古 彤，白 鋒2，劉震軍，李正敏，曹方圓2，朱鳳艷

(1. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000；2.中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

我國地域廣闊，能源主要分布在西部區(qū)域，而人口和工業(yè)則主要集中在東部地區(qū)，因此，遠(yuǎn)距離、大容量的能源輸送發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生，長輸油氣管道和高壓直流工程也因此進(jìn)入建設(shè)高峰期[1-2]。

隨著西電東送，西氣東輸工程的建設(shè)，直流接地極與埋地油氣管道鄰近的情況已不可避免。而直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行期間會有大量電流通過接地極入地，在接地極附近形成恒定的直流電流場[3]，并伴隨出現(xiàn)大地電位升高。由于管道防腐蝕層具有良好的絕緣性能，導(dǎo)致管/地兩側(cè)之間形成高電位差，給管道設(shè)備及人員帶來威脅；如果電流通過防腐蝕層破損點(diǎn)流進(jìn)、流出管道，則會造成氫脆、腐蝕等隱患[4-5]。

目前，中國是世界上直流輸電工程數(shù)量最多，電壓等級最高，輸送容量最大的國家。隨著特高壓直流輸電工程的快速發(fā)展，接地極的額定入地電流也由3 kA增大至4 kA甚至5 kA，入地電流對埋地油氣管道的影響日漸凸顯[6-9]，引起了石油天然氣和電力兩大行業(yè)的高度關(guān)注[10]，而關(guān)于直流接地極入地電流對金屬管道腐蝕的針對性研究卻并不多見[11-12]。本工作通過分析高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地油氣管道直流干擾的機(jī)理，對直流干擾引起管道腐蝕的相關(guān)參數(shù)開展調(diào)研和分析，為接地極入地電流對埋地油氣管道的腐蝕影響研究提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 干擾機(jī)理概述

1.1 入地電流

目前，我國直流輸電工程均設(shè)計(jì)為雙極直流輸電系統(tǒng)，正常運(yùn)行情況下多采用雙極對稱運(yùn)行方式，當(dāng)一極停運(yùn)或發(fā)生故障時，可采用單極金屬回路運(yùn)行方式或單極大地回路運(yùn)行方式。

采用雙極對稱運(yùn)行時入地電流為正負(fù)兩極間的不平衡電流，其值不超過額定電流的1%[13]，不平衡電流入地持續(xù)時間長。單極金屬回路運(yùn)行作為故障期間的過渡運(yùn)行方式，其運(yùn)行時間很短，可以減少對環(huán)境的影響，并延長接地極的壽命。此外，單極大地回路運(yùn)行方式僅用于直流輸電工程投運(yùn)之前的系統(tǒng)調(diào)試期間，其運(yùn)行時間也很短，一般不超過1 d。

入地電流經(jīng)大地傳導(dǎo)后從管道破損點(diǎn)流入流出的電流只是部分入地電流，經(jīng)破損點(diǎn)流出管道的電流稱為泄漏電流，單位面積破損點(diǎn)上的電流稱為泄漏電流密度。

另外本工作提到的等效入地電流，出自IEC TS 62344[14]《Design of earth electrode stations for high-voltage direct current(HVDC) links-General gurdelines》，它是接地極以陰極或陽極運(yùn)行時的總安時與設(shè)計(jì)壽命的比，可以用于分析接地極對附近埋地金屬體的腐蝕影響。

1.2 高壓直流接地極對埋地管道的干擾機(jī)理

高壓直流輸電系統(tǒng)的接地極入地電流是對管道造成干擾的主要原因之一。當(dāng)接地極有直流電流流通時，在土壤中會形成一個恒定的電流場，由于管道電阻遠(yuǎn)小于土壤電阻，如果管道防腐蝕層存在破損點(diǎn)，電流會經(jīng)由破損點(diǎn)在管道上流通。

