油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展.pdf

2015 年 第 6 期Pipeline Technique and Equipment 2015 No． 6 收稿日期2014-11-25 收修改稿日期2015-06-20 油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展 孙云峰1,李 毅2,王中良1,梁 晶3 1.中石油北京油气调控中心,北京 100007;2.中石油西南管道公司,四川成都 610041;3.中石油规划总院,北京 100083 摘要以国内外油气管道直流杂散电流腐蚀的研究成果为基础,分析了直流杂散电流腐蚀的机理、 特点,列举了国内外直流杂散电流腐蚀测试方法,同时总结了目前直流杂散电流腐蚀的防护技术与防 护方案。 基于国内外对直流杂散电流腐蚀的研究进展,通过对比分析,提出了测试与防护的相关建议。 关键词油气管道;直流杂散电流;测试;防护措施;腐蚀 中图分类号TE988 文献标识码A 文章编号1004-9614201506-0034-03 Development of DC Stray-current Corrosion Protection Study on Oil and Gas Pipeline SUN Yun-feng1, LI Yi2,WANG Zhong-liang1,LIANG Jing3 1.PetroChina Oil and Gas Pipeline Control Center,Beijing 100007,China; 2.PetroChina Southwest Pipeline Company,Chengdu 610041,China; 3.PetroChina Planning and Engineering Institute,Beijing 100083,China Abstract Based on the research results of DC stray-current corrosion of oil and gas pipeline at home and abroad, the mech- anism and characteristics of DC stray-current corrosion were analyzed. The DC stray-current corrosion test s at home and a- broad were listed. At the same time, the current DC stray-current corrosion protection technology and protection scheme were summarized. Based on the study of DC stray-current corrosion at home and abroad, advices on testing s and protection strategies are given by comparision. Key words oil and gas pipeline;DC stray-current;monitoring;protection; corrosion 1 直流杂散电流腐蚀机理及特点 当直流电流沿地面敷设的铁轨流动时,直流电流 从铁轨绝缘不良处泄漏到大地,进入管道,沿管道流 动一段距离后,又从管道流入土壤,在电流流出的部 位,管道发生腐蚀,即杂散电流腐蚀。 杂散电流腐蚀 示意图见图 1。 Thomas J. Barlo 和 Alan D. Zdunek[1]认为杂散电 流的腐蚀特性具有以下特点腐蚀强度大;腐蚀集中 于局部位置;腐蚀范围广,随机性强。 2 杂散电流测试方法 传统的测试方法主要包括[2]管地电位测量法; 现有的电气连接监控;电压和电流检查;整流器/ 变压 器电压和电流检查。 近几年,经过研究实验,国外学者对传统的测试 方法做出了一些改进,同时也提出了一些新的方法。 K. Looijenga 等[3]提出利用试片法对管道直流干 扰进行测试。 