李海坤，劉震軍，謝 濤，張 鵬，陳 卓

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院;油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北 廊坊 065000)

由于地理位置的限制，油氣管道與電力線路和電氣化鐵路的建設(shè)過程中不可避免的出現(xiàn)并行敷設(shè)的情況，彼此會產(chǎn)生干擾和影響。由電干擾造成電化學(xué)腐蝕形式主要為點蝕，這更容易導(dǎo)致管道腐蝕穿孔，具有極大的危害性，日益引起人們的重視。

針對雜散電流干擾的判斷、緩解措施和評價方法，各國都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對比分析國內(nèi)外關(guān)于油氣管道直流雜散電流干擾的幾部標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，簡要評述了雜散電流干擾的判斷準(zhǔn)則、緩解措施和評價方法，介紹陰極保護準(zhǔn)則有效性的最新研究結(jié)果。

1 直流干擾的判斷準(zhǔn)則

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0017-2006《埋地鋼制管道直流排流保護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定當(dāng)管地電位較自然電位偏移20 mV或管道附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時，確認(rèn)有直流干擾。當(dāng)管地電位較自然電位偏移100 mV或管道附近土壤電位梯度大于2.5 mV/m時，應(yīng)及時采取直流排流保護或其它防護措施。

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn) AS 2832.1-2004《第一部分管道和電纜的陰極保護》和美國標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0169-2007《地下或水下金屬管道系統(tǒng)外部腐蝕控制》則規(guī)定可以利用-850 mV或100 mV極化準(zhǔn)則判斷管道是否充分受到保護。AS 2832.1－2004從法律的角度規(guī)定新建陰極保護系統(tǒng)引起附近其它設(shè)施電位正向偏移最大不應(yīng)超過20 mV，負(fù)向偏移最大不應(yīng)超過200 mV，并指出存在雜散電流干擾或嚴(yán)重電偶腐蝕的情況下，100 mV極化準(zhǔn)則不適用。NACE SP0169－2007提示當(dāng)管道操作壓力和運行條件傾向于導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂時，不應(yīng)當(dāng)使用－850 mV標(biāo)準(zhǔn)。

SY/T 0017-2006是專門的雜散電流排流標(biāo)準(zhǔn)，而AS 2832.1－2004和 NACE SP0169－2007是關(guān)于陰極保護的標(biāo)準(zhǔn)。因此SY/T 0017-2006規(guī)定了管地電位較自然電位正向偏移的限制，而AS 2832.1－2004和NACE SP0169－2007只是指出了－850 mV和100 mV極化準(zhǔn)則的適用性。在直流電流干擾的情況下，即使使用斷電法也無法消除IR降，而試片法需要較長的極化和測試時間，SY/T 0017-2006規(guī)定的電位梯度法提供了一種較快的替代方法，但是由于雜散電流導(dǎo)致的管道腐蝕與流出管道的電流大小有關(guān)，所以采用電位梯度法時應(yīng)當(dāng)把當(dāng)?shù)氐耐寥离娮杪士紤]在內(nèi)。AS 2832.1－2004規(guī)定新建陰極保護系統(tǒng)引起附近其它設(shè)施電位正向偏移最大限制具有法律意義。

2 直流干擾的緩解措施

SY/T 0017-2006只給出了被干擾方可以采取的直流排流措施，包括:直接排流、極性排流、強制排流、接地排流。

AS 2832.1-2004和NACE SP0169-2007均認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從干擾源和被干擾方兩方面采取措施緩解電干擾，包括改善防腐層、改變管道的路由、減小干擾源流入大地的電流、埋設(shè)地床排流、使用整流器強制排流等。但 AS 2832.1-2004更從法律角度規(guī)定當(dāng)新建陰極保護系統(tǒng)對其它設(shè)施存在干擾，新建陰極保護系統(tǒng)業(yè)主應(yīng)通過修復(fù)防腐層、調(diào)整陰極保護電流輸出等措施緩解對外干擾。

SY/T 0017-2006中提到的強制排流措施會引起鐵軌電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響鐵軌的使用壽命。值得借鑒的是NACE SP0169-2007把在干擾電流流出點實施陰極保護作為排流措施之一，既能達(dá)到排流的目的又不會造成鐵軌電化學(xué)腐蝕。國內(nèi)也有管道把陰極保護作為排流措施的實例[4]，取得了良好效果。

