曹濱濱

(無(wú)錫華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰荆瑹o(wú)錫 214000)

隨著無(wú)錫市地鐵的相繼投運(yùn)、高鐵以及高壓輸電線不斷建設(shè)，雜散電流腐蝕埋地鋼質(zhì)管道的問(wèn)題也日益突出，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致鋼質(zhì)管道穿孔引起燃?xì)獍踩鹿?。為了保證管道安全運(yùn)行，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)引起燃?xì)夤艿栏g的雜散電流進(jìn)行研究，并制定相應(yīng)的控制和防范措施。

無(wú)錫華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰舅鶎偃細(xì)夤艿啦捎?層PE防腐蝕層和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)方式，高壓、次高壓燃?xì)夤艿赖墓懿臑閄52管線鋼，管徑為610 mm。全線共設(shè)置門站和儲(chǔ)備站3座,站場(chǎng)和閥室22座，在進(jìn)出站均設(shè)有絕緣接頭。

1 無(wú)錫地鐵引起的直流雜散電流干擾

無(wú)錫地鐵現(xiàn)已開(kāi)通地鐵1號(hào)線、2號(hào)線和3號(hào)線一期，地鐵3號(hào)線二期和地鐵4號(hào)線正在建設(shè)中。隨著地鐵線路的開(kāi)通，燃?xì)夤艿朗艿降母蓴_越來(lái)越嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)近幾年的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于干擾導(dǎo)致電位不達(dá)標(biāo)的位置多出現(xiàn)在管道與地鐵線路的交叉點(diǎn)。某燃?xì)夤艿繪D35-GCS00014-1測(cè)試樁位于無(wú)錫地鐵1號(hào)線旁260 m，地鐵運(yùn)營(yíng)階段該處管道通電電位在-9.166～5.890 V劇烈波動(dòng)，而夜間地鐵停運(yùn)后通電電位相對(duì)平穩(wěn)，見(jiàn)圖 1。將該測(cè)試樁的斷電電位單獨(dú)作圖，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在地鐵運(yùn)營(yíng)階段斷電電位在-0.026～-1.280 V波動(dòng)，而夜間地鐵停運(yùn)后斷電電位(-1.137～-1.133 V)相對(duì)平穩(wěn)。上述數(shù)據(jù)均是采用管道業(yè)內(nèi)比較先進(jìn)的檢測(cè)方法，通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀、6.5 cm2試片和便攜式Cu/飽和CuSO4參比電極獲取的[1-2]。

圖1 LD35-GCS00014-1號(hào)測(cè)試樁處管道電位的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 LD35-GCS00014-1測(cè)試樁斷電電位的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)斷電電位數(shù)據(jù)分析可知，夜間地鐵停運(yùn)時(shí)斷電電位在-1.13 V左右，而在地鐵運(yùn)營(yíng)階段，斷電電位多次出現(xiàn)負(fù)于-1.20 V的情況，這表明試片/管道不斷吸收直流雜散電流，產(chǎn)生過(guò)保護(hù)現(xiàn)象。

根據(jù)GB 50991-2014標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)于已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道保護(hù)電位不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)測(cè)試參數(shù)做了詳細(xì)規(guī)定：測(cè)試點(diǎn)間距以50～200 m為宜，最大間距不宜大于500 m；測(cè)試持續(xù)時(shí)間以24 h為宜，但應(yīng)大于1 h，且應(yīng)選擇覆蓋干擾源負(fù)荷的高峰、平峰和低谷三個(gè)時(shí)間段；測(cè)試次數(shù)不宜少于三次；測(cè)試讀數(shù)時(shí)間間隔以10～30 s為宜，管地電位變動(dòng)劇烈時(shí)以1 s為宜。但對(duì)動(dòng)態(tài)直流干擾下直流干擾評(píng)價(jià)采取“一刀切”的方式，即測(cè)試持續(xù)時(shí)間(80 000 s約22.22 h)內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)正于最小保護(hù)電位(-850 mV)的數(shù)據(jù)即判斷為不合格。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直流干擾評(píng)價(jià)過(guò)于嚴(yán)格。同時(shí)，測(cè)試結(jié)果受試片的面積、埋設(shè)時(shí)間、埋設(shè)深度等影響，容易造成誤判，有時(shí)出現(xiàn)大部分受地鐵直流干擾的管道均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)果。綜上所述，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不太適用于強(qiáng)直流干擾下管道直流干擾評(píng)價(jià)。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[1-4]，采用澳大利亞AS 2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)錫某燃?xì)夤艿浪苤绷鞲蓴_進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，LD35-GCS00014-1測(cè)試樁測(cè)得的斷電電位比保護(hù)準(zhǔn)則規(guī)定的保護(hù)電位(-850 mV)高15.68%，大于5%的界限，因此該處管道處于欠保護(hù)狀態(tài)。