我國工程實(shí)況中，埋設(shè)于直流接地極附近的重要金屬管道多為長距離輸油輸氣管道，此類管道表面一般敷設(shè)有防腐蝕層，目前較為常用的有3PE、FBE和石油瀝青防腐蝕層，其電阻率較大。若防腐蝕層完好，通過防腐蝕層與土壤進(jìn)行交換的電流密度則很小，此時可不考慮入地電流對管道的影響；但管道表面的防腐蝕層不可避免會有破損點(diǎn)的存在，且破損點(diǎn)處的電流密度可能較大，此時入地電流對管道的影響需要考慮。

按照接地極工作模式的不同，干擾電流在管道上流通的方向也有所不同。當(dāng)接地極處于陽極工作模式時，入地電流會在靠近接地極的管道破損點(diǎn)處流入管道，在遠(yuǎn)離接地極的管道流出；當(dāng)接地極處于陰極工作模式時，入地電流在管道上流入流出的方向與陽極運(yùn)行時的相反[11]。

管道受直流干擾時，在管道破損點(diǎn)處如果有直流電流流出，管道金屬與土壤接觸面上將發(fā)生腐蝕反應(yīng)，且電流強(qiáng)度越大，持續(xù)時間越長，管道腐蝕越嚴(yán)重。管道破損點(diǎn)處的電化學(xué)腐蝕程度除受電流密度的影響外，還與其所處的土壤環(huán)境有關(guān)。此外，金屬在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，金屬管道作為電化學(xué)反應(yīng)中的電極，不同的金屬材料對表面的極化電位偏移也可能會有影響。

2 腐蝕參數(shù)確定

根據(jù)上述干擾機(jī)理可知，影響管道腐蝕的相關(guān)參數(shù)有管道金屬材質(zhì)、土壤性質(zhì)、泄漏電流。其中，與腐蝕影響有關(guān)的土壤性質(zhì)包括土壤電阻率、土壤pH、土壤成分，與腐蝕影響有關(guān)的泄漏電流參數(shù)則包括其大小與持續(xù)時間。

2.1 管道金屬材質(zhì)

據(jù)調(diào)研[14-16]，我國90年代建設(shè)的高壓管線多數(shù)采用X65管線鋼，如輪南-庫爾勒，庫爾勒-鄯善管線；目前已建的大型管道工程，西氣東輸一線采用X70管線鋼、西氣東輸二線、三線則采用X80管線鋼。因此，后續(xù)腐蝕規(guī)律試驗(yàn)研究將主要針對X65、X70和X80三種管線鋼開展。

2.2 土壤理化性質(zhì)

2.2.1 土壤電阻率

我國土壤電阻率根據(jù)各地區(qū)實(shí)際情況不同而有較大差異，山區(qū)土壤電阻率較大，可達(dá)上千歐米，而平原地區(qū)則較低，僅為幾十歐米。埋地管線的腐蝕行為與所處的土壤環(huán)境密切相關(guān)，土壤電阻率越低，所含鹽分越多，土壤腐蝕性越強(qiáng)。

GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土壤電阻率將管道所處環(huán)境的土壤腐蝕性進(jìn)行分級：當(dāng)土壤電阻率<20 Ω·m時，土壤腐蝕性強(qiáng)；當(dāng)土壤電阻率為20～50 Ω·m時，土壤腐蝕性中；當(dāng)土壤電阻率>50 Ω·m時，土壤腐蝕性弱。

表1和表2分別為我國21個超/特高壓直流工程接地極和41處腐蝕研究基地試驗(yàn)點(diǎn)的表層土壤電阻率。

由表1可見：在21個接地極極址中，有71%的極址表層土壤電阻率不超過100 Ω·m，而在不超過100 Ω·m的極址中，有47%的極址表層土壤電阻率為10～30 Ω·m。由表2可見：在41個腐蝕研究基地試驗(yàn)點(diǎn)中，有81%的表層土壤電阻率不超過100 Ω·m，而在不超過100 Ω·m的腐蝕試驗(yàn)點(diǎn)中，有約79%的試驗(yàn)點(diǎn)表層土壤電阻率不超過30 Ω·m。結(jié)合土壤腐蝕性分級，強(qiáng)腐蝕性的土壤電阻率選擇10 Ω·m，中腐蝕性的土壤電阻率選擇30 Ω·m，弱腐蝕性的土壤電阻率選擇100 Ω·m，另外選擇500 Ω·m，1 000 Ω·m，1 500 Ω·m作為土壤電阻率規(guī)律研究的補(bǔ)充值。

