嘗試采用智能場(chǎng)指紋、智能超聲波等局部管壁腐蝕監(jiān)測(cè)方法,這些方法均采用外置的方式,安裝拆除方便快捷,與無(wú)線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的融合性好。腐蝕監(jiān)測(cè)是一個(gè)發(fā)展過(guò)程中的技術(shù),未來(lái)也會(huì)有新的原理和技術(shù)。因此,將不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)的腐蝕速率法相互結(jié)合使用,綜合利用并分析相關(guān)數(shù)據(jù),形成逐漸優(yōu)化完善的高壓直流干擾管道的腐蝕速率分析方法,提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。