油气管道的杂散电流腐蚀与防护

摘 要

摘要：阐述了杂散电流对油气管道腐蚀的基本原理、特点，针对杂散电流的特点，提出了防止杂散电流对油气管道腐蚀的措施。关键词：杂散电流；油气管道；排流保护Stray Current Corrosion
摘要：阐述了杂散电流对油气管道腐蚀的基本原理、特点，针对杂散电流的特点，提出了防止杂散电流对油气管道腐蚀的措施。
关键词：杂散电流；油气管道；排流保护
Stray Current Corrosion on Oil and Gas Pipeline and Its Protection
CAO A-lin，ZHU Qing-jun，HOU Bao-rong，ZHANG Sheng-tao
Abstract：The basic principle and characteristics of stray current corrosion on oil and gas pipeline are explainrd.Aimed at the characteristics of stray current，the measures for protecting oil and gas pipeline from stray current corrosion are put forward.
Key words：stray current；oil and gas pipeline；electrical drainage protection
    随着我国能源和交通工业的发展，我国油气管道与电力线路、电气化铁路的里程迅速增加。由于地理位置的限制，在油气管道与电力线路、电气化铁路的设计和建设过程中不可避免地出现了并行敷设的情况。由电力线路、电气化铁路产生的杂散电流会对油气管道产生巨大的危害。辽河油田到鞍山化肥厂的天然气管道在投产14个月后就出现多起杂散电流引起的腐蚀穿孔事故，被迫长时间停产，开挖大修。郑州煤气公司在某电厂附近的一段输气管道受电厂杂散电流的影响，也多次出现穿孔泄漏，严重威胁管道和人身的安全。由此可见，杂散电流对油气管道会产生强烈腐蚀作用。因此，开展杂散电流引起的油气管道的腐蚀与防护研究，对保障油气管道的安全运行具有十分重要的意义。
1 杂散电流的形成
    杂散电流是指在规定电路或意图电路之外流动的电流，又称迷走电流[1]。杂散电流主要表现为直流电流、交流电流和大地中自然存在的地电流3种状态，且各自具有不同的特点。直流杂散电流主要来源于直流电解设备、电焊机、直流输电线路；交流杂散电流主要来源于交流电气化铁路、输配电线路系统，通过阻性、感性和容性耦合在相邻的管道或金属体中产生交流杂散电流，但交流杂散电流对铁腐蚀较轻微，一般为直流腐蚀量的1%；由于地磁场的变化感应出来的地杂散电流，一般情况下只有约2μA/m2，从腐蚀角度看并不重要。以电气化铁路车辆直流供电牵引系统产生的直流杂散电流是造成油气管道杂散电流腐蚀的主要原因。
    在电气化铁路车辆直流供电牵引系统巾，列车所需要的电流由牵引变电所提供，通过架空线向列车供电，然后经行走轨回流至牵引变电所。理想情况下行走轨电阻为0，行走轨对大地的泄漏电阻无穷大，此时经行走轨回流的电流等于牵引电流，即所有的电流都经行走轨回流至牵引变电所。但实际上行走轨的电阻不为0，当有电流通过时就形成了电位差，并且行走轨对大地的泄漏电阻也不会为无穷大，这就不可避免地造成了部分电流不经行走轨回流，而是流入大地，然后通过大地回流至牵引变电所。若铁路附近有导电性能较好的埋地金属管道(燃气管道、输油管道、供水管道等)，则部分电流会选择电阻率较低的埋地金属管道作为电流回流路径，从牵引变电所附近的管道中流出流回牵引变电所。杂散电流形成原理见图1，杂散电流形成原理等效电路见图2。
 

    由图2可知：
式中Is——杂散电流，A
     It——牵引电流，A
     Rr——行走轨电阻，Ω
     Rt——负荷端与大地之间的泄漏电阻，Ω
     Rs——变电所与大地之间的泄漏电阻，Ω
     R——土壤的横向电阻，Ω
     ρ——土壤电阻率，Ω·m
     l——负荷端与变电所之间的距离，m
     A——土壤的横向面积，m2
由于A趋向无穷大，因此R趋向于零。
则式(1)可以简化为：
 