NACE SP0169-2007提出的在受干擾結(jié)構(gòu)上安裝絕緣接頭的措施雖然緩解了管道上的雜散電流干擾，但可能使絕緣接頭一側(cè)的管道遭受腐蝕[5]。因為原本在管道內(nèi)流動的電流會在絕緣接頭的一側(cè)流進(jìn)土壤，在另一側(cè)流進(jìn)管道，電流流出的一側(cè)管道將發(fā)生電化學(xué)腐蝕。對站場埋地管道實施的區(qū)域陰極保護電流就常常從遠(yuǎn)端流進(jìn)干線管道，再從站場的絕緣法蘭附件流進(jìn)土壤，然后回到站內(nèi)管道，造成絕緣法蘭外側(cè)干線管道腐蝕[6]。圖1是雜散電流導(dǎo)致絕緣接頭一側(cè)發(fā)生腐蝕的示意圖。

圖1 雜散電流導(dǎo)致絕緣接頭一側(cè)腐蝕Fig.1 Stray current，lead to one side of the insulating joint corrosion

3 雜散電流干擾緩解效果的評定

對于排流保護的效果評定，目的是管地電位要達(dá)到陰極保護準(zhǔn)則的要求。若是安裝完排流設(shè)施管地電位仍無法達(dá)到陰極保護準(zhǔn)則要求，SY/T 0017-2006建議通過正電位平均值比進(jìn)一步評定排流保護效果。

正電位平均值比按下式計算:

式中:ηv——正電位平均值比;

V1(+)——排流前正電位平均值，V;

V2(+)——排流后正電位平均值，V。

對于排流后確實無法滿足陰極保護準(zhǔn)則的情況，如果管道受到動態(tài)雜散電流干擾，AS 2832.1-2004規(guī)定首先進(jìn)行充分時長的電位測量。測量時間段應(yīng)該包括早晚運行高峰，一般要20 h。使用的測量記錄儀的數(shù)據(jù)采集頻率每分鐘不應(yīng)低于4次，并針對不同的干擾類型提出了不同的適用準(zhǔn)則。

(1)極化時間較短的埋地結(jié)構(gòu)

對于防腐質(zhì)量較好，或證明在雜散電流干擾下快速地極化和去極化的埋地結(jié)構(gòu)，應(yīng)用以下標(biāo)準(zhǔn):

測量電位比-850 mV保護電位更正的時長不得超過測量時長的5%;測量電位與保護電位相比正向偏移超過50 mV的時長不得超過測量時長的2%;測量電位與保護電位相比正向偏移超過100 mV的時長不得超過測量時長的1%;測量電位與保護電位相比正向偏移超過850 mV的時長不得超過測量時長的0.2%。

(2)極化時間較長的埋地結(jié)構(gòu)

對于防腐質(zhì)量較差，在干擾電流的影響下埋地結(jié)構(gòu)的電位緩慢地在極化和去極化狀態(tài)間變動的埋地結(jié)構(gòu)，測量電位都比保護電位更正的時長但不得超過測量時長的10%。

(3)過保護

地下鋼鐵結(jié)構(gòu)消除了地電位梯度相對于飽和硫酸銅電極的電位不小于-1.2 V。對于易遭受陰極剝離的涂層尤其如此。

NACE SP0169-2007則認(rèn)為干擾問題已經(jīng)解決的標(biāo)志是:(1)管/地電位恢復(fù)至受干擾以前的值;(2)測量結(jié)果證明不再有干擾電流自管道流進(jìn)土壤。

分析與評論:

SY/T 0017-2006提出的正電位平均值比法其實是用安裝排流系統(tǒng)后的干擾緩解比率代替用陰極保護準(zhǔn)則評價排流保護效果。然而該方法并不能用來評價管道受到的電干擾腐蝕危險性。

相對而言，AS 2832.1-2004規(guī)定最為詳盡，針對不同的干擾類型提出了不同的適用準(zhǔn)則。NACE SP0169-2007的標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)格，根據(jù)NACE SP0169-2007的規(guī)定管道至少應(yīng)恢復(fù)到自然腐蝕狀態(tài)，但是有的情況下達(dá)到這種要求是非常困難的。

