埋地鋼質燃氣管道雜散電流腐蝕的測試與防護
摘要：介紹了雜散電流的類型。結合深圳市某測點的埋地鋼質燃氣管道受雜散電流干擾的調查和測試數(shù)據(jù)，分析了該管道雜散電流的主要來源。介紹了國家標準及行業(yè)標準對雜散電流控制的要求、國外雜散電流防護工作的情況，提出了雜散電流腐蝕防護的措施。
1 概述
雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕不容忽視。 GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規(guī)范》給出了雜散電流的定義，雜散電流是指在非指定回路中流動的電流。它可能是由直流電或交流電造成的：直流雜散電流主要來源于直流電氣化鐵路、高壓直流輸電系統(tǒng)、電解裝置、陰極保護裝置(強制電流設備、雜散電流排流設施)等；交流雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路及交流輸電線路等。研究表明[，鐵在交流電流密度20A/m2下將造成0.1mm/a的腐蝕速率，只有高于50A/m2的交流電流密度才是嚴重的。另外，由于地球磁場變化產(chǎn)生的地雜散電流，一般情況下與前述直流、交流雜散電流相比強度很小，不會產(chǎn)生腐蝕危險。因此，本文的研究重點是直流雜散電流(以下簡稱雜散電流)。
埋地鋼質管道雜散電流干擾腐蝕原理見圖1。由于鐵軌對地絕緣不充分，機車的牽引電流除了在鐵軌上流動外，還會從鐵軌絕緣不良處泄漏到大地，形成雜散電流。由于埋地鋼管對地絕緣并不充分，則部分雜散電流將流入附近的鋼管，并在鋼管中流動，然后從遠處的某點流出鋼管進入大地，返回供電所負極。鋼管會在雜散電流流出部位發(fā)生腐蝕，此種現(xiàn)象稱為雜散電流干擾腐蝕。
理論上，當鋼鐵受到雜散電流干擾腐蝕時，金屬腐蝕量滿足法拉第定律。依據(jù)法拉第定律，1A的直流電流1年可使鋼鐵腐蝕大約9.1kg[4]。雜散電流干擾腐蝕通常發(fā)生在管道防腐層破損處，即集中在局部，因而容易引起坑蝕，導致穿孔。實際案例中[6]，東北撫順地區(qū)受雜散電流干擾影響的輸油管道約有50km，占東北輸油管網(wǎng)的2%，而因雜散電流干擾腐蝕造成的穿孔次數(shù)，占該地區(qū)管網(wǎng)腐蝕穿孔總次數(shù)的60%以上。該地區(qū)的雜散電流高達500A，管道埋地半年就能腐蝕穿孔，腐蝕速率為10～15mm/a。
2 燃氣管道受雜散電流干擾的調查和測試
在測試工具方面，我們應用了儲存式的自動數(shù)據(jù)記錄儀和雜散電流檢測儀(Stray Current Mapping，以下簡稱SCM)進行測試。該自動數(shù)據(jù)記錄儀采集數(shù)據(jù)的速度可達約100個/s，可用于連續(xù)記錄并自動儲存數(shù)據(jù)。SCM檢測儀是目前世界上最先進的一種雜散電流測試儀器，可以沿著管道檢測任何雜散電流的大小和方向，能夠快速地評價從地表至管道間的雜散電流，精確確定雜散電流的流入、流出點，分辨雜散電流的頻率和方向，十分方便。
對于干擾源側，主要調查了地鐵供電所的位置、運行狀況等，還與有關機構對鐵軌對地電位等數(shù)據(jù)進行了聯(lián)合測試。
3 國家標準規(guī)范對雜散電流防護的要求
鑒于雜散電流對鋼質管道等設備的干擾腐蝕影響，國家相關標準規(guī)范對雜散電流的防護和控制有具體的技術要求。
城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)目前的參考標準主要有GB/T 21447—2008《鋼質管道外腐蝕控制規(guī)范》、SY/T 0017—2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》、CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規(guī)程》等。上述標準對于雜散電流強弱的判斷指標見表1。
表1 直流干擾強度的判斷指標
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雜散電流程度 |
弱 |
中 |
強 |
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管地電位正向偏移值/mV |
＜20 |
20～200 |
＞200 |
按照該標準判斷，上述僑香路測點的雜散電流干擾已經(jīng)屬于強烈干擾，需盡快采取排流保護等防護措施。
地鐵目前的參考標準主要有行業(yè)標準CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規(guī)程》，該標準中提出了對于地鐵鋼結構，允許泄漏電流密度指標為0.15mA/dm2。地鐵需要嚴格遵守該標準，在建設和運營階段做好雜散電流的防護工作。
4 其他國家的雜散電流防護狀況
世界上許多國家都非常重視雜散電流的防控工作。德國電工協(xié)會與德國煤氣與水工工程師協(xié)會組成的聯(lián)合委員會于1910年頒布了防止煤氣管道和輸水管道受到使用鐵軌做導電體的直流有軌電車的有害影響的規(guī)定。隨后，有關雜散電流的檢測和控制技術在不斷發(fā)展和進步。
美國腐蝕工程師學會(NACE)于2004年發(fā)表了報告《對干擾管道的雜散電流新的測試技術》。該報告中提出可以使用SCM檢測儀等方法來檢測干擾管道的雜散電流，并以加拿大多倫多市的某燃氣管道為例進行雜散電流測試，分析認為干擾源與附近電氣化鐵路的運行有關，該雜散電流來源于電力機車的運行，詳見圖3，圖3中上方的曲線表示隨時間變化的管道雜散電流，下方的曲線表示對應的管地電位。
5 城市雜散電流的防護措施
結合SY/T 0017—2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》和NACE SP0169—2007《埋地或水下金屬管道系統(tǒng)的外腐蝕控制》的要求，提出控制雜散電流干擾腐蝕的原則：統(tǒng)一規(guī)劃，綜合治理，分別實施。即由政府相關部門牽頭成立跨部門的雜散電流防護工作協(xié)調小組，干擾源方、被干擾方、第三方機構和專家等加入工作小組，建立長效的聯(lián)席辦公機制，統(tǒng)一規(guī)劃雜散電流的防護工作，開展綜合治理工作，然后由各單位分別實施，尤其是雜散電流的產(chǎn)生單位應減少雜散電流向外泄漏。
從技術角度，城市燃氣管網(wǎng)常用的雜散電流防護方法如下：
① 排流保護，即在管道和鐵軌之間設計并安裝適當電阻的電連接，這種連接可以從管道向鐵軌方面排出干擾電流。但是由于鐵路方面擔心對鐵路的安全運行造成影響，因此該方法在實際中較難操作。這時可以直接接地排流，需要埋設接地床。在接地排流時，如果出現(xiàn)波動電流，可采用固態(tài)去耦合器來解決。
② 犧牲陽極保護，即在燃氣管道上找出泄漏電流點，然后安裝犧牲陽極，向管道施加陰極保護電流。
③ 調整管道路由以避開干擾源，或者將鋼質管道更換為聚乙烯管道。
④ 在管道中正確設置絕緣接頭。
⑤ 在吸收電流區(qū)域使用良好的外防腐層。
在完成雜散電流的排流工作后，還應進行排流效果評定測試，以檢測排流工程的實施效果，同時要加強排流系統(tǒng)的維護管理工作，使其正常運轉，保護埋地鋼質管道的安全運行，保障城市公共安全。
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