该方法的现场测试方案见图 2。 在腐蚀 图 1 杂散电流对埋地管道的腐蚀示意图 试片上制造一定大小的防腐层缺陷,来模拟管道上的 防腐层缺陷,然后将试片埋设在管道附近并通过测试 桩内的数据记录器与管道连接,同时参比电极也通过 数据记录器与管道连接。 这样,数据记录器就可以测 量记录直流电流密度、阴极保护断电极化电位 Eoff等 参数,对管道杂散电流腐蚀情况作出评价。 Kenneth． J. Moody[4]提出 3 种新的杂散电流测量 方法在铁路沿线埋设一系列锌阳极参比电极,通过 第 6 期孙云峰等油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展35 图 2 试片法现场测试方案 测量各参比电极之间的电位变化对杂散电流的变化 进行监测,这种方法缺点是成本太高;在变电所周边 埋设永久 Cu/ CuSO4参比电极,通过测量变电所周围 电位变化和电流方向监测杂散电流,这种方法只在沿 线轨地电阻较稳定时较准确;在铁轨下方混凝土道床 内嵌入测试网监测杂散电流,这种方法成本较高。 W. Parker 和 James Walton 提出利用电磁杂散电 流测绘仪以及相关分析软件,对测量管线周围的电磁 场进行测量和分析,以完成对杂散电流的检测和分 析[5]。 同时提出对于动态杂散电流,可在管道沿线 利用信号发送器和接收器完成监测;对于外部阴极保 护系统造成的静态杂散电流,可在外部阴极保护系统 上安装断流器,然后对杂散电流进行测量。 台闯、李博文等[6]在了解仪器特点的基础上,结 合国内外标准研制了 SCM-4200 型交直流杂散电流测 量仪,在一定程度上满足了不同用户的要求。 但是, 还需要大量的现场实践去检验和完善。 国内外学者利用新方法及仪器对杂散电流进行 监测,现场实验效果有待进一步验证,有些测试效果 可以保证,但投资较大。 3 直流杂散电流腐蚀防护方法 目前杂散电流防护设计方法可分为 2 类控制杂 散电流产生的源头,减少杂散电流的产生;对已产生 的杂散电流采取排流措施,减轻其腐蚀危害。 3.1 源控制法 1提高牵引网压。 2合理设置变电所。 缩短供电半径,增设变电 所,采用双边供电。 3 降低回流回路的阻值。 增大钢轨横截面积; 走行轨尽量选用重型轨如 60 kg/ m 型轨,且钢轨应 焊接成长钢轨;各段走行轨之间都应有畅通的电气连 接,在道岔与撤岔的连接部位设置电缆连接;安装均 流电缆,可以将回路电阻降至原来的 l/4 左右。 4 增加杂散电流流通路径的电阻。 可采用以 下措施 增加轨道对地的过渡电阻。 合理调整混凝土配 料,Jack Tinnea 和 Ryan Tinnea[7]经过反复实验证明, 由标准水泥、减水剂、防水剂、矿渣、粉煤灰、浓缩二氧 化硅等矿物质混合物按一定比例混合而成的混凝土 电阻明显提高;Ian Cotton 等[8]通过模拟证明,使用浮 动轨道可以有效地减少杂散电流的泄漏。 增加埋地金属管线的阻值。 管道支架、穿结构套 管与管道之间加绝缘橡胶垫;管道需安装绝缘接头或 绝缘法兰;管道外部覆盖层要求完整无针孔,与金属 管道结合牢固;管道和铁轨交叉采取垂直方式,交叉 处管段采取特加强防腐。 3.2 排流保护 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。 杨华、史秀敏[9]研制了一 种管道杂散电流智能排流装置,该装置既能独立进行 管道杂散电流的实时在线监测和自动排流,也可以作 为管道杂散电流监测防护系统的一部分,将装置的工 作状态和工作参数等通过无线通信方式远传到监控 中心。 但此装置的实际应用效果有待进一步验证。 3.3 阴极保护 3． 3． 1 外加电流阴极保护 杂散电流干扰存在时,通常根据实测管地电位调 整阴极保护系统外加电流大小,使受干扰管道处于保 护电位-0． 85 V,而由于管/ 地电位测量中土壤 IR 降的存在,实际管道电位并未处于保护电位。 根本原 因是 Eon E off IR 1 式中Eon为通电保护电位;Eoff为断电瞬间极化电位, 是真实电位,也是相关准则所确认的-0.85 V 电位;IR 为土壤电阻电压降,随杂散电流变化而变化。 可见,Eon处于 - 0. 