   由式(3)可知，在牵引电流一定的情况下，杂散电流随着行走轨电阻的增大而增大，随着泄漏电阻的增大而减小。
杂散电流流入土壤以后就会产生地电场，土壤中不同地电位之间便有电流流动，两个不同区域之间电位差越大，电流就越大。当土壤全部都是均匀的介质时，电流分布也相对均匀。如果土壤中埋置有油气管道时，管道中的杂散电流密度与土壤中的杂散电流密度之比见式(4)[2、3]：
 
式中j0——管道中的杂散电流密度，mA/m2
    j——土壤中的杂散电流密度，mA/m2
    δ——管壁厚度，mm
    D——管道内径，mm
    ρ0——管道电阻率，Ω·m
    因为ρ＞＞ρ0，所以杂散电流基本上沿油气管道流动，不再流经土壤。
2 杂散电流的腐蚀原理
    杂散电流进入金属管道的地方带负电，这一区域称为阴极区，处于阴极区的管道一般不会受影响，若阴极区的电位值过大时，管道表面会析出氢，而造成防腐层脱落。当杂散电流经金属管道回流至变电所时，金属管道带正电，成为阳极区，金属以离子的形式溶于周围介质中而造成金属体的电化学腐蚀。因此杂散电流的危害主要是对金属管道、混凝土管道的结构钢筋、电缆等产生电化学腐蚀，其电化学腐蚀过程发生如下反应：
   ① 析氢腐蚀
   阳极反应：
   2Fe→Fe2++4e-
    在无氧酸性环境中的阴极反应：
   4H++4e-→2H2↑
    在无氧中性、碱性环境中的阴极反应：
    4H20+4e-→4OH-+2H2↑
   ② 吸氧腐蚀
   阳极反应：2Fe→2Fe2++4e-
   在有氧酸性环境中的阴极反应：
   02+4H++4e-→2H20
    在有氧中性、碱性环境中的阴极反应：
   02+2H20+4e-→0H
    当油气管道受到杂散电流电化学腐蚀时，金属腐蚀量和电量之间符合法拉第定律[4]：
    m=KIt    (5)
式中m——金属腐蚀量，g
    K——金属的电化学当量，g/(A·h)，铁取1.047g/(A·h)
    I——杂散电流，A
    t——时间，h
    利用式(5)可以对杂散电流的危害作出大概的估计。经计算，1A的杂散电流可以在1年内腐蚀掉9.13kg的钢铁。
    杂散电流腐蚀具有局部集中特征，当杂散电流通过油气管道防腐层的缺陷点或漏铁点流出时，在该部位管道将产生激烈的电化学腐蚀，短期内就可以造成油气管道的穿孔事故。防腐层的缺陷点或漏铁点愈小，相应的电流密度愈大，杂散电流的局部集中效应愈突出，腐蚀速度愈快。
3 杂散电流的防护
    由于杂散电流对油气管道的安全存在着极大威胁，因此必须采取相应的措施对杂散电流进行防护。对杂散电流的防护应从以下两个方面着手：从源头上控制杂散电流的形成，减小杂散电流；对已产生的杂散电流采取排流或者其他方法降低杂散电流对油气管道的腐蚀危害。
3.1 从源头上控制杂散电流的形成
    由于行走轨本身具有电阻，当有电流流过时，就会产生电位差，而且行走轨对地的泄漏电阻不可能无穷大，因此会产生杂散电流。由式(1)可知，当牵引电流一定时，杂散电流随着行走轨电阻的增大而增大，随着泄漏电阻的增大而减小，因此要从源头上控制杂散电流的形成，必须减小行走轨电阻、增大泄漏电阻，可以采取以下几种方法：
    ① 增加单根行走轨的长度，减少行走轨间的电阻。单根行走轨越长，行走轨之间的接头越少，行走轨的电阻就越小，从行走轨向外流失的杂散电流就越少。
    ② 各段行走轨之间都应有畅通的电气连接，以减少行走轨之间的接缝电阻，保证低电阻的回流路径。
