李 偉，郭艷偉，劉禮良，鮑俊濤

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；3.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029）

埋地管道的防腐層性能降低或破損時，陰極保護(hù)可以防止管道快速腐蝕破壞［1］。隨著電力、交通等行業(yè)的高速發(fā)展，埋地管道往往和高壓電線塔、鐵路、地鐵等設(shè)施平行或交叉埋設(shè)，其陰極保護(hù)裝置的有效性和測量準(zhǔn)確性不可避免受到雜散電流的干擾，影響埋地管道的安全使用［2-5］。

1 雜散電流定義、種類、腐蝕機(jī)理及檢測［6-9］

1.1 雜散電流定義

雜散電流腐蝕本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕，由于埋地管道具有導(dǎo)電性，雜散電流從管道的一個部位流入，從另一個部位流出，導(dǎo)致管道表面電流密度發(fā)生變化，形成電位差，即雜散電流干擾。

1.2 雜散電流種類

1.2.1 靜態(tài)直流雜散電流

靜態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示意圖見圖1。

圖1 靜態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示圖

當(dāng)2條管道距離較近時，在被保護(hù)管道的陽極地床附近，部分陰極保護(hù)電流進(jìn)入受干擾管道，在其中穿行一段距離后從某處離開受干擾管道，又重新返回被保護(hù)管道內(nèi)。此過程在受干擾管道內(nèi)部形成了靜態(tài)直流雜散電流。

此種靜態(tài)直流雜散電流的特點是電流穩(wěn)定，電流大小和方向基本不變，管地電位（管道對地的電位）在雜散電流流出部位正向偏移，受干擾管道在此處發(fā)生腐蝕。

1.2.2 動態(tài)直流雜散電流

動態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示意圖見圖2。

圖2 動態(tài)直流雜散電流產(chǎn)生過程示圖

由地鐵、輕軌排流裝置向大地排放的電流流入附近的管道，產(chǎn)生動態(tài)直流雜散電流，其電流大小和方向一直在變化。尤其機(jī)務(wù)段鐵軌與地網(wǎng)之間的限壓低、鐵軌與道基絕緣差、漏電多，處于該段的管道會受到嚴(yán)重的腐蝕干擾。

1.2.3 高壓直流輸電線路干擾

高壓直流輸電線路干擾過程示意圖見圖3。

圖3 高壓直流輸電線路干擾過程示圖

高壓直流輸電線路在單極放電時，電源端和負(fù)載端將電流排放到大地，電流流入附近的埋地管道會造成腐蝕干擾。高壓直流輸電線路的干擾電壓有時會達(dá)到幾百伏，嚴(yán)重危害工作人員以及管道上設(shè)備的安全。

1.2.4 傳導(dǎo)型交流干擾

雷擊等大電流通過高壓電塔流入大地時，若電塔附近存在埋地管道，大電流會瞬間燒穿管道外防腐層，甚至擊穿管壁、傷害人員等。

1.2.5 感應(yīng)型交流干擾

埋地管道與多根高壓輸電線平行敷設(shè)時，每根輸電線的電流不平衡，管道與每根輸電線的間距亦不相同，因此管道上會形成電磁感應(yīng)的交流電壓和交流電流。管道距離輸電線路越近，平行距離越長，土壤電阻率越高，感應(yīng)出的交流電壓越高，反之則越低。

1.3 雜散電流腐蝕機(jī)理

埋地管道的雜散電流腐蝕屬于電化學(xué)反應(yīng)中的電解作用［10］，雜散電流通過大地進(jìn)入到埋地管道中，形成腐蝕電池，電流流入的區(qū)域得到電子為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，其電位向負(fù)向偏移，因此不發(fā)生腐蝕。電流流出區(qū)域失去電子為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)，其電位向正向偏移，因此發(fā)生腐蝕［11-12］。但當(dāng)陰極電位過大時，陰極區(qū)消耗電子發(fā)生析氫腐蝕［13］，導(dǎo)致外防腐層發(fā)生剝離，甚至發(fā)生氫脆以及氫致開裂［14］。陰、陽極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為［15］：