85 V 时,真实电位 Eoff小于 -0.85 V。 为此,L. Lazzari 等[10]提出一种基于真实电位检 测的杂散电流防护方法。 首先,在理论上进行了推 导,得出如下结论 ∂Eon ∂t k ∂Iprobe ∂t 2 式中k 为常数;Iprobe为通过腐蚀试片的电流。 这一方程说明,Iprobe随时间的变化趋势与 Eon相 同。 经过理论推导与实验研究,L. Lazzari, M. Or- 36 Pipeline Technique and EquipmentNov． 2015 mellese 认为测量试片电流值以电压信号测得,并以 此作为依据使阴极保护系统改变外加电流大小,设定 一个最小阴极保护电流 IP,I 为测得试片电流值,则 ΔII-IP,依据 ΔI 来改变外加电流大小,这样可以有 效改进阴极保护系统,消除 IR 降的影响,改善杂散电 流防护效果。 他们提出的测量方案见图 3,包含试片 的探测器结构见图 4。 图 3 试片电流测量方案 图 4 探测器内部结构图 3． 3． 2 牺牲阳极阴极保护 在矿井的井套管直流杂散电流腐蚀防护方面, I.A.Metwally等[11]将一根不使用的井套管作为牺牲阳 极去保护与其并行的正在使用的井套管,取得了良好 的保护效果,同时对井套管的布置方式做了说明,如 图 5 与图 6 所示。 图 5 废弃套管保护 1 个相邻的在役套管 图 6 废弃套管保护 3 个相邻的在役套管 对于受杂散电流腐蚀较严重的管段,可以考虑将 一段废弃的管道作为牺牲阳极按照一定间距与被保 护管段平行铺设,缓解这一管段的杂散电流腐蚀。 3.4 杂散电流收集法 由于道床钢筋更靠近钢轨,是杂散电流的第一层 收集网,将道床钢筋纵向焊接形成一层纵向电气通 路,并赋于道床钢筋一定的截面, 就形成了杂散电流 收集钢筋网。 这是主要针对运营期间,当先期防护措 施逐渐失效或渗水等因素造成大量杂散电流时而采 取的防护措施。 Ian Cotton 等[8,12]研究了土壤电阻对直流轨道系 统以及地下设施杂散电流腐蚀的影响,研究结果表 明,道床下的土壤特征对道床中杂散电流收集网的收 集效果有很大影响土壤电阻越大,收集效果越好。 对于水平土壤特征模型图 7,上层土壤电阻小于下 层时,收集网效果较好,即土壤电阻随土壤深度增大 时收集网的效果较好。 图 7 两层水平土壤特征模型 竖直土壤特征模型如图 8 所示,A、B、C、D 四层土 壤,电阻小的土壤层中收集网效果较差,泄漏杂散电 流较多,管道腐蚀较严重。 因此,获得轨道沿线土壤 特征的详细信息,对杂散电流收集网的设计与优化有 重大意义。 图 8 4 层竖直土壤特征模型 4 结束语 通过对国内外埋地管道直流杂散电流的测试方 法进行对比分析,考虑到投资费用以及测试的准确 性,推荐采用腐蚀试片法进行杂散电流的监测。 通过对国内外埋地管道直流杂散电流腐蚀的防 护方法进行对比分析,本文认为 1全面采用国内外的各种源控制方法,力争从 源头上消除杂散电流。 下转第 39 页 第 6 期罗鹏等Q235 钢在冻土区管线土壤腐蚀性研究39 相差最大。 2． 2． 2 测试结论 1随着含水量的不断升高,Q235 钢在土壤样品 中的腐蚀速率存在逐渐扩大的趋势。 这是因为水分 能使土壤形成电解质进而形成腐蚀原电池,含水量显 著影响土壤的理化性质,进而影响金属的土壤腐蚀行 为。 2温度越高,Q235 钢在土壤样品腐蚀速率越 高。 这是因为温度升高,氧含量升高,Q235 钢在土壤 样品中主要起着阴极去极化的作用,去极化导致自腐 蚀电流增加,土壤对 Q235 钢的腐蚀作用增强[6]。 其 腐蚀反应为 Fe→Fe 2 2e 阳极反应 1 2 O2 H 2O2e →2OH-阴极反应 3在同一温度下,沼泽湿地的土壤腐蚀性要高 于山坡林地的土壤腐蚀性,这主要是由于两者理化性 质所决定的。 3 结论 在同一温度下,冻土区沼泽湿地的土壤腐蚀性高 于山坡林地的土壤腐蚀性,随着温度上升,土壤腐蚀 性呈增强的趋势。 随着土壤样品含水量的增加,电 荷转移电阻呈现逐渐增大的趋势。 参考文献 [1] 梁平, 李晓刚, 杜翠薇, 等. 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