埋地油气管道杂散电流检测与防护.pdf

第 2 2卷第 4期 2 0 1 4年 1 2月 北京石油化工学院学报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c h e m i c a l Te c hn ol o gy Vo 1 ． 2 2 No ． 4 De e ． 2 0 14 埋地油气管道杂散电流检测与防护 李 明 ， 王晓霖 ， 蒲宏斌 ， 李天成。 ， 杨静 ， 陈天佐 1 ． 中国石化抚顺 石油化工研究院 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 ． 中国石化天然气分公司 ， 北京 1 0 0 0 1 1 ； 3 ． 中国石化天然气分公司榆济管道公 司， 山东 济南 2 5 0 0 0 0 摘要 随着我 国长输 油气管道里程 的不断 增长 ， 杂 散 电流引起 的管 道腐蚀 问题 越来越 被人 们所关 注 。基 于国内外 杂散 电流 的研究成果 ， 分析了杂散 电流 的腐蚀机理 ， 介绍 了常见的杂散 电流 干扰源及其 可 能造成的严重危害 ， 阐述了油气管道 杂散 电流判 据和 常用 的工程 测试方 法 ， 总结 了杂散 电流 防护措 施 。通过工 程实例分析了油气管道杂散 电流 的判 断、 检测 、 排 流改造及效果 。通过对杂散 电流进行研究 分析 ， 找 出主要 问题 ， 探索解决方案 ， 降低杂散电流影响 。 关键词 埋地油气 管道 ；杂散电流腐蚀 ；杂散 电流检测 ；杂散 电流 防护 中图分类号 TE 9 7 3 ； TE 8 8 文献标志码 A 近年我国在能源 、 电力以及交通领域取得 了飞速发展， 这也使得铺设埋地油气管道极易 与高压输电网、 机动轨车等产生平行或交叉 ， 部 分 区段甚至出现 了输电线路 、 铁路和埋地油气 管道集中的走廊现象 ， 由此造成 的埋地油气管 道 杂散 电流干扰 越来 越严 重 。如 果埋 地油 气管 道防腐层出现破损 ， 杂散 电流会流人管道通路 并 引起 管道 腐蚀 ， 同时干 扰管 道 阴极保 护 系统 ， 从 而造 成 经济损 失 甚至 引发 严重 的安 全事 故 和 环 境污 染 。 常规检测技术无法较好地检测油气管道的 杂散 电流 ， 而盲 目选择干扰防护不仅无法起 到 积极的减缓作用 ， 还有可能加速腐蚀 。因此 ， 针 对 埋地 油气 管道 杂散 电流干 扰检测 与防护 开展 研究是 当前管道保护的重要课题之一 。 1 杂散 电流腐蚀 1 ． 1 杂散 电流 腐蚀 机理 及 其危 害 杂 散 电流指 流 动在规 定 或设计 电路之 外 的 电流 ， 其流出于规定 回路某处 ， 通过大地 、 水 等 媒介传输至其他地方后流回规定电路口 ] 。如果 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 1 8 基金项 目 中国石油化工集 团公 司资助项 目 3 1 3 0 4 2 。 作者简介 李 明 1 9 8 2 一 ， 男 ， 博士 ， 工 程师 ， 研究 方向为 金属 腐蚀检测 与防护， E ma i l u p c l mm1 2 6 ． c o rn。 油气管道位于杂散 电流流动的地方 ， 由于金属 相比于媒介电阻较小 ， 杂散电流会流过管道通 路 。杂散 电流 流过 管道 时 由于 电位 差会 形成 腐 蚀 电池 ， 从 而 在 电流流 入 处 形成 阴极 区并 发 生 阴极 反 应 ， 而 在 电流流 出处形 成 阳极 区并 发 生 阳极 反应 。阳极反 应 即为管 道金 属失去 电子 被 氧化而发生腐蚀， 即杂散 电流腐蚀 ， 而阴极反应 通常随管道外界环境而有所不 同心 ] 。 管道 杂散 电流 腐蚀 归属 于 电化 学反 应 中的 电解作用 ] 。