1.4 雜散電流檢測

根據(jù)GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》［16］，應(yīng)采用管地極化電位或斷電電位（消除IR降，即消除保護(hù)回路中的電流I與電解質(zhì)電阻和管道電阻R的乘積）評價管道陰極保護(hù)是否有效，埋地管道的極化電位相對于Cu/CuSO4參比電極負(fù)于-850 mV或者陰極極化量達(dá)到100 mV，認(rèn)為陰極保護(hù)是有效的。根據(jù)GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［17］，受雜散電流干擾時，一般采用瞬時斷電法來檢測斷電電位，進(jìn)而評判陰極保護(hù)的有效性。AS 2832.1-2015《Cathodic Protection of Metals Pipes and Cables》［18］中重點考慮了管地電位正于保護(hù)電位的時間比例，即并非每個時刻管地電位均負(fù)于-850 mV，正于-850 mV的時間占總檢測時間的比例是重要參考因素。EN 50162-2004《Protection Against Corrosion by Stray Current from Direct Current Systems》［19］亦采用消除IR降的斷電電位來評估陰極保護(hù)的有效性，同時建議采用流探針測試法連續(xù)24 h監(jiān)測，通過統(tǒng)計低于基準(zhǔn)值不同百分比的累積持續(xù)時間來評估管道面臨的腐蝕危險。

上述各國標(biāo)準(zhǔn)均采用消除IR降后的斷電電位評價雜散電流干擾下埋地管道的陰極保護(hù)有效性。目前斷電電位的檢測方法主要有密間隔電位測試法（CIPS）和極化試片法2種，其中極化試片法可以消除直流雜散等干擾因素，且測試方法簡單，廣泛應(yīng)用于陰極保護(hù)檢測中［20］。一般根據(jù)GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》［21］選取和管道類似材質(zhì)、適當(dāng)?shù)男螤詈兔娣e的試片進(jìn)行斷電電位的測量。

2 雜散電流下陰極保護(hù)有效性評價實例

2.1 項目概況

某工程項目埋地管道總長約65 km。于2011-12完工投入使用，2015年完成首次定期檢驗。管道設(shè)計管徑457 mm，設(shè)計壓力6.3 MPa，運行壓力4.0 MPa,輸送介質(zhì)為天然氣，采用X52鋼級，設(shè)計規(guī)模4.5×108m3/a。管道存在與高壓輸電線路和鐵路并行情況，部分管段有并行管道正在施工。本次評價于2019-12開展，2020-05結(jié)束，其中包含雜散電流干擾測試、陰極保護(hù)有效性評價。

2.2 陰極保護(hù)有效性評價

采用極化試片法進(jìn)行雜散電流的檢測，按照AS 2832.1-2015和 GB/T 21448-2017綜合判斷陰極保護(hù)效果。

將試片埋入管道沿線的65個測試樁（編號為001～065），埋深均在 50 cm以上，設(shè)置極化時間24 h以上。對這65個測試樁的直流通電電位、直流斷電電位、交流電壓、直流電流、交流電流進(jìn)行24 h監(jiān)測。記錄測試時段內(nèi)各個測試樁的最大電位和最小電位。

根據(jù)測試持續(xù)的時間以及每個測試時間點的斷電電位，計算平均電位、平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的時間比例、平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+50 mV的時間比例、平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+100 mV的時間比例以及平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+850 mV的時間比例。