    ③ 缩短供电半径，增设变电所。当供电半径缩短以后，供电网络的电压降随之而降低，行走轨上的电位差也随之而降低，因此流过油气管道的杂散电流就会减少。
    ④ 增加行走轨对地的泄漏电阻。枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层，行走轨采用点支撑。
    ⑤ 增大油气管道的电阻。油气管道外部的覆盖层要求完整无针孔，与金属管道结合牢固，增大管道的电阻，减小杂散电流的流入量。
3.2 排流防护措施[5]
    把油气管道中流动的杂散电流直接流回至电气化铁路的行走轨，需要将油气管道与铁路的行走轨用导线做电气上的连接，这一做法称为排流法。利用排流法保护油气管道不受杂散电流的危害，称为排流防护措施。排流保护法可以分为直接排流法、极性排流法、强制排流法和接地排流法。
    ① 直接排流法。把油气管道与电气化铁路的负极或行走轨用导线直接连接起来。这种方法不需要排流设备，简单，造价低，排流效果好。但当管道的对地电位低于行走轨对地电位时，行走轨电流将流入管道内而产生逆流。因此这种排流方法只适合管地电位永远高于轨地电位、不会产生逆流的场所，而这种机会不多，限制了该方法的应用。
    ② 极性排流法。由于负荷的变动，变电所负荷分配的变化等，管地电位低于轨地电位而产生逆流的现象比较普遍。为防止逆流，使杂散电流只能由管道流入行走轨，必须在排流线路中设置单向导通的二极管整流器、逆电压继电器等装置，这种装置称为排流器，这种防止逆流的排流法称为极性排流法。极性排流法安装方便，应用广泛。
    ③ 强制排流法。就是在油气管道和行走轨的电气接线中加入直流电流，促进排流的方法。在管地电位正负极性交变，电位差小，且环境腐蚀性较强时，可以采用此防护措施。通过强制排流器将管道和行走轨连通，杂散电流通过强制排流器的整流环排放到行走轨上，当无杂散电流时，强制排流器给管道提供一个阴极保护电流，使管道处于阴极保护状态。强制排流法防护范围大，铁路停运时可对油气管道提供阴极保护，但对行走轨的电位分布有影响，需要外加电源。
    ④ 接地排流法。此法与前3种排流方法不尽相同。管道上的排流电缆并不是直接连接到行走轨上，而是连接到一个埋地辅助阳极上，将杂散电流从管道上排出至辅助阳极上，经过土壤再返回到行走轨上。接地排流法使用方便，但效果不显著，需要辅助阳极，还要定期更换辅助阳极。
4 结语
    杂散电流会对油气管道产生电化学腐蚀危害，严重威胁到油气管道的运行安全，缩短油气管道的使用寿命，因此必须采取防护措施对杂散电流产生的电化学腐蚀进行控制，减少对油气管道的危害。首先，要从源头上控制杂散电流的形成，减小杂散电流；其次，对油气管道采用合适的排流方法进行排流。虽然杂散电流对油气管道带来了很多危害，但是只要采取合理有效的防护措施，就能减少其对油气管道的危害，达到防护与治理的目的。
参考文献：
[1] 唐明华.油气管道阴极保护[M].北京：石油工业甘版社，1986.
[2] 马洪儒.北京地下铁道的杂散电流腐蚀与防护[J].城市轨道交通，1990，(1)：11-19.
[3] 朱孝信.地铁的杂散电流腐蚀与防治[J].材料开发与应用，1997，12(5)：40-97.
[4] 俞蓉蓉.地下金属管道的腐蚀与防护[M].北京：石油工业出版社，1998.
[5] 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.
 
(本文作者：曹阿林1、2 朱庆军2 侯保荣2 张胜涛1 1.重庆大学化学化工学院 重庆 400030；2.中国科学院海洋研究所 山东青岛 266071)