为了从本质上分析杂散电流腐蚀 的机 理 ， 国 内外学者 提 出 了许 多理论 ， 如 尼 尔森 提 出了交 流杂 散 电流碱 化机理 和振 动模 型[ 4 ] ， 但这些理论 只能解释特定条件下的杂散 电流腐 蚀行 为 ， 无 法 诠释普 遍 现象 。 杂散 电 流的流 动过 程形成 了 2个 由外加 电 位 差 建 立 的腐 蚀 电池 ， 从 而 加速 了金 属管 道 的 腐蚀 。杂 散 电流正 电荷 从土壤 进 入金属 管道 的 区域 ， 其电位较高， 属于腐蚀 电池的阴极区， 阴 极 区一般 不会 受到 影 响 ， 当阴极 区电位 过大 时 ， 管道会发生消耗电子的阴极还原反应 ， 表面会 析氢 。杂散 电流流 出管道经 土壤返 回电流源 时 ， 管道流出电流的区域电位相对较低 ， 属于腐 蚀 电池 的 阳极 区 ， 发 生金 属 原 子放 出电 子转 变 成离子态的阳极氧化反应。 阳极极 化 阶段 主 要发生 F e的 阳极溶 解 5 O 北京石油化工学院学报 2 0 1 4年第 2 2卷 反 应 Fe } Fe 。 2 e 在 中性 或 碱 性 土 壤 中 ， F e 和 OH一生 成 Fe OH 2 F e 2 O H F e OH 2 F e OH 。 在 0。和 H。 O 的作 用 下 将 生成 难溶 的 F e OH 。 4 Fe OH 2 4 - O2 4 - 2 H 2 O 4 F e OH 3 F e OH 。 不 稳定 ， 会发 生 以下转 化 F e OH 3 一F e OOH Fe OH 3 Fe 2 O33 H2 O F e 2 O3 3 H 2 O 其中， F e OOH为赤色腐蚀产物 ， F O 。3 H。 O 则 呈 黑 色 ， 经 干 燥 脱 水 后 转 化 为 黄 褐 色 的 F e OI 。 无杂 散 电流 时 ， 土 壤腐 蚀 电池 两 极 的 电位 差仅为 0 ． 3 5 V， 而有杂散 电流时管地电位会高 达 8 ～9 Vl 7 ] ， 使得杂散电流腐蚀强度高且速度 快 ， 对埋地油气管道的使用寿命 和安全运行产 生很大影响 。杂散 电流腐蚀的严重程度遵循法 拉 第定 律 与流 出的杂 散 电流量 成正 比， 与金属 材 料 的电化 学 当量成 正 比 ， 与 金属 材 料 的 电化 学 当量 成正 比 ， 即 NI t m一 式 中 优 杂散 电流 造成 的金属 腐蚀 量 ， g ； N 管 道金属 的原 子质量 ； 杂 散 电流强度 ， A； 杂散 电流对受影响管道 的作用时 间 流 出的时 问 ， S ； F 法拉第常数。 杂散电流在单位面积的管体上产生腐蚀的 速度 表示 为 V 一 一 I 因此 ， 可以计算理论上 1 A 的杂散 电流在 一 年 内可以腐蚀溶解钢铁大约 9 k g ， 但实际土 壤中在管道上引起的杂散电流也可达数十甚至 数百安培 ， 当流出的面积较小时 ， 管道局部杂散 电流腐蚀 速 度 非常 迅猛 ， 因而 壁厚 达 7 ～ 8 mm 的钢管在数月 内即可导致腐蚀穿孔 。如果埋地 油 气管 道 的外 涂 层 发 生破 损 ， 涂 层 破损 处 的管 道接地阻抗会急剧下降， 所 以杂散 电流腐蚀经 常集中于埋地管道涂层缺陷处。 此外， 杂散电流也会影响管道 的阴极保护 效率。埋地油气管道在无杂散 电流干扰时 ， 可 以使用传统的～8 5 0 mV C S E， 以下相 同 极化 电位判 据 和 一1 0 0 mV 极 化判 据 评 判 其 阴极 保 护系统， 但若存在杂散 电流干扰 ， 则保护电流密 度和腐蚀电流密度都会大幅增加 ， 进而对阴极 保护 系统 产 生 不 同程 度 的影 响 。研究 表 明 ， 埋 地管道受到交流杂散电流干扰时， 尽管其管地 电位满足传统 的一8 5 0 mV 准则 ， 仍会 发生交 流腐 蚀 j 。 1 ． 