除了在管道與地鐵交叉的位置，管道斷電電位會(huì)發(fā)生劇烈波動(dòng)，與地鐵車輛或停車場(chǎng)靠近的管道也會(huì)出現(xiàn)斷電電位的劇烈波動(dòng)，斷電電位不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致管道腐蝕，如某燃?xì)夤艿谰嗤哆\(yùn)一年半的軌道交通系統(tǒng)檢修基站僅700 m，管道上出現(xiàn)了深度5.1 mm的腐蝕坑[5]。

無(wú)錫地鐵2號(hào)線青龍山車輛段距離燃?xì)夤艿啦蛔? km，燃?xì)夤艿榔鹬狗謩e為1號(hào)閥室和2號(hào)閥室，閥室均有絕緣接頭，分布有8個(gè)測(cè)試樁，見(jiàn)圖3。根據(jù)AS 2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道所受到的直流干擾進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有5處測(cè)試樁不滿足要求，處于欠保護(hù)狀態(tài)，見(jiàn)表1。

圖3 無(wú)錫某燃?xì)夤艿雷呦蚴疽?/p>

表1 無(wú)錫某燃?xì)夤艿罃嚯婋娢辉u(píng)價(jià)

進(jìn)一步監(jiān)檢測(cè)該段管道直流雜散電流的流入流出情況，為下一步干擾緩解措施設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在該段管道放置多臺(tái)數(shù)據(jù)記錄儀同步監(jiān)檢測(cè)管道電位情況，結(jié)果見(jiàn)圖 4。由圖4可見(jiàn)，在監(jiān)檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，通電電位極正值和極負(fù)值均出現(xiàn)在014號(hào)和005號(hào)樁位置，且每隔一段時(shí)間，兩個(gè)測(cè)試樁會(huì)交替出現(xiàn)極正值和極負(fù)值。對(duì)某時(shí)刻通電電位與測(cè)試樁作圖，見(jiàn)圖 5。由圖5可見(jiàn)，以夜間通電電位數(shù)據(jù)為劃分依據(jù)(圖 5中虛線)，可以得到該段管道在該時(shí)刻的流入-流出位置，當(dāng)014號(hào)樁位置出現(xiàn)極正值(流出)時(shí)，005號(hào)樁位置出現(xiàn)極負(fù)值(流入)，反之亦然，這說(shuō)明014號(hào)樁和005號(hào)樁互為流入流出關(guān)系，分界點(diǎn)位于007號(hào)和008號(hào)樁之間。

圖4 無(wú)錫某燃?xì)夤艿劳婋娢坏耐奖O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 某時(shí)刻無(wú)錫某燃?xì)夤艿劳婋娢?測(cè)試樁號(hào)圖

后期可根據(jù)上述數(shù)據(jù)在005號(hào)樁及014號(hào)樁進(jìn)行饋電試驗(yàn)，結(jié)合用地和用電情況，增加強(qiáng)制排流站，保證恒電位儀在恒電位模式下的最大輸出。

2 交流輸電線路引起的交流雜散電流干擾

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致天然氣和電力需求增大，燃?xì)夤艿篮洼旊娋€路不可避免會(huì)出現(xiàn)臨近、平行或交叉。1號(hào)門站至末站電廠18 km高壓燃?xì)夤艿琅c3條500 kV和1條220 kV輸電線路臨近、平行并多處出現(xiàn)交叉，見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)錫某燃?xì)夤艿琅c周邊輸電線路位置

