王洪志

(國家管網(wǎng)北方管道有限責(zé)任公司沈陽檢測技術(shù)分公司，遼寧 沈陽 110000)

隨著地鐵快速發(fā)展，從鐵路供電系統(tǒng)泄漏到大地的雜散電流對地鐵附近油氣管道產(chǎn)生一定的影響，管道直流干擾電位波動甚至超過正負(fù) 10 V，導(dǎo)致埋地管道腐蝕加速甚至穿孔，這已經(jīng)成為油氣管道運(yùn)行的一個(gè)重大安全隱患[1]。國內(nèi)外對動態(tài)直流干擾開展了研究以及測試[2-3]，胡士信等[4]采用極化探頭以及測量儀對直流動態(tài)干擾下真實(shí)電位數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比及分析，認(rèn)為這種極化探頭測量極化電位的方法很實(shí)用。夏沁等[5]介紹了有軌電車雜散電流的產(chǎn)生及危害，討論了常用的雜散電流檢測方法與判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明所測地點(diǎn)存在有軌電車的動態(tài)雜散電流干擾，干擾強(qiáng)度隨離開軌道距離的增大而減小。杜艷霞等[6]對雜散電流干擾程度與地鐵和管道的相對位置關(guān)系進(jìn)行了研究。

在工程實(shí)踐中，在動態(tài)直流干擾時(shí)，干擾電位隨時(shí)間上下波動，測量和評價(jià)過程比較復(fù)雜以及國內(nèi)外評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不一致。對動態(tài)直流干擾下管道陰極保護(hù)有效性評價(jià)流程和有效運(yùn)用進(jìn)行分析，對于實(shí)際測量很有幫助。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

為了降低動態(tài)雜散電流對埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕危害，國內(nèi)外制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。澳大利亞和英國等發(fā)布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了在一定監(jiān)測時(shí)間段進(jìn)行直流電流和電位測試，并對一定時(shí)間段的電流和電位進(jìn)行評價(jià)[7-8]。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1—2015 《直流雜散電流干擾下的陰極保護(hù)效果評價(jià)》，規(guī)定了對電位進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測，測試時(shí)間一般應(yīng)大于 12 h，采樣頻率應(yīng)大于4次/min。對于防腐層較差的管道、其他極化和去極化較慢的管道，電位大于 -850 mV的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的10%。對于防腐層較好的管道、其他能夠快速極化和去極化的管道，標(biāo)準(zhǔn)中給定的電位評價(jià)準(zhǔn)則如下：

(1)電位大于-850 mV的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的5%；(2)電位大于-800 mV的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的2%；(3)電位大于-750 mV的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的1%；(4)電位大于0 mV的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的0.2%。

該標(biāo)準(zhǔn)明確了測試的流程，評判的電位準(zhǔn)則和相對應(yīng)的測試時(shí)間占比，具有一定的可操作性。采用電位-850 mV，-800 mV和-750 mV準(zhǔn)則更易于測試，能得到有效的量化結(jié)果，對評判動態(tài)干擾下陰極保護(hù)有效性具有重要的意義。

英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 50162—2004《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》， 規(guī)定了以動態(tài)干擾源不運(yùn)行(如夜間地鐵不運(yùn)行)時(shí)的電流大小為基準(zhǔn)，設(shè)為100%的電流大小。將連續(xù)24 h的電流記錄結(jié)果轉(zhuǎn)換為相對于基準(zhǔn)電流的百分比，就可以判斷在不同的時(shí)刻，有多少陰保電流流入管道、有多少雜散電流流入或流出管道。

該標(biāo)準(zhǔn)雖然規(guī)定了測試的流程、判定的電流準(zhǔn)則和相對于基準(zhǔn)電流的比例關(guān)系，但是對于測量陰極保護(hù)電流的流入流出，缺少可操作性。因此，采用該標(biāo)準(zhǔn)不太適用于陰極保護(hù)有效性的測量。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1-2015 《石油和天然氣工業(yè)第1部分:輸送管道系統(tǒng)的陰極防護(hù)第1部分:陸地管道 》，規(guī)定了對于碳鋼、低合金鋼和鑄鐵，當(dāng)土壤和水環(huán)境溫度在40～60 ℃時(shí)，保護(hù)電位為-850 mV；當(dāng)土壤和水環(huán)境溫度高于60 ℃時(shí)，保護(hù)電位為-950 mV；當(dāng)土壤和水環(huán)境溫度低于40 ℃時(shí)，而且土壤電阻率在大于100 Ω·m小于1 000 Ω·m時(shí)，保護(hù)電位為-750 mV；當(dāng)土壤和水環(huán)境溫度低于40 ℃，而且土壤電阻率在大于1 000 Ω·m時(shí)，保護(hù)電位為-650 mV；在厭氧菌和硫酸鹽導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)下的土壤和水環(huán)境，保護(hù)電位為-950 mV[9]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了評判的詳細(xì)準(zhǔn)則，具有一定的適用性，但是在具體的測量指標(biāo)方面更適用于靜態(tài)干擾下的管道測試。