2杂 散 电流的分 类 和主要 来源 杂散 电流 干 扰来 源 较 多 ， 依 据 干 扰 电流 性 质 可 归类 为 交 流 电 流干 扰 、 直 流 电流 干 扰 和地 电流干 扰Ⅲ 9 ] 。交流 电流 干扰通 常 是 由交 流 电流 的传输 、 感应和接地引发， 如交流 电气铁路 、 高 压输电线路等。直流电流干扰通常发生于工作 电路 或 电力 设 备 中需 要 多处 接 地 的境 况 ， 如直 流 电气铁路 、 阴极保护系统 以及其他直流用 电 器等 。地 电流干扰 主要是 由地磁场 变化感 生 出 ； 此 外 ， 大 气 中 离子 转 移 产 生 的 空地 电流 、 地 中的物质和温度不均匀引起的电动势以及各种 宏电池 形 成 的 电位 差 等 均 可 引发 自然 地 电 流[ 9 j 。地电流对 埋地油 气管道 的干扰 变化较 大 ， 通 常地 磁 场 变 动 引 发 的地 电 流 约 为 2 u A／ m 左右 ， 对管道腐蚀危害相对较小， 但不同的 宏 电池可 产生 0 ． 2 ～0 ． 4 V 的电位 差 ， 应 当给 与 相应 的重 视 。 依据造成电流干扰 的类型 ， 杂散 电流分为 静态 电流 干扰 和动态 电流干扰 ] 。静 态 电流 干 扰往 往是 因为 遭受 到外 界其他 电流 的干 扰而 产 生 ， 如阳极地床、 输配电系统等 ； 动态 电流干扰 多来 自轨道输运系统， 如 电气轨车 。 2 杂散 电流判据及其检测 2 ． 1 杂散 电流 的判断标 准 管 道杂散 电流干扰 首先 可通 过腐蚀 发 生处 的腐蚀形貌和产物 以及土壤环境来进行判别。 管 道 发 生杂 散 电 流腐 蚀 时 ， 腐 蚀表 面较 为 平滑 且边缘齐整 ， 腐蚀产物呈炭黑色细粉形 ， 而 自然 腐 蚀锈 层疏 松 ， 表面较 粗糙 且边缘 不 齐整 ； 同 时 杂散 电 流 腐 蚀 在 较 高 土 壤 电 阻 率 环 境 中 1 0 0 0 0 Q c m 难 以发 生 ， 而 自然 腐 蚀 几 乎 在 所有 土壤 环境 中均 可发 生 。 对直 流杂 散 电流腐蚀 ， 欧 洲标 准 B S E N 5 0 1 6 2 --2 0 0 4 { 直流系统中杂散电流引起腐蚀的 第 4期 李 明等 ．埋 地油 气管 道杂 散 电流检 测 与防护 5 1 防护 中指 出可 以依据 管 地 电位偏 移 、 管地 电位 波 动 、 管 中电流 以及 地 电位梯 度方 法进 行评 判 。 其 中对 管地 电位 偏 移 ， 不 同 国家 标 准 规定 亦 不 同 英 国规定 埋地 管 道 的管 地 电位 正 向偏 移 2 O mV为存在干扰 ， 德国采用埋地管道管地电位 正 向偏 移 1 0 0 mV， 而 日本 则规 定埋 地 管道管 地 电位正 向偏移 5 0 mV。我 国石油天然气行业标 准 中对 通过 管地 电位偏 移 和地 电位 梯度 指标 对 直流杂散电流腐蚀判别进行了规定l_ 1 ， 若管道 管地 电 位 相 比 于 其 自然 电 位 正 向 偏 移 超 过 2 0 mV或者 管 道附 近地 电位梯 度 大 于 0 ． 5 mV／ I n ， 可 以认 定 有直 流干 扰 ； 而 当管 道管 地 电位 正 向偏移超过 1 0 0 mV或管道附近地 电位梯度大 于 2 ． 5 mV／ m 时 ， 应 及 时 采 取 排 流 等 防 护 措施 。 对交流杂散电流腐蚀， 目前国外主要从人身 安全与管道腐蚀 2个角度进行研究 。德国标准 D I N C E N ／ T S 1 5 2 8 0 -- 2 0 0 6 地下 管 道交 流腐 蚀 概率 的评定 一应用 于阴极 防护管道 中规定 ， 安 装 有 阴极保 护系统 的埋 地管线 ， 当阴保 电位符合 保 护 电位要求 时 ， 可 以通 过交流 电流与 阴保 电流 的 比值来评判管道是否存在交流杂散电流腐蚀危 害 ， 如表 1所示 ， 同时 还 可 以计算 交 流 电流 密 度 来判断交流干扰的程度， 如表 2 所示。