4 點蝕速率與管/地電位的關(guān)系

在各種土壤電阻率環(huán)境下陰極保護準(zhǔn)則有效性如表1所示。但是表1中沒有一個準(zhǔn)則能夠?qū)⑺凶畲簏c蝕速率降到0.025 mm/a以下。

防腐工程師更關(guān)心的是點蝕速率，圖2～4給出了某管道上多個測試點(土壤電阻率＜10 kΩ·cm)試件最大點蝕速率與自然電位、on/off電位和100 mV極化電位的關(guān)系。由圖2～4可見，無論采用哪個準(zhǔn)則，隨著極化程度的增加，各測試點試件最大點蝕速率均逐漸降低，但是只有在達(dá)到－850 mVon/off電位以后所有試件的點蝕速率才下降到0.1～0.3 mm/a之間。在極化電位差達(dá)到100 mV后仍有少量試件點蝕速率比較大。

這說明當(dāng)管地電位符合陰極保護準(zhǔn)則的要求時，管道仍有一定點蝕傾向，但是這時的點蝕速率比較穩(wěn)定，－850 mVon/off電位仍具有較普遍的應(yīng)用價值。當(dāng)管地電位不能滿足－850 mVon/off電位時，管道腐蝕速率就與當(dāng)?shù)丨h(huán)境關(guān)系較大，這需要防腐工程師根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)評價管道遭受點蝕的危險性。

由于氧化物的存在，鋼的自然電位會隨著埋地時間的延長而正向偏移，所以在舊管道上使用－850 mVoff準(zhǔn)則會導(dǎo)致過度極化，如圖5所示。但是由于雜散電流流出管道時的去極化作用，該結(jié)論可能不適用于有動態(tài)雜散電流存在的管道。

緩解雜散電流干擾和施加陰極保護的最終目的是使管道腐蝕速率在經(jīng)濟上和安全上處于可接受范圍內(nèi)。具體需要采用什么措施還需要防腐工程師根據(jù)現(xiàn)場情況確定，這也正是緩解雜散電流干擾的困難所在。

表1 不同土壤電阻率下陰極保護的有效性Table1 Effectiveness of CP to different soil resistence

圖2 最大點蝕速率與自然電位的關(guān)系Fig.2 Maximum pitting rates vs.native potentials

圖3 最大點蝕速率與保護電位的關(guān)系Fig.3 Maximum pitting rates vs.on-off-potentials

圖4 最大點蝕速率與100 mV極化電位的關(guān)系Fig.4 Maximum pitting rates vs.polarization

圖5 不同土壤電阻率下鋼的自然電位和腐蝕性Fig.5 Common regions of steel native potentials vs.soil resistivity and corrosivity

5 結(jié)論

(1)緩解電干擾需要結(jié)合考慮干擾源和被干擾設(shè)施兩方面因素，有些措施可能會產(chǎn)生不利影響，需要防腐工程師慎重選擇。

(2)-850 mVon/off電位是一個有效的判斷準(zhǔn)則，當(dāng)管地電位不滿足此準(zhǔn)則時需要附加現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行評定。

(3)雜散電流干擾評價準(zhǔn)則需要進(jìn)一步研究調(diào)整。當(dāng)雜散電流干擾無法完全排除時，如何評價管道的腐蝕危險性及應(yīng)采取何種維護措施是需要進(jìn)一步研究的問題。

[1]石油工程建設(shè)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流保護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[S].北京:中國石油出版社，2006.

[2]Committee MT-014，Corrosion of Metals.As 2832.1-2004 Cathodic proteetion of metals pewt 1;Pipes and cables[S].Sydney.Stcalderds Australia 2004.

[3]Specific techudogy Group(STG)35 on Pipelines，Tanks，and well casings.SP 0169-2007 coutrol of external corrosion on undevground or submerged metallic piping systews[S].Houston.Texas:NACE Internatioual 2007.

[4]吳長訪，姚喆，劉玲莉，等.新大管道雜散電流干擾影響研究[J]. 油氣儲運，2007，26(6):43-44.

[5]Boteler D H.Assessing Pipeline Vulnerability to Telluric Currents[J].corrosion，2007:5-7.

[6]劉玲莉，陳宏源，劉明輝，等.輸油氣站區(qū)陰極保護中的干擾與屏蔽[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2005(2):32.