NACE頒布的SP 0169-2013《埋地或水下金屬管線系統(tǒng)外腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了管道有效的外腐蝕速率控制在0.025 mm/a以內(nèi)。對于動態(tài)干擾下陰極保護(hù)有效性的管道而言，采用檢查片質(zhì)量損失的方法測量金屬損失量能夠比較直觀地確定管道陰極保護(hù)有效性[10]。

國內(nèi)曾在東北地區(qū)管網(wǎng)遇到了復(fù)雜的動態(tài)直流干擾問題，并結(jié)合工作實(shí)際制定了GB 50991—2014 《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取防護(hù)措施，而管道最小保護(hù)電位一般為-850 mV。同時(shí)，在該標(biāo)準(zhǔn)第三章強(qiáng)調(diào)了受直流干擾影響的管道宜設(shè)置測試探頭或質(zhì)量損失檢查片[11]。采用-850 mV準(zhǔn)則對于判定動態(tài)直流干擾具有一定的適用性，管道電位更易于測量。

總之，以陰極保護(hù)的電位準(zhǔn)則作為評價(jià)指標(biāo)，對于一定的電位偏移程度，規(guī)定了參考的時(shí)間指標(biāo)，使標(biāo)準(zhǔn)具有一定的可操作性。經(jīng)上述比較，GB 50991—2014和AS 2832.1-2014 對動態(tài)直流干擾及評價(jià)的適用性較強(qiáng)。

2 測試及適用性評價(jià)

2.1 測試段概況

選取某線管道，線路截?cái)嚅y室5座，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，操作壓力不超過4 MPa，管徑為914 mm，管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，設(shè)有2座陰極保護(hù)站。管線附近存在地鐵，附近地鐵額定直流電壓為1 500 V，管道全線均受到城市地鐵動態(tài)直流干擾影響。全線安裝固態(tài)去耦合器進(jìn)行交流排流，交流干擾程度較弱，選取15個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行斷電電位測試。

2.2 通斷電電位測試

采用數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行試片通斷電電位測試，通電時(shí)間為4 s，斷電時(shí)間為1 s，延時(shí)為50 ms，采樣頻率為1 次/s。采用裸露面積為10 cm2的鋼質(zhì)試片，參比電極采用銅/飽和硫酸銅參比電極，試片極化時(shí)間為24 h。數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為24 h。

2.3 質(zhì)量損失檢查片埋設(shè)及極化探頭測試

選擇3處測試點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量損失檢查片的埋設(shè)，埋設(shè)地點(diǎn)分別按照自然腐蝕檢查片和1支與管道連接的檢查片，埋設(shè)時(shí)間不少于3個(gè)月。選取一處測試點(diǎn)進(jìn)行極化探頭測試，極化探頭與管道連接。探頭裸露面積為10 cm2，分別進(jìn)行5 d及不少于3個(gè)月的測試。

3 結(jié)果與討論

15個(gè)測試點(diǎn)24 h通斷電點(diǎn)測試波動狀況見圖1。

圖1 測試點(diǎn)24 h通斷電測試結(jié)果

從圖1中可以看出，全部均受到較強(qiáng)直流干擾，干擾類型為動態(tài)直流干擾，在00∶40～05∶20時(shí)間段內(nèi)走勢平穩(wěn)，無干擾影響，該時(shí)間段是地鐵列車停運(yùn)；各測試點(diǎn)在05∶20～00∶40時(shí)間段內(nèi)電位波動劇烈。各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)05∶20到第二天00∶40均呈現(xiàn)電位波動幅度大的特征。在05∶20～00∶40干擾時(shí)間段內(nèi)，每一個(gè)波段之間均呈現(xiàn)幾十秒到10 min的小波峰，這與地鐵的運(yùn)營間隔停車結(jié)果相一致。管道表現(xiàn)出明顯的動態(tài)直流干擾特征，從而確定該管段的干擾源為地鐵線路。

對15個(gè)測試點(diǎn)24 h斷電電位,根據(jù)管道最小保護(hù)電位不小于-850 mV準(zhǔn)則進(jìn)行評價(jià)及統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表1。從表1可以看出：在15處測試樁的直流斷電電位判斷，100%達(dá)標(biāo)的有1處，為2號;90%達(dá)標(biāo)的有2處，為14號和15號;80%達(dá)標(biāo)的有2處;70%達(dá)標(biāo)的有5處;低于70%共5處，分別是8號，9號，10號，11號及12號，其中8號和11號頻次比約在50%。