表1 國內(nèi)21個超/特高壓直流接地極極址表層土壤電阻率Tab. 1 Soil resistivities of 21 extra/ultra HVDC grounding electrode sites

表2 國內(nèi)41個腐蝕研究基地試驗(yàn)點(diǎn)土壤性質(zhì)Tab. 2 Soil properties of test sites at 41 domestic corrosion research bases

綜合上述分析結(jié)果，在后續(xù)腐蝕規(guī)律研究中,土壤電阻率取值為10,30,100,500,1 000,1 500 Ω·m。

2.2.2 土壤pH

我國土壤pH分布情況大致以長江為界，長江以南多為中性、弱酸性土壤，長江以北多為中、堿性土壤。由表2可見：41個試驗(yàn)點(diǎn)中，約22%處的土壤pH為4～7；約78%處的土壤pH大于7，且該范圍內(nèi)約78%處的土壤pH為7～8.5。

由于我國在運(yùn)直流工程極址所在土壤酸堿度以弱堿性和中性土壤為主，故在后續(xù)規(guī)律研究中，土壤pH取值為4、7、8，且重點(diǎn)關(guān)注土壤pH為8的腐蝕試驗(yàn)。

2.2.3 土壤模擬溶液

目前，我國使用的弱堿性土壤模擬溶液主要是庫爾勒土壤模擬溶液和格爾木土壤模擬溶液[17]，其中更常用的是庫爾勒土壤模擬溶液。庫爾勒土壤模擬溶液是典型的堿性土壤模擬溶液，具備土壤模擬溶液的所有主要離子成分且離子成分比較均衡，廣泛用于土壤加速腐蝕試驗(yàn)，庫爾勒試驗(yàn)站是國家材料土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)遴選出的可以代表我國典型土壤環(huán)境的試驗(yàn)站之一(見表3)，在腐蝕研究領(lǐng)域中的認(rèn)可度高。格爾木土壤模擬溶液中的NaCl、MgSO4·6H2O等含量過高，不適宜作為普適性基底溶液。

表3 典型土壤環(huán)境試驗(yàn)站Tab.3 Typical soil environmental test stations

鷹潭土壤站和拉薩土壤站也是國家材料土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)遴選出的代表我國典型土壤環(huán)境的土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站。其中，鷹潭站土壤是我國東南地區(qū)紅壤土的典型代表[18]；拉薩站土壤則是中性土壤的典型代表，考慮到其離子含量低，鋼材在拉薩土壤模擬液中的自腐蝕量會相對較小，有利于腐蝕試驗(yàn)研究。

綜合上述分析，故在采用庫爾勒土壤模擬溶液作為堿性土壤模擬溶液[19-20]，鷹潭土壤模擬溶液作為酸性土壤溶液[21]，拉薩土壤模擬溶液作為中性土壤模擬溶液[22]，其離子含量見表4，溶液電阻率利用去離子水稀釋至指定值，溶液pH則利用5% HCl(余量分級，下同)溶液和5%的NaOH(余量分級，下同)溶液調(diào)節(jié)至所需值。

表4 試驗(yàn)用三種土壤模擬溶液的化學(xué)成分Tab. 4 Chemical composition of three simulated soil solutions used in the test mg/L

2.3 泄漏電流

2.3.1 泄漏電流密度標(biāo)準(zhǔn)演算

調(diào)研現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[23-24]，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推算出管道能夠接受的泄漏電流密度，將此值作為干擾電流的下限。按照電位、腐蝕速率、電流三個方向進(jìn)行分類，表5列出了對直流干擾研究有參考價值的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范調(diào)研結(jié)果。