按照平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的時間比例小于5%、平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+50 mV的時間比例小于2%、平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+100 mV的時間比例小于1%、平均電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+850 mV的時間比例小于0.2%的標(biāo)準(zhǔn)綜合判斷陰極保護(hù)效果。當(dāng)這4個時間比例均在所要求的判定比例之內(nèi)（即分別為 5%、2%、1%、0.2%）時，判定結(jié)果為合格，否則不合格。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，這65個測試樁中有45個合格，20個不合格，以測試樁數(shù)量計算的合格率為69.2%。不合格測試樁斷電電位（消除IR降后）測量及評價數(shù)據(jù)見表1，可以看到部分測試樁的平均斷電電位負(fù)于-850 mV，但由于正于保護(hù)電位的比例較高，說明這些測試樁附近的管道受到雜散電流干擾比較嚴(yán)重。

表1 不合格測試樁斷電電位（消除IR降后）測量及評價數(shù)據(jù)

2.3 陰極保護(hù)失效原因分析

通過雜散電流監(jiān)測可以看出，全線直流瞬時干擾嚴(yán)重，分析認(rèn)為這可能與并行管道施工有關(guān)。交流干擾主要是220 kV交流輸電線路和電氣化鐵路并行有關(guān)，001～032號測試樁之間的部分管道受到220 kV交流輸電線路干擾，干擾形式主要是感應(yīng)型。033～065號測試樁之間的管道主要受電氣化鐵路干擾，干擾形式主要是傳導(dǎo)型，特別是051～059號測試樁之間管段的交流電壓峰值達(dá)到34 V，存在較大的人身傷害及腐蝕風(fēng)險。選取具有代表性的不合格測試樁的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3.1 005號測試樁

005號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 005號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

005號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，該處直流電流基本平穩(wěn)，但存在瞬時波動較大的情況。交流電流和交流電壓較大，這是由于該處管道與交流輸電線路為平行敷設(shè)，由電磁感應(yīng)出交流電壓和交流電流，導(dǎo)致斷電電位在-850 mV上下波動，且正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)比例為68.05%，造成陰極保護(hù)失效。

2.3.2 009號測試樁

009號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 009號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

009號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，該處直流電流波動較小，但存在瞬時干擾。交流電壓及交流電流基本無波動，此段管道的斷電電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)比例為93.94%，陰極保護(hù)失效的原因可能為該段管道敷設(shè)在山區(qū)，土壤電阻率過大，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流流入較少。

2.3.3 013號測試樁

013號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 013號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

013號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，該段管道斷電電位在某一時間段突然正向偏移，甚至達(dá)到正值，對應(yīng)時間段的交流電壓發(fā)生劇烈波動，原因可能系鄰近的并行管道施工用電，導(dǎo)致陰極保護(hù)失效。

2.3.4 054號測試樁

054號測試樁的雜散電流檢測數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 054號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)

054號測試樁雜散電流檢測數(shù)據(jù)顯示，斷電電位在一些時間點存在劇烈波動，對應(yīng)時間點的交流電壓、交流電流均存在較大波動，原因可能是此處管道附近有條鐵路，在固定時間點均有火車經(jīng)過，受到鐵路的交流干擾，導(dǎo)致陰極保護(hù)失效。

3 結(jié)語

介紹了雜散電流的定義、腐蝕機(jī)理以及檢測方法。通過工程實例，落實了雜散電流檢測、斷電電位測量以及陰極保護(hù)有效性評價的完整流程，可為工程實際應(yīng)用提供指導(dǎo)及參考。對某段管道沿線65個測試樁的檢測和評價結(jié)果表明，①沿線共有45個測試樁陰極保護(hù)合格，20個測試樁不合格，以測試樁的數(shù)量計算的合格率為69.2%。②全線直流瞬時干擾嚴(yán)重，可能與并行管道施工有關(guān)。③部分管道受到220 kV交流輸電線路干擾，由電磁感應(yīng)出的交流電壓和交流電流波動較大，造成陰極保護(hù)不合格。④部分管道存在敷設(shè)在山區(qū)情況，土壤電阻率較大，陰極保護(hù)電流流入較少，造成陰極保護(hù)不合格。⑤與鐵路并行的管段在某些時刻的交流電壓、交流電流劇烈波動，造成斷電電位相應(yīng)波動，導(dǎo)致陰極保護(hù)失效。