埋地钢质燃气管道杂散电流腐蚀的测试与防护

摘 要

摘要：介绍了杂散电流的类型。结合深圳市某测点的埋地钢质燃气管道受杂散电流干扰的调查和测试数据，分析了该管道杂散电流的主要来源。介绍了国家标准及行业标准对杂散电流控制
摘要：介绍了杂散电流的类型。结合深圳市某测点的埋地钢质燃气管道受杂散电流干扰的调查和测试数据，分析了该管道杂散电流的主要来源。介绍了国家标准及行业标准对杂散电流控制的要求、国外杂散电流防护工作的情况，提出了杂散电流腐蚀防护的措施。
关键词：钢质燃气管道；杂散电流；杂散电流测试；杂散电流腐蚀防护
Testing and Protection of Stray Current Corrosion on Buried Steel Gas Pipeline
LUO Bin，LIU Jianhui
Abstract：The types of stray current are introduced.Based on the investigation and testing data on buried steel gas pipeline disturbed by stray current at a testing point in Shenzhen City，the main sources of stray current of this pipeline are analyzed.The requirements for control of stray current in the national and industrial standards and the overseas stray current protection work are presented. The protection measures of stray current corrosion are proposed.
Key words：steel gas pipeline；stray current；stray current corrosion protection
1 概述
    杂散电流对埋地金属管道的干扰腐蚀不容忽视。文献[1]论述了煤气管道受到矿区电机车的杂散电流腐蚀及排流措施，文献[2]研究了杂散电流对埋地管道阴极保护体系干扰的作用机理，文献[3]分析了地铁直流杂散电流对埋地金属管道干扰腐蚀的机理及一般防护措施，文献[4]论述了杂散电流对油气管道腐蚀的基本原理和防护措施。
   GB/T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》给出了杂散电流的定义，杂散电流是指在非指定回路中流动的电流。它可能是由直流电或交流电造成的[5]221～226：直流杂散电流主要来源于直流电气化铁路、高压直流输电系统、电解装置、阴极保护装置(强制电流设备、杂散电流排流设施)等；交流杂散电流主要来源于交流电气化铁路及交流输电线路等。研究表明[5]94，铁在交流电流密度20A/m2下将造成0.1mm/a的腐蚀速率，只有高于50A/m2的交流电流密度才是严重的。另外，由于地球磁场变化产生的地杂散电流，一般情况下与前述直流、交流杂散电流相比强度很小，不会产生腐蚀危险。因此，本文的研究重点是直流杂散电流(以下简称杂散电流)。
埋地钢质管道杂散电流干扰腐蚀原理见图1[6]。由于铁轨对地绝缘不充分，机车的牵引电流除了在铁轨上流动外，还会从铁轨绝缘不良处泄漏到大地，形成杂散电流。由于埋地钢管对地绝缘并不充分，则部分杂散电流将流入附近的钢管，并在钢管中流动，然后从远处的某点流出钢管进入大地，返回供电所负极。钢管会在杂散电流流出部位发生腐蚀，此种现象称为杂散电流干扰腐蚀。
 

    理论上，当钢铁受到杂散电流干扰腐蚀时，金属腐蚀量满足法拉第定律。依据法拉第定律，1A的直流电流1年可使钢铁腐蚀大约9.1kg[4]。杂散电流干扰腐蚀通常发生在管道防腐层破损处，即集中在局部，因而容易引起坑蚀，导致穿孔。实际案例中[6]，东北抚顺地区受杂散电流干扰影响的输油管道约有50km，占东北输油管网的2%，而因杂散电流干扰腐蚀造成的穿孔次数，占该地区管网腐蚀穿孔总次数的60%以上。该地区的杂散电流高达500A，管道埋地半年就能腐蚀穿孔，腐蚀速率为10～15mm/a。
2 燃气管道受杂散电流干扰的调查和测试
    在深圳市燃气管网的日常巡查工作中发现埋地钢质管道受到杂散电流干扰，根据日常监测结果，我们选取了侨香路燃气管段(地铁车辆段附近)作为研究对象，按照SY/T 0017—2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》的要求，与专业机构合作进行了专项的现场调查和预备性测试工作。该段管道建设于20世纪90年代初期，按照当时的工程设计标准未设置阴极保护系统，不能达到-850mV的保护电位。对于被干扰燃气管道的调查测试内容为：管道和周围干扰源(包括地铁)的相关位置分布，管地电位及其分布(包括按时间分布和按距离分布)，管壁中流动的干扰电流(大小和方向)，流入、流出管道的干扰电流的大小和部位，局部管段沿线土壤电阻率，管道沿线大地中杂散电流方向和电位梯度，管道已有牺牲阳极阴极保护装置的运行参数及运行状况，管道与其他相邻和交叉管道等埋地金属构筑物之间的电位差，该地区管道的腐蚀实例。
    在测试工具方面，我们应用了储存式的自动数据记录仪和杂散电流检测仪(Stray Current Mapping，以下简称SCM)进行测试。该自动数据记录仪采集数据的速度可达约100个/s，可用于连续记录并自动储存数据。SCM检测仪是目前世界上最先进的一种杂散电流测试仪器，可以沿着管道检测任何杂散电流的大小和方向，能够快速地评价从地表至管道间的杂散电流，精确确定杂散电流的流入、流出点，分辨杂散电流的频率和方向，十分方便。
    对于干扰源侧，主要调查了地铁供电所的位置、运行状况等，还与有关机构对铁轨对地电位等数据进行了联合测试。
    综合上述调查内容，完成了《侨香路燃气管道杂散电流干扰腐蚀控制预备性测试报告》。图2是测试报告中的某日管地电位24h连续测试曲线。
 