根據(jù)普查測(cè)試結(jié)果，12號(hào)和18號(hào)樁位置干擾嚴(yán)重，因此采用數(shù)據(jù)記錄儀+1 cm2試片的方式獲取交流電位和交流電流密度等交流干擾數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，采用交流電流密度對(duì)交流干擾程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果也列于表2中。由表2可見(jiàn)，3個(gè)測(cè)試樁處管道受到的交流干擾程度均為“強(qiáng)”。在管道電絕緣處、管道與干擾源發(fā)生位置改變的地方，交流干擾都較為強(qiáng)烈，1號(hào)、18號(hào)樁均靠近絕緣接頭，12號(hào)樁處管道與干擾源發(fā)生位置改變。12號(hào)樁處測(cè)得的交流電位平均值小于4 V，土壤電阻率為13.816 Ω·m，根據(jù)GB/T 50698-2011標(biāo)準(zhǔn)，該處可不采取交流干擾防護(hù)措施，但現(xiàn)場(chǎng)采用1 cm2試片測(cè)試的交流電流密度平均值高達(dá)103.891 A/m2，說(shuō)明該處管道具有很強(qiáng)的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

表2 無(wú)錫某燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_數(shù)據(jù)

ISO 18086-2019 標(biāo)準(zhǔn)Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria和NACE SP 21424-2018標(biāo)準(zhǔn)Alternating current corrosion on cathodically protected pipelines: Risk assessment, mitigation, and monitoring均從土壤電阻率、腐蝕速率、交流電流密度和直流電流密度等方面對(duì)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)判。首先，通過(guò)土壤電阻率來(lái)定性評(píng)判交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；然后，采用腐蝕速率確定在一定直流電流密度(如≤1 A/m2)范圍內(nèi)交流電流密度閾值(如30 A/m2)的方式定性評(píng)判交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。ISO 18086-2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提出了采用交流電流密度與直流電流密度的比值(交/直流電流密度比)判斷交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)比值處于3～5時(shí)，管道存在較小的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)比值大于5時(shí)，管道則存在交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)1 cm2試片進(jìn)行交/直流電流密度測(cè)試時(shí)，試片上的直流電流既有流入又有流出，當(dāng)試片吸收直流雜散電流時(shí)(流入，為負(fù)值)，交/直流電流密度比(JAC/JDC)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

測(cè)得18號(hào)樁處土壤電阻率為11.304 Ω·m，采用1 cm2試片測(cè)試該處交/直流電流密度比，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的交/直流電流密度比的平均值為24.861，最大值為278.866，最小值為-154.561，夜間(電位平穩(wěn)期)交/直流電流密度比的平均值為11.843。這也說(shuō)明，采用上述ISO 18086-2019和NACE SP 21424-2018標(biāo)準(zhǔn)對(duì)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，采樣時(shí)間應(yīng)為一個(gè)有代表性的時(shí)間段(如24 h)。

圖7 無(wú)錫某燃?xì)夤艿?8號(hào)樁處交/直流電流密度比與時(shí)間的關(guān)系曲線

表3 無(wú)錫某燃?xì)夤艿?8號(hào)樁處交/直流電流密度比

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對(duì)18號(hào)樁交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：土壤電阻率為11.304 Ω·m，小于25 Ω·m，為極高風(fēng)險(xiǎn)；交流電流密度平均值大于100 A/m2，且直流電流密度大于1 A/m2，為高風(fēng)險(xiǎn)；交/直流電流密度比大于5，為高風(fēng)險(xiǎn)。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，18號(hào)樁處管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)高，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施。上述評(píng)價(jià)過(guò)程相較于采用交流電位和計(jì)算的交流電流密度數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)更為繁瑣和復(fù)雜，但可以更好地評(píng)價(jià)管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)可根據(jù)相關(guān)方法[6]，采用仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方式對(duì)該段管道進(jìn)行交流干擾緩解設(shè)計(jì)。