我国对交 流排流保护的石油天然气行业标准要求管道实 施排流后 ， 干扰 电流 电位在碱性土壤中不大于 1 0 V， 中性 土 壤 中不 大 于 8 V， 酸性 土 壤 不 大 于 6 V口 ， 国内新制定的国家标准也采用了交流 电 流密度作为评价交流干扰大小指标 ， 其中规定当 管道 上任意 一点 的交 流干扰 电压都 小 于 4 V 时 ， 可以不实施 交流干扰 防护 ； 高于 4 V 时应 当利 用 交 流 电流密 度对其评估 口 。 表 1 交 直流 电 流 密 度 比 与 交 流 干 扰 可 能 性 关 系 交流干扰可能性 ／ A C ／ I D C 发生交流腐蚀的可能性很小 。 应 该 采 取 减 轻 交 流 腐 蚀 的 措 施 ～ 表 2交 流 干 扰 程 度 指 标 交流干扰程度 弱 自 强 交流 电流密度／ A m 1 0 0 2 ． 2杂散 电流检 测 方法 杂 散 电流检测 主要 包 括杂 散 电流确认 测 试 和干扰源定位测试。传统的杂散电流测试方法 包 括 管 地 电位 偏 移 测试 法 、 管 地 电位 波 动 连续 监测 、 地电位梯度测试、 电压和电流检查及腐蚀 挂片测量等多种手段 。 现代杂散电流测试技术已向智能化测试发 展 。目前 ， 使用较多且 较先进 的杂散电流干扰 测试仪是英 国雷迪公司研制的杂散电流智能测 试 仪 S t r a y C u r r e n t Ma p p e r ， S C M l 1 。他 可 以实现管道 电流流入点、 流出点的准确定位， 干 扰 防护 效果 确定 ， 管 道 阴保 电流分布检 测 ， 管地 电位 和干扰 电流 同步 检测 ， 动 、 静 态杂 散 电流干 扰测量， 评价 杂散 电流干扰而为排流防护提供 依据等多项功 能_ 】 。相 比其他 杂散 电流干扰 测 试技 术 ， S C M 在 动 、 静 态 杂 散 干 扰 上 具 有 巨 大的优势， 但 S C M 仪器 目前在 现场应用时还 缺 乏 相应 的评 价 标 准给 与 支撑 ， 检 测 人 员较 多 都依靠测量管地电位和干扰 电流的波动大小来 判 断 干扰 程 度 ， 因此 检测 过 程对 检 测 人 员要 求 较 高 ， 同时该 仪 器 价 格 较 为 昂贵 。 国 内近 些 年 也 对 杂 散 电 流智 能 测 试 技 术 进 行 了大 量 的研 发 ， 如 中 国 科 学 院 金 属 研 究 所 研 制 的 S C M一 4 2 0 0型智 能杂散 电流测量 仪等 1 ， 尽 管这些 仪 器部 分 程 度 的 可 以满 足实 际需求 ， 但 还 需 要 做大量的实践检验和完善工作。目前国外检测 仪器的价格整体较高 ， 而 国产仪器 尚无法完全 满足实际应用需求 ， 因此现场仍较多采用传统 方法进行杂散 电流测试 ， 效果不是很理想。 3 管道杂散 电流腐蚀防护 3 ． 1 避 开干 扰源 管道在勘察设计阶段就应做好杂散 电流防 护工作 ， 即在 满足设计 的安全要求前提 下避 开可 能的 电流 干扰 源 ， 如工 厂 、 输 电线 网 、 铁 路等 ； 对 已经遭受 电流 干扰 的管 段应 当加 设绝 缘法 兰等 装置， 从而将干扰段管与其他管段分隔。输气管 道工程设计标准中规定 引， 除管道专用 的隧道 和桥梁外 ， 线路严禁通过铁路和公路的隧道、 桥 梁 、 大型客运 站 和变 电所 等 ； 交 流排 流 保 护行 业 标 准 中规 定l 1 ， 管道与 1 0 k V或 3 5 k V高压输 电 线 排流点距 离 2 ． 5 m， 而与 I 1 0 k V 和 2 2 0 k V 的 高压输电线排流点距离 1 5 m和 3 0 m。 3 ． 2 排流 保护 排流保护是利用排流设备将管道上的杂散 电流引回电气设备或引至接地极 ， 从而改变管 5 2 北京石油化工学院学报 2 0 1 4年第 2 2 卷 道极性来达到保护 目的。