李 燦;單魯維;王磊磊;吳振宙;王 強;曹曉斌

(1.國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司,上海 200122; 2.四川雷盾科技有限公司 成都 610000;3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

0 引言

接地網(wǎng)是保證輸油氣管道閥室設(shè)備穩(wěn)定運行和人員安全的重要設(shè)施,用于給各個系統(tǒng)提供公共參考地。在遇到雷擊或電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,雷電流或短路電流可以通過接地裝置快速散入大地,防止地電位過高造成設(shè)備損壞[1-4]。

隨著我國西氣東輸、南北互聯(lián)戰(zhàn)略的實施,我國這幾年來新建了大量的長輸管道。目前,國家管網(wǎng)西氣東輸管道系統(tǒng)運營里程超過了兩千公里,途經(jīng)江蘇地區(qū)13個地級市、73個縣(區(qū)市),管道沿線分布有56座場站、90座閥室[5-6]。

閥室是長輸管道用于實現(xiàn)油氣輸送管控、減少故障范圍的重要設(shè)施,其接地網(wǎng)為閥室內(nèi)部的控制和計量設(shè)備提供工作接地與防雷接地。當接地網(wǎng)腐蝕嚴重時,會造成接地電阻過高,對閥室的安全運行造成嚴重影響,對接地網(wǎng)的腐蝕情況進行定期檢測有利于掌握地網(wǎng)的狀態(tài),防止設(shè)備反擊損壞[7-10]。

近年來檢查發(fā)現(xiàn),我國東南部長輸管道的A、B、C、D四座閥室均于2014年進行了接地網(wǎng)更新改造?，F(xiàn)場所使用的接地網(wǎng)材料為-40×4熱鍍鋅扁鋼和L50×5×2 500熱鍍鋅角鋼。但僅僅過了5年的時間,在進行現(xiàn)場開挖時發(fā)現(xiàn)四座閥室的接地網(wǎng)均腐蝕嚴重,腐蝕程度超過了材料的三分之一。

造成接地網(wǎng)腐蝕的因素很多,如土壤的含鹽量、含水量、透氣性、酸堿度等等,其中高酸堿度和高含鹽量是造成接地網(wǎng)快速腐蝕的主要原因[11-14]。

現(xiàn)在的研究認為,如果輸電系統(tǒng)有部分工作電流或不平衡電流流入大地,會造成周邊輸油氣管道腐蝕,但這方面的研究主要針對高壓直流接地極對周邊電力系統(tǒng)桿塔接地裝置和油氣管道的腐蝕[15-18],未開展對閥室接地網(wǎng)的研究。

為了防止閥室內(nèi)的管道與地網(wǎng)之間存在過高的電壓,引起設(shè)備放電燒蝕和人員觸電,因此許多閥室安裝了智能接地裝置[19-23]。當管道對地網(wǎng)的電壓較高時,這些接地裝置將管道與閥室地網(wǎng)連通,從而降低該段管道對大地的電壓[24-26]。但智能接地裝置工作時,將形成管道與大地的電流通路,造成直流電流通過閥室的地網(wǎng)流入大地,從而造成腐蝕[27-30]。

文中A、B、C、D 4座閥室到最近的直流輸電線路接地極均在60 km以上,其中最遠的閥室到高壓直流接地極的距離達到140 km,且附近60 km內(nèi)均并沒有直流輸電線路通過。為了查明這4座閥室地網(wǎng)快速腐蝕的真正原因,筆者對可能引起接地網(wǎng)腐蝕的各種因素進行了調(diào)查研究。

1 閥室接地網(wǎng)腐蝕狀況

開挖檢測是對接地體結(jié)構(gòu)腐蝕情況進行評估最為直接的方式,通過對場站和閥室的接地網(wǎng)進行開挖,得到了現(xiàn)場敷設(shè)的接地體材質(zhì)、埋設(shè)深度和接地體腐蝕情況。為避免在開挖檢測過程中對現(xiàn)場的重要隱蔽設(shè)施造成影響,本次檢測評估的開挖檢測點均選擇在接地引下線處,4個閥室的設(shè)備接地連接線和接地網(wǎng)的檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 各閥室宏觀檢測結(jié)果