3 高速鐵路引起的交流雜散電流干擾

無(wú)錫市境內(nèi)有京滬高鐵、滬寧城際鐵路及其他客運(yùn)、貨運(yùn)鐵路，管道易受電氣化鐵路特別是高鐵造成的交流雜散電流干擾。對(duì)滬寧城際鐵路惠山站附近的LD222-GCS00100-7號(hào)樁進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間雜散電流檢測(cè)，見(jiàn)圖8。結(jié)果顯示，該處管道受到典型的高鐵引起的交流雜散電流影響：當(dāng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)，交流電位和交流電流密度同時(shí)成比例增大，最大交流電位為10.33 V，最大交流電流密度為312.84 A/m2，列車遠(yuǎn)離后交流電位和交流電流密度都趨于平穩(wěn)；當(dāng)城際鐵路夜間無(wú)列車通行時(shí)，交流電位和交流電流密度都較為平穩(wěn)；夜間(測(cè)量時(shí)刻為50 000～60 000 s)交流電位小于4V，交流電流密度為60～65 A/m2，存在一定的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 無(wú)錫某燃?xì)夤艿繪D222-GCS00100-7號(hào)樁處交流干擾數(shù)據(jù)

由于該處直流電流密度大于1 A/m2，采用交/直流電流密度比判斷交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9(a)可見(jiàn)，交/直流電流密度比在-388.19～289.01波動(dòng)，平均值為4.44；夜間城際鐵路和地鐵無(wú)列車運(yùn)行時(shí)，交/直流電流密度都較為平穩(wěn)，因此其比值也平穩(wěn)，而白天受到城際鐵路和地鐵的干擾，交/直流電流密度及其比值均有較大變化。出現(xiàn)比較多負(fù)值的原因是該處受地鐵直流雜散電流干擾比較嚴(yán)重，測(cè)試試片的電流既有流入又有流出，當(dāng)吸收雜散電流(流入，為負(fù)值)時(shí)該處交/直流電流密度比出現(xiàn)負(fù)值，見(jiàn)圖9(b)。

綜上所述，對(duì)受地鐵引起的直流干擾和高鐵引起的交流干擾管道進(jìn)行交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可能較為復(fù)雜。如圖9(b)中處于67 990 s附近的數(shù)據(jù)，該時(shí)刻交流電流密度大于300 A/m2，但直流電流密度小于0，兩者的比值亦小于0。如果按照ISO 18086-2019和NACE SP 21424-2018標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，其交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較小，這與實(shí)際差距較大，采用這種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)可能會(huì)掩蓋某些腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 整體圖

4 結(jié)論與建議

在役城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿蓝嘟ㄔO(shè)在城區(qū)及城區(qū)周邊，易受地鐵、輸電線路和高鐵，以及上述干擾源的混合干擾影響。對(duì)于直流干擾，建議采用6.5 cm2/10 cm2試片進(jìn)行監(jiān)檢測(cè)和評(píng)價(jià)，而對(duì)于交流干擾，建議采用1 cm2試片進(jìn)行監(jiān)檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

(1)對(duì)于動(dòng)態(tài)直流干擾特別是由地鐵引起的直流干擾，采用管道斷電電位進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不太適用。強(qiáng)直流干擾時(shí)，犧牲陽(yáng)極可能無(wú)法抑制嚴(yán)重的干擾(如地鐵維檢修基地附近的管道)，可采用強(qiáng)制電流的方式對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行整治。

(2)不能采用交流電位作為交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)判依據(jù)，而應(yīng)該采用交流電流密度、直流電流密度評(píng)價(jià)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，這樣雖然更為繁瑣和復(fù)雜，但可更好地評(píng)價(jià)管道所受的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

(3)當(dāng)管道受到混合干擾時(shí)，試片的直流電流存在流入和流出，當(dāng)直流電流流出管道時(shí)出現(xiàn)直流電流密度為負(fù)值的現(xiàn)象，使得交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)較為困難。

(4)管道從業(yè)者應(yīng)對(duì)混合干擾情況下管道交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行進(jìn)一步研究，包括修訂現(xiàn)行交流干擾的標(biāo)準(zhǔn)等工作。