    对于上述测试曲线，经计算机程序数据处理后，得出该测点的管地电位正向偏移值(30min平均值)最大达到262mV，其中在大约6：30—23：30时间段内，管地电位波动较大，平均正向偏移较强；在大约23：30至次日6：30时间段内，管地电位趋于平稳，波动极小，在24h曲线上看近似为较平滑的直线段。此种情况表明，该测点附近沿线管道受到的杂散电流干扰具有一定的规律性。
    综合测试报告中的所有测试结果，并结合杂散电流自身的规律，可以认为该段燃气管道受到杂散电流干扰，干扰源是管道附近的较强直流电源设备，由于该杂散电流干扰规律与附近地铁的运行规律密切相关，因此该段地铁牵引电流外泄应是引起杂散电流的主要原因。
3 国家标准规范对杂散电流防护的要求
    鉴于杂散电流对钢质管道等设备的干扰腐蚀影响，国家相关标准规范对杂散电流的防护和控制有具体的技术要求。
    城镇燃气行业目前的参考标准主要有GB/T 21447—2008《钢质管道外腐蚀控制规范》、SY/T 0017—2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》、CJJ 95—2003《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》等。上述标准对于杂散电流强弱的判断指标见表1。
表1 直流干扰强度的判断指标
杂散电流程度
弱
中
强
管地电位正向偏移值/mV
＜20
20～200
＞200
    按照该标准判断，上述侨香路测点的杂散电流干扰已经属于强烈干扰，需尽快采取排流保护等防护措施。
    地铁目前的参考标准主要有行业标准CJJ 49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》，该标准中提出了对于地铁钢结构，允许泄漏电流密度指标为0.15mA/dm2。地铁需要严格遵守该标准，在建设和运营阶段做好杂散电流的防护工作。
4 其他国家的杂散电流防护状况
    世界上许多国家都非常重视杂散电流的防控工作。德国电工协会与德国煤气与水工工程师协会组成的联合委员会于1910年颁布了防止煤气管道和输水管道受到使用铁轨做导电体的直流有轨电车的有害影响的规定[5]。随后，有关杂散电流的检测和控制技术在不断发展和进步。
    美国腐蚀工程师学会(NACE)于2004年发表了报告《对干扰管道的杂散电流新的测试技术》。该报告中提出可以使用SCM检测仪等方法来检测干扰管道的杂散电流，并以加拿大多伦多市的某燃气管道为例进行杂散电流测试，分析认为干扰源与附近电气化铁路的运行有关，该杂散电流来源于电力机车的运行，详见图3，图3中上方的曲线表示随时间变化的管道杂散电流，下方的曲线表示对应的管地电位。
 

5 城市杂散电流的防护措施
    深圳市临近大海，地下水位高，且多回填和盐渍区，地下土壤电解质丰富，其土壤腐蚀性比一般地区高。在这种情况下，杂散电流引起的钢质管道腐蚀风险比一般地区严重。
    结合SY/T 0017—2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》和NACE SP0169—2007《埋地或水下金属管道系统的外腐蚀控制》的要求，提出控制杂散电流干扰腐蚀的原则：统一规划，综合治理，分别实施。即由政府相关部门牵头成立跨部门的杂散电流防护工作协调小组，干扰源方、被干扰方、第三方机构和专家等加入工作小组，建立长效的联席办公机制，统一规划杂散电流的防护工作，开展综合治理工作，然后由各单位分别实施，尤其是杂散电流的产生单位应减少杂散电流向外泄漏。
    从技术角度，城市燃气管网常用的杂散电流防护方法如下：
    ① 排流保护，即在管道和铁轨之间设计并安装适当电阻的电连接，这种连接可以从管道向铁轨方面排出干扰电流。但是由于铁路方面担心对铁路的安全运行造成影响，因此该方法在实际中较难操作。这时可以直接接地排流，需要埋设接地床。在接地排流时，如果出现波动电流，可在电连接时配以二极管一类的单向控制装置，防止电流的反向流动。
   ② 牺牲阳极保护，即在燃气管道上找出泄漏电流点，然后安装牺牲阳极，向管道施加阴极保护电流。
    ③ 调整管道路由以避开干扰源，或者将钢质管道更换为聚乙烯管道。
    ④ 在管道中正确设置绝缘接头。
    ⑤ 在吸收电流区域使用良好的外防腐层。
在完成杂散电流的排流工作后，还应进行排流效果评定测试，以检测排流工程的实施效果，同时要加强排流系统的维护管理工作，使其正常运转，保护埋地钢质管道的安全运行，保障城市公共安全。
参考文献：
[1] 胡士信.煤气管道杂散电流干扰及排流保护[J].煤气与热力，1996，16(1)：23-29.
[2] 刘颖，曹备.杂散电流对埋地管道阴极保护体系干扰的研究[J].煤气与热力，2003，23(1)：7-10.
[3] 程善胜，张力君，杨安辉.地铁直流杂散电流对埋地金属管道的腐蚀[J].煤气与热力，2003，23(7)：435-437.
[4] 曹阿林，朱庆军，侯保荣，等.油气管道的杂散电流腐蚀与防护[J].煤气与热力，2009，29(7)：B06-B09.
[5] (德)贝克曼W V，施文克W，普林兹W，等.阴极保护手册——电化学保护的理论与实践[M].胡士信，王向农，译.3版.北京：化学工业出版社，2005.
[6] 胡士信.阴极保护工程手册[M].北京：化学工业出版社，1999：255.
 
(本文作者：罗彬 刘建辉 深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518040)