現(xiàn)場開挖得到的接地體腐蝕情況見圖1。通過對接地體開挖檢測發(fā)現(xiàn),A、B、C、D 4座閥室的接地網(wǎng)均存在嚴重腐蝕現(xiàn)象,其中A、D腐蝕情況稍輕,A閥室接地網(wǎng)引上線附近的接地扁鋼有多處3 cm×4 cm的腐蝕區(qū)域,最大腐蝕深度為1.3 mm。D閥室測試點1、測試點2和測試點3處的接地扁鋼及角鋼均已全部銹蝕,最大銹蝕深度2.3 mm。

圖1 接地體腐蝕狀況圖

B、C閥室地網(wǎng)腐蝕較為嚴重,其中B閥室測試點1接地網(wǎng)引上線附近的接地扁鋼有10 cm×4 cm的腐蝕區(qū)域,測試點2處接地網(wǎng)引上線附近的接地扁鋼已嚴重腐蝕,最大腐蝕深度為1.4 mm,扁鋼的邊沿呈鋸齒狀。

C閥室腐蝕情況最為嚴重。測試點1處的接地扁鋼在埋入地面下0.3 cm處已銹蝕至扁鋼寬度的二分之一,測試點2處的接地扁鋼在埋入地面以下至接地網(wǎng)的連接處已全部腐蝕,最大腐蝕深度為1.97 mm。

為了進一步分析接地體腐蝕的原因,分別測量了這4個閥室的地網(wǎng)接地電阻值、土壤電阻率、土壤理化參數(shù)。

2 接地網(wǎng)檢測

2.1 接地電阻檢測

接地電阻值是判定接地系統(tǒng)是否有效的重要參數(shù)之一,現(xiàn)場測量使用數(shù)字式接地電阻測試儀MI12126,采用三極法對接地網(wǎng)的接地電阻值進行測試。

測量時將被測物的接地引下線進行了拆除,避免設(shè)備其他的接地連接點對測試值造成影響,現(xiàn)場測量布線原理圖如圖2所示。測量時電壓極和電流極距離電流注入點的距離均為2D以上(D為接地網(wǎng)對角線長度),電壓極與電流極與接地網(wǎng)連線的夾角為90°。

圖2 接地電阻測試原理圖

閥室的工藝區(qū)和放空區(qū)分別進行接地電阻測量,得到的結(jié)果見表2。

表2 各閥室的接地電阻

2.2 土壤電阻率檢測

考慮影響地網(wǎng)接地電阻的不僅有接地網(wǎng)腐蝕原因,還會因季節(jié)造成土壤電阻率變化,從而造成地網(wǎng)接地電阻改變。因此本研究采用溫納四極法測量了閥室附近的土壤電阻率。測試點選取靠近閥室外側(cè)無主管道及接地體埋設(shè)的區(qū)域,測得4座閥室所在區(qū)域土壤電阻率分別為:A閥室184.75 Ω·m,B閥室50.66 Ω·m,C閥室25.5 Ω·m,D閥室34.34 Ω·m。

根據(jù)現(xiàn)場測量,A閥室和D閥室工藝區(qū)接地網(wǎng)為20 m×20 m矩形接地網(wǎng),B閥室和C閥室工藝區(qū)接地網(wǎng)為10 m×10 m矩形接地網(wǎng);4座閥室放空區(qū)接地網(wǎng)均為8 m×8 m矩形接地網(wǎng)。

2.3 檢測結(jié)果分析

對4座閥室工藝區(qū)和放空區(qū)接地電阻值與其所在區(qū)域土壤電阻率進行對比分析,見圖3。

圖3 接地電阻值與土壤電阻率對比圖

由圖3可以看出,4座閥室所在地的土壤電阻率比較低,因此雖然各閥室環(huán)形地網(wǎng)面積較小,但接地電阻值均小于2 Ω,滿足接地標準的規(guī)定。

通過對4個閥室的接地電阻與土壤電阻率的測試可知,4個閥室的接地電阻相差并不大,尤其是腐蝕情況最為嚴重的C閥室,其接地電阻在4個閥室中僅大于A閥室,只有1.27 Ω。B閥室工藝區(qū)的接地電阻最大,但其土壤電阻率也相對較大,僅小于A閥室。

通過對接地電阻與土壤電阻率測量和比較可以發(fā)現(xiàn),盡管4個閥室的腐蝕嚴重程度不一,但無法從接地電阻與土壤電阻率對腐蝕情況進行判斷。

3 土壤性能檢測

3.1 土壤氧化還原電位檢測

氧化還原電位是個綜合反映土壤氧化還原程度的指標。當氧化還原電位高時,說明氧化劑占的比例大,氧化性強;當氧化還原電位低時,說明還原劑占的比例大,還原性強。氧化還原電位愈低,硫酸鹽還原菌對金屬的腐蝕作用愈大。因此,可以通過氧化還原電位,進而評估土壤的腐蝕性。