表5 現(xiàn)行關(guān)于直流干擾研究的標(biāo)準(zhǔn)Tab. 5 Current standards for DC interference studies

由表5可見：各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于腐蝕速率限值中的較大者為0.025 4 mm/a。根據(jù)法拉第定律，腐蝕速率與電流密度之間的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：h為腐蝕深度，cm；A是金屬的相對原子質(zhì)量，取56；n是價數(shù)，取2；ρ是金屬的密度，7.85 g/cm3；F為法拉第常數(shù)，96 500 C/mol；i是陽極電流密度，A/cm2；t為陽極作用時間，s。

假設(shè)直流工程接地極全年持續(xù)以等效入地電流Ie向大地散流，如需要滿足該接地極在鄰近埋地鋼質(zhì)管道上產(chǎn)生的腐蝕速率不大于0.025 4 mm/a，按式(1)計(jì)算可得鋼質(zhì)管道上的泄漏電流密度需不大于0.002 2 mA/cm2。

運(yùn)行安時數(shù)相同，等效入地電流Ie的計(jì)算公式見式(2)(接地極出現(xiàn)陰極運(yùn)行的概率為50%)：

Ie·N=In·[t1+(t2+t3)·0.5]+Iu·N·0.5

(2)

式中：In為接地極額定入地電流；N為接地極設(shè)計(jì)使用壽命，60 a；t1為調(diào)試期單極大地運(yùn)行時間，一般不超過1 d，即0.002 7 a；t2為強(qiáng)迫停運(yùn)時間，接地極年強(qiáng)迫停運(yùn)時間概率為0.5%，t2=0.005N；t3為計(jì)劃停運(yùn)時間，接地極的年計(jì)劃停運(yùn)時間概率為1%，t3=0.01N；Iu為接地極不平衡電流，1%In。

計(jì)算可得：

Ie=0.012 5In；In=80Ie

(3)

按式(3)額定入地電流與等效入地電流的比例關(guān)系估算，接地極在額定入地電流條件下，其在鄰近埋地鋼質(zhì)管道上產(chǎn)生的泄漏電流密度需不大于0.176 mA/cm2。

2.3.2 泄漏電流密度仿真計(jì)算

仿真計(jì)算條件如下：接地極流入電流6 kA，材料為X70圓鋼，接地極到管道的距離為接地極上距管道最近的點(diǎn)到管道的垂直距離,取0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1，5，10，50 km。管道內(nèi)徑為0.59 m，外徑為0.61 m，防腐蝕層電阻率為105Ω·m，厚3 mm，管道全長200 km。土壤電阻率取10，50，100，500，1 000 Ω·m，1 500 Ω·m。

目前國內(nèi)計(jì)算直流接地極對金屬管道影響的主流計(jì)算軟件為加拿大SES公司的CDEGS軟件[2,25]。該軟件在分析電力系統(tǒng)對輸油輸氣管道的交流干擾方面具有強(qiáng)大功能，可以解決大量工程問題。但在計(jì)算直流接地極對金屬管線影響方面，由于其不能考慮金屬的極化效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果往往偏于保守。在準(zhǔn)確的計(jì)算方法還未有成熟成果前，本工作暫用CDEGS軟件進(jìn)行不同條件下管道泄漏電流密度的估算。

根據(jù)調(diào)研情況，70%的管道防腐蝕層漏點(diǎn)面積為1～100 cm2，常見的漏點(diǎn)面積為10 cm2，漏點(diǎn)面積中位數(shù)為6.38 cm2。由于管道涂層缺陷的位置和大小具有隨機(jī)性，通用的處理方法是引入涂層破損率的概念。目前，對于海上管道涂層破損率已有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。而對于陸上管道，由于環(huán)境的多變性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出涂層破損率，只能通過實(shí)測或者經(jīng)驗(yàn)來獲取。在涂層破損率難以開展實(shí)測時，也可采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，以FBE涂層和3PE涂層為例，當(dāng)實(shí)際管道的涂層破損程度難以測取時，可按表6所列數(shù)值進(jìn)行選取。