排流保护根据电气回 路 的连接方式可分为直接排流、 极性排流、 强制 排流和接地排流 。排流施工完成后可通过排流 前后管道正电位平均值 的变化来判断管道排流 效果 ， 平均值计算时取点不少 于 3个且应包含 排流点 、 干 扰最大 点 和最小 点口 。 3 ． 3 阴极 保护 阴极保护法是利用电化学方法原理来使被 保护的管道处于阴极 电位。阴极保护法可以采 用牺牲 阳极或者强制电流 2种方式。阴极保护 法适用 范 围较 为 广 泛 ， 如埋 地 管 道 、 梁 桥 、 热 交 换器等均可适用 。 3 ． 4杂 散 电流 监测 必须长期对管道进行杂散 电流监测 ， 随时 掌握油气管道杂散电流变化， 根据监测结果及 时调 整和 更新 防护措 施 。 4 工程实例 1 某输气管道与 1 1 0 k V高压输电线路近 距离伴行约 6 k m， 其 中间距最近处 只有 5 m。 管 道 日常 检 测 中发 现 该段 阴保 电位 异 常 ， 怀 疑 存在交流干扰 。依据管道交流干扰防护国家标 准对 该管 段 进 行 交 流 干 扰 测 试 l_ 】 。测 试 结 果 表明， 极化电位满足管道阴保电位要求 ， 但管地 交流电位全部超过 4 V， 最高达到 2 7 V； 交流电 流 密度 计 算 表 明 ， 个 别 测试 桩 交 流 电 流密 度 高 于 1 0 0 A／ m ， 交 流 干扰 程 度 为 “ 强 ” ， 必 须 采 取 相 应交 流 干 扰 防护 措 施 ； 部分 测 试 桩 的交 流 电 流密度大于 3 O A／ m ， 依据标准其交流干扰程 度 为“ 中” ， 宜 采取 相应 的防护 措施 。 为确保管道安全正常运行， 对 已确认受到 交 流干扰 影 响和危 害 的管段 采取 了排 流 防护 措 施 。通过在干扰段管段测试 桩处敷设水 平锌 带 ， 并将锌 带通过固态去耦合器连接至管道的 方 式进行 了排 流 防护 。排流 防护施 工 结束后 进 行 杂 散 电流 检 测 ， 管地 交 流 电位 显 著 下 降并 满 足相 关技 术 标 准 ， 同时交 流 电流密 度 亦 满足 技 术要求 ， 达到排流防护要求 ， 很好地解决了干扰 段管道的交流干扰 问题 。 2 某输 气 管 道 H常检 测 发 现 管 道 的管 地 电位 长 期波 动 很 大 ， 推 断管 道 受 到较 强 的 杂散 电流 干 扰 ， 进 而影 响 管 道 阴极保 护 系统 的正 常 运行 。现 场调研 发现 该输气 管 道与一 成 品油管 道同沟敷设并通过均压线进行联合保护， 同时 输气管道与另一燃气管道存在交叉和并行 。此 外 ， 该输气管道 与高铁并行 ， 间距 6 O ～2 0 0 m， 在此 区段内管道还与地铁线路存在平行 ， 间距 约 2 ． 4 k m， 平 行 范 围 约 3 k m。管 地 电位 监 测 发现地铁运 营时间段 内， 管道保护电位波动较 大 ， 波 动 范 围为 3 0 0 ～ 一 1 5 0 0 mV， 电位 波动 最大点处地 电位梯度高达 3 ． 6 mV／ m。由干扰 时 间规律初 步 判定 干扰源 来 自于地铁 线 路 。在 干扰段利用 S C M 智能杂散电流测试仪进行管 中 电流 检测 ； 首先 通 过 检测 电流 强度 初 步 判定 杂散 电流流人 区域 ， 进一步通过地电位梯度及 杂 散 电流 强 度 检 测 确 定 准 确 的杂 散 电 流 流人 点， 确定出杂散电流是通过高铁轨道接地极流 入到 管道 。通过 S C M 测 试 软件 进 行 电流 相似 度分析 ， 确定出干扰源为地铁供电系统直流电 流 。 由此 得 出检 测结 果 ， 地铁 线 路 供 电系 统 直 流电流引起的杂散 电流， 经高铁路轨长距离传 输 至输气 管道 附近 流 出 ， 经大 地传输 流入 输气 、 成 品油 及 燃气 管 道 ， 对 这 些 管道 形成 强烈 的动 态杂散电流干扰。