現(xiàn)場檢測采用土壤ORP測試儀對土壤氧化還原電位進行測量。測試結(jié)果見表4。

表4 各閥室處的氧化還原電位

由表4可知,A、B、C、D 4座閥室各測試點土壤的氧化還原電位測試值均大于400 mV。我國電力行業(yè)標準DL/T 1554-2016接地網(wǎng)土壤腐蝕評價導(dǎo)則中第5.1.4條規(guī)定,當土壤氧化還原電位大于400 mV時,土壤微生物腐蝕性屬于微弱等級。由此可知各閥室土壤微生物對接地網(wǎng)的腐蝕性微弱[31]。

3.2 土壤質(zhì)地檢測

現(xiàn)場對接地裝置埋設(shè)深度處的土壤進行了采樣。A、B、C、D 4座閥室各采樣點的土壤質(zhì)地及PH值見表5。

表5 閥室處的土壤參數(shù)

從表5中的數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn),A、B、C、D 4座閥室的土壤質(zhì)地均為粘壤土,所有采樣點的土壤PH值都呈堿性,在些情況下,土壤對接地體的腐蝕強度十分微弱。

3.3 土壤中離子含量檢測

A、B、C、D 4座閥室各采樣點的土壤中離子含量檢測結(jié)果見表6。

根據(jù)接地網(wǎng)土壤腐蝕評價導(dǎo)則(DL/T 1554-2016)附錄B中規(guī)定[31],當土壤中水溶性氯離子與硫酸根離子的總量小于30 mmol/kg時,其對接地網(wǎng)的腐蝕十分微弱。從表6中的數(shù)據(jù)可知,A、B、C、D 4座閥室土壤中水溶性氯離子與硫酸根離子總量均小于10 mmol/kg,對接地網(wǎng)的腐蝕十分微弱。

從表5與表6中的數(shù)據(jù)可知,同一座閥室的各檢測點之間各項土壤理化參數(shù)數(shù)據(jù)相近,不存在接地網(wǎng)不同位置存極化電位差,從而使部分接地網(wǎng)導(dǎo)體位于陽極段,從而發(fā)生腐蝕的情況。

3.4 接地體自然電位檢測

接地裝置在土壤中的自然電位是衡量土壤腐蝕性的重要參數(shù)之一,現(xiàn)場檢測采用無水硫酸銅參比電極法進行測量,測量所使用儀器為FLUKE 15B+萬用表。對每個閥室的接地網(wǎng)均選擇3個測試點對其自然電位進行測試,其自然電位的測試結(jié)果見圖4。

圖4 接地體自然電位測量結(jié)果

從圖4可以看出,本次檢測的A、B、C、D 4座閥室的各測試點接地體的自然電位測試值位于-0.558 V～-0.276 V范圍內(nèi)。

3.5 土壤的自然腐蝕性分析

土壤的腐蝕性過強是造成接地裝置腐蝕速度過快的主要因素。但土壤引起的自然腐蝕分兩種,一種是通過土壤中的酸對金屬造成氫置換反應(yīng),引起金屬溶解。另一種是土壤中含鹽量過高,加速金屬與內(nèi)部雜質(zhì)的原電池反應(yīng)。從4個閥室的土壤檢測結(jié)果可知,這4個閥室的PH值均大于7,呈弱堿性,可以排降除酸性環(huán)境引起的腐蝕。從表5中的數(shù)據(jù)可知4座閥室的土壤中含鹽量也非常低,原電池反應(yīng)對接地網(wǎng)的腐蝕也應(yīng)十分微弱。

最終從各測試點接地體的自然電位測試值也可知,其自然極化電位在-0.558 V～-0.276 V范圍內(nèi),屬于弱腐蝕區(qū)域,即這4個閥室的接地極腐蝕問題不是受土壤的影響。

4 直流干擾引起腐蝕的可能性評估

本研究中這4座閥室沿線分布著4座高壓直流輸電線路接地極,其中A閥室距最近接地極為70 km,B閥室到最近接地極為65 km,C閥室到最近的接地極是140 km,D閥室是70 km。