表6 不同使用年限的FBE/3PE涂層的破損率(經(jīng)驗(yàn)值)Tab. 6 Breakage rates of FBE/3PE coatings with different service lives (empirical values)

表7給出了不考慮極化效應(yīng)，不同土壤電阻率和管道-接地極距離下，接地極電流在管道破損點(diǎn)處(6 cm2破損面積)產(chǎn)生的泄漏電流密度。

表7 泄漏電流密度計(jì)算結(jié)果(破損面積6 cm2，破損率0.002%)Tab. 7 Calculation results of leakage current density (damage area 6 cm2, damage rate 0.002%) (mA/cm2)

根據(jù)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)SP 0169—2007進(jìn)行計(jì)算，可知接地極在鄰近埋地鋼質(zhì)管道上產(chǎn)生的泄漏電流密度需不大于0.176 mA/cm2?？紤]到電源等設(shè)備的精度和穩(wěn)定性，建議以0.3 mA/cm2作為重點(diǎn)試驗(yàn)電流密度的下限值。

由表7可見：當(dāng)接地極與管道距離較近且接地極流超過額定電流時，管道上的泄漏電流密度最高可達(dá)到40 mA/cm2，通常等效入地電流密度約為額定電流的1/80，即等效入地電流密度為0.5 mA/cm2。

根據(jù)DL/T 5224—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接地極與管道距離需不小于10 km，結(jié)合表7的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)接地極與管道距離為10 km時，管道上的泄漏電流密度約為1 mA/cm2。以接地極與管道距離1 km為常規(guī)情況的上限，結(jié)合表7的計(jì)算結(jié)果，以9 mA/cm2作為重點(diǎn)試驗(yàn)電流密度的上限值，另外將此電流密度放大至90 mA/cm2作為補(bǔ)充研究的上限。在1～9 mA/cm2之間再選擇一個電流密度點(diǎn)，如3 mA/cm2。

綜合上述分析，在后續(xù)研究中，設(shè)置電流密度為0.3，0.5，1，3，9 mA/cm2進(jìn)行試驗(yàn)，其他電流密度40，90 mA/cm2作為規(guī)律分析的補(bǔ)充。

2.3.3 持續(xù)時間

持續(xù)時間是利用法拉第定律進(jìn)行選擇的，即某一電流密度下選取一個持續(xù)時間，利用法拉第定律計(jì)算該電流密度下的腐蝕失重[25]，如果此時計(jì)算的腐蝕失重量可利用分析天平測得，則該持續(xù)時間可取。另外持續(xù)時間的選取原則為大電流短時間，小電流長時間。

在后續(xù)的研究中，電流密度選擇1 mA/cm2，持續(xù)時間選擇6 h、1 d和3 d。

3 結(jié)論

首先分析了高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式以及入地電流的特征，然后通過分析直流干擾機(jī)理確定了接地極對管道產(chǎn)生腐蝕影響的參數(shù)，即管道材質(zhì)、土壤電阻率、土壤pH、土壤模擬溶液、泄漏電流密度以及持續(xù)時間。

通過對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)研、計(jì)算及分析，確定了后續(xù)腐蝕試驗(yàn)研究的參數(shù)選值。即試驗(yàn)材料選用X65、X70、X80管線鋼；土壤電阻率選用10，30，100，500，1 000，1 500 Ω·m；土壤pH取4，7，8(重點(diǎn)關(guān)注)；堿性土壤模擬溶液選用庫爾勒土壤模擬溶液，中性土壤模擬溶液選用拉薩土壤模擬溶液，酸性土壤模擬溶液選用鷹潭土壤模擬溶液；泄漏電流密度選用0.3，0.5，1，3，9 mA/cm2，40、90 mA/cm2則作為補(bǔ)充研究參數(shù)。1 mA/cm2泄漏電流密度下持續(xù)時間選用6 h、1 d、3 d。