由 S C M 检测结果制定 出相 应保 护措 施 ， 即在输 气 管道干 扰 区段布 置锌 带 ， 并将锌带连接 到管道上形成屏蔽网； 屏蔽 网要 一 同覆盖成品油管道及燃气管道， 形成全面保 护 ， 从而成功解决了管道的动态杂散电流干扰。 5 结论 埋地 油气 管 道 杂散 电流 防 护 ， 首 先 要 做 好 前期杂散 电流源头控制 ， 其次要综合利用各类 不 同检 测 、 监 测 的判断 方法 ， 系统 分析 和考 虑导 致杂散电流腐蚀的各种因素并制定 防护措施。 因此 ， 采 用科 学合 理 的预 防措 施 、 有效 的检 测和 监测技术以及综合治理方法是解决油气管道杂 散 电 流腐蚀 的重 要手 段 。管 道 完整性 管理 已经 成为管道储运行业发展的必然趋势 ， 也是我国 油气管道建设和管理 国际化发展 的必然要求。 管 道 杂散 电流检 测 防护 的各 项技 术都 要 汇入管 道 完 整 性管 理 技 术 当 中 ， 尤 其 是 管道 完 整性 管 理数据库和相应信息平 台的建立 ， 这样可使同 一 检测方法在不同时期对同一检测点的杂散电 流数 据 具有 较 大 的 可 比性 ， 从 而较 好 的排 除检 测 中的一些不确定因素 ， 有助于埋地管道腐蚀 防护 分析 。 参考 文献 [ 1 ] 姜长洪 ， 于婉丽 ， 吴星 刚， 等．输油 管道腐蚀 与杂 第 4 期 李明等 ．埋地油气管道杂散电流检测与防护 5 3 [ 2 ] [ 3 ] E 4 ] E s ] [ 6 3 [ 7 ] [ 8 3 散电 流 测 量 [ J ] ． 管 道 技 术 与 装 备 ， 2 0 0 4 I 1 0 1 2． 宋吟蔚 ， 王新 华 ， 何 仁 洋 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a nd ha r mf u l e f f e c t of s t r a y c ur r e nt we r e i n t r od uc e d ． Th e t e s t m e t h od a nd c r i t e r i on of s t r a y c u r r e nt f or bu r i e d p i p e l i n e s we r e s u mma r i z e d ．Two c a s e s we r e p r e s e n t e d t o i l l u s t r a t e t h e d e t e c t i o n a n d j u d g me n t me t h od s，a s we l l a s t h e r e d uc t i o n o f s t r a y c u r r e nt on bu r i e d o i l g a s p i pe l i ne s ．Th e r e s e a r c h a nd a n a l ys i s o f s t a y c ur r e n t we r e be n e f i c i a l f o r a dd r e s s i n g of t he ma i n i s s u e s a nd s o l ut i o ns t o de c r e a s e t he s t r a y c ur r e n t ． Ke y wo r d s b u r i e d o i l g a s p i p e l i n e ；s t r a y c u r r e n t c o r r o s i o n；s t r a y c u r r e n t me a s u r e me n t ；s t r a y C I 1_13 r r e n t r e d L 1 c t i o n