為此,課題組調(diào)研了4個閥室的智能接地系統(tǒng)排流情況,其中A室在一個季度內(nèi)發(fā)生了4次排流,第1次平均電流為2.5 A,持續(xù)時間2天、第2次平均電流4 A,持續(xù)4天、第3次平均電流為1 A,持續(xù)2天、第4次平均電流為1.5 A持續(xù)時間2天,因此計算得到排流量為

2.5×2+4×4+1×2+1.5×2=21(安培·天)

按一季度計算,平均到90天后,每天的平均電流為:

21/90=0.233(安培·天)

假設(shè)每個季度情況都相同,則該閥室的實際每年的日平均排流量為0.233(A)。

根據(jù)Faraday電解第一定律:

(1)

式中,Δw為金屬在時間Δt內(nèi)的腐蝕量,kg;Q為在時間Δt內(nèi)流過金屬的電量,C;F為Faraday常數(shù),1F=96 485 C;n為金屬在氧化過程中失去的價電子數(shù);k為金屬的化學(xué)當量,k=M/nF,kg/(A·s);鐵:k=2.89×10-7kg/(A·s);鉛:k=10.63×10-7kg/(A·s);M為金屬的摩爾質(zhì)量,kg/mol;I為流出陽極金屬的電流,A。

根據(jù)Faraday電解第一定律,在自然條件下,1 A的電流1年內(nèi)能腐蝕8 kg～10 kg鋼鐵、17.6 kg鋅或33.5 kg鉛,當接地體為鍍鋅扁鋼時,腐蝕量約為17.25 kg。因此可算得A閥室的年金屬損失量約為

W=17.25×0.233=4.02(kg)

采用同樣的方法,可以得到B閥室的金屬損失量約為2.33 kg,C閥室的金屬損失量約為1.26 kg,D閥室的金屬損失量約為2.07 kg。因此,從接地網(wǎng)改造后,5年時間的總腐蝕量為A閥室約為20.1 kg,B閥室約為11.6 kg,C閥室約為6.3 kg,D閥室約為10.4 kg,與總接地網(wǎng)相比,該質(zhì)量損失并不大。為些本文對接地極的腐蝕特征進行了分析。發(fā)現(xiàn)接地扁鋼的腐蝕以局部點腐蝕為主,斷裂面邊緣鋒利,符合這一特征。見圖5。

圖5 接地體腐蝕狀況圖

造成該現(xiàn)象的原因為:當接地極有電流流入大地時,扁鋼的邊沿是電流密度較大的區(qū)域,因此截面的四角更容易發(fā)生腐蝕,進而造成接地扁鋼斷裂,接地網(wǎng)整體性能變差。

5 結(jié)論

為了查明造成閥室接地網(wǎng)快速腐蝕的主要原因,本研究實測了某長輸管道A、B、C、D 4座閥室接地網(wǎng)的接地性能和土壤參數(shù),調(diào)查了其接地電流的記錄,得到如下結(jié)論:

1)發(fā)現(xiàn)4個閥室接地網(wǎng)均存在嚴重的腐蝕現(xiàn)象,其腐蝕特征為,以點腐蝕為主,腐蝕主要集中在部分點,這些點腐蝕嚴重時截面損失接近1/3,但腐蝕點附近的導(dǎo)體卻只有少量斑點。通過對接地體腐蝕截面進行分析,發(fā)現(xiàn)其腐蝕斷裂面邊緣鋒利,符合電流腐蝕特征。

2)接地電阻測量結(jié)果均在1 Ω左右,土壤理化參數(shù)各項檢測數(shù)據(jù)表明土壤微生物腐蝕屬于微弱等極,都能滿足標準的規(guī)定要求,進一步證明了是直流干擾造成了這4閥室接地網(wǎng)加速腐蝕。計算結(jié)果表明因直流系統(tǒng)排流造成接地網(wǎng)的每年腐蝕量在2 kg～4 kg左右,但由于腐蝕位置集中在部分點,容易造成接地扁鋼斷裂。

3)本研究的A、B、C、D 4座閥室到直流接地極距離不同,但均在60 km以上,證明直流接地極可以對遠處的閥室接地網(wǎng)造成腐蝕。從4座閥室的排流記錄和地網(wǎng)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管直流輸電線路每年排流時間短,排流電流小,但受接地網(wǎng)腐蝕特征的影響,該排流電流可以造成閥室接地網(wǎng)局部腐蝕斷裂。