表1 24 h測試下陰極保護(hù)有效性評價(jià)

根據(jù)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1-2014評價(jià)準(zhǔn)則的規(guī)定，選定的15個(gè)直流動態(tài)干擾測試點(diǎn)評價(jià)，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示：在15處測試樁的直流斷電電位判斷，陰極保護(hù)有效性評價(jià)為“達(dá)標(biāo)”的有3處，評價(jià)為“不達(dá)標(biāo)”的有12處。

表2 陰極保護(hù)有效性評價(jià)

選取干擾和非干擾兩個(gè)小時(shí)時(shí)間段進(jìn)行對比，即選取23∶00～00∶00和02∶00～03∶00兩個(gè)典型的時(shí)間段，對試片的斷電電位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖2至圖4。

圖2 3號測試點(diǎn)特定時(shí)間段電位對比

圖3 7號測試點(diǎn)特定時(shí)間段電位對比

從圖2至圖4可以看出，干擾時(shí)段與非干擾時(shí)段的波形變化明顯不同。在干擾時(shí)段(23∶00～00∶00)，電位產(chǎn)生劇烈的上下波動；在非干擾時(shí)段(02∶00～03∶00)，電位幾乎無波動。

圖4 9號測試點(diǎn)特定時(shí)間段電位對比

將兩個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)采用AS 2832.1-2014和GB 50991—2014的-850 mV準(zhǔn)則進(jìn)行對比，結(jié)果見表3至表5。從表3中可以看出，干擾時(shí)段和全段進(jìn)行-850 mV評價(jià)，評價(jià)結(jié)果的次序基本一樣;而非干擾時(shí)段采用-850 mV進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果可以明確顯示非干擾時(shí)段所有數(shù)據(jù)是否符合 -850 mV準(zhǔn)則。表4和表5分別采用分干擾時(shí)段和全段綜合評價(jià)的方法進(jìn)行評價(jià)，其評價(jià)的比例次序和結(jié)果基本一致。從而確定采用-850 mV準(zhǔn)則更適合于地鐵不運(yùn)行時(shí)非干擾時(shí)間段，而采用AS 2832.1-2015進(jìn)行評價(jià)，更適合于在干擾時(shí)間段進(jìn)行評價(jià)。

表3 特定時(shí)間段陰極保護(hù)有效性評價(jià)

表4 特定時(shí)間段的陰極保護(hù)效果評價(jià)

表5 特定時(shí)間段的陰極保護(hù)效果綜合評價(jià)

選取3號、7號和9號測試點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量損失檢查片埋設(shè)，檢查片腐蝕速率見表6。

表6 埋設(shè)檢查片腐蝕速率

從表6中可以看出，即使干擾段陰極保護(hù)電位未達(dá)標(biāo)，但是在投用陰極保護(hù)的前提下腐蝕速率仍低于SP 0169陰極保護(hù)電位下金屬腐蝕速率0.025 4 mm/a的準(zhǔn)則。但是在進(jìn)行陰極保護(hù)的自腐蝕速率方面，三個(gè)測試點(diǎn)的腐蝕速率均大于0.025 4 mm/a，說明了SP 0169中陰極保護(hù)電位下金屬腐蝕速率0.025 4 mm/a準(zhǔn)則的適用性更強(qiáng)。

3號、7號和9號陰極保護(hù)腐蝕速率的前后順序與測試電位陰極保護(hù)的評價(jià)順序是一致的，說明上述陰極保護(hù)有效性評價(jià)時(shí)間比準(zhǔn)則和腐蝕速率存在一一對應(yīng)關(guān)系，評價(jià)方法是有效的。

4 結(jié)束語

(1)對斷電電位進(jìn)行24 h監(jiān)測并采用AS2832.1-2014中電位頻次分段評價(jià)和GB 50991—2014中-850 mV準(zhǔn)則的方法進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)是有效的。

(2)采用澳大利亞AS 2832.1-2015的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行陰極保護(hù)時(shí)間比評價(jià)與GB 50991—2014評價(jià)結(jié)果基本一致，綜合兩項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)用將AS2832.1-2014用于評價(jià)干擾段，-850 mV準(zhǔn)則適用于地鐵停運(yùn)段，適用性更強(qiáng)。

(3)從檢查片測試結(jié)果可以看出，SP 0169中陰極保護(hù)電位下金屬腐蝕速率0.025 4 mm/a準(zhǔn)則適用性更強(qiáng)。