侯利濤

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司獨(dú)山子輸油氣分公司，新疆 獨(dú)山子 833600 ）

0 引言

地磁場(chǎng)由源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)和源于地球外部的變化磁場(chǎng)組成，變化磁場(chǎng)起源于分布在地表以上的各種空間電流體系，主要位于電離層、磁層和空間。地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)由于磁場(chǎng)穩(wěn)定一般產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流非常微弱，影響有限。然而，變化磁場(chǎng)的存在，特別是太陽(yáng)活動(dòng)引起的磁暴期會(huì)產(chǎn)生變化幅度較大的地磁感應(yīng)電流，可能對(duì)各種人工長(zhǎng)距離導(dǎo)電體造成顯著影響。國(guó)外（特別是高緯度國(guó)家，如加拿大、芬蘭等）對(duì)地磁感應(yīng)電流干擾管道的現(xiàn)象開(kāi)展了長(zhǎng)期的觀測(cè)、理論研究與預(yù)測(cè)。根據(jù)所建立的管道地磁感應(yīng)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的記錄，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)（磁暴）時(shí)，感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到每公里幾伏至幾十伏，因而對(duì)地下管道產(chǎn)生的雜散電流干擾腐蝕就成為一個(gè)不可忽視的因素[1]。我國(guó)于2013年2月由中國(guó)工程院?jiǎn)?dòng)了復(fù)雜電磁脈沖環(huán)境威脅的戰(zhàn)略研究科技咨詢項(xiàng)目，對(duì)電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的地磁暴危害進(jìn)行了專題研究，獲得了地磁暴侵害西氣東輸一線和陜京二線等管道而引發(fā)管地電位波動(dòng)的數(shù)據(jù)。目前關(guān)于地磁感應(yīng)電流造成地下管道腐蝕穿孔或有明顯腐蝕發(fā)生的報(bào)道較少，但對(duì)其干擾影響的研究已經(jīng)被很多部門所重視。

有多個(gè)指標(biāo)可用來(lái)描述地磁活動(dòng)。Kp指數(shù)是由全球地磁臺(tái)網(wǎng)中13個(gè)地磁臺(tái)站的K指數(shù)計(jì)算得到，用于表示全球地磁活動(dòng)性，每3h采集一個(gè)值。Kp指數(shù)是基于3小時(shí)間隔的算術(shù)平均數(shù)。該指數(shù)是對(duì)數(shù)值，范圍從0（靜止）～9（嚴(yán)重），Kp指數(shù)超過(guò)4的活動(dòng)被認(rèn)為是地磁暴。隨著Kp指數(shù)增加，地磁暴發(fā)生的概率對(duì)數(shù)地減小。一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴[2]。對(duì)于管道而言，Kp指數(shù)是最有用的。

由圖1可知，地磁小擾動(dòng)頻繁發(fā)生，但嚴(yán)重的地磁暴幾乎不發(fā)生。Kp6的地磁暴可能發(fā)生的幾率為2%，可產(chǎn)生平均100mV/km大小的地電場(chǎng)，其電場(chǎng)范圍大致是30～300mV/km。

圖1 不同Kp指數(shù)等級(jí)地磁活動(dòng)的平均發(fā)生率

1 概述

西二線、西三線賽里木湖段管線自投產(chǎn)以來(lái)一直受到外界雜散電流干擾，管線電位波動(dòng)異常，且管線保護(hù)電位未達(dá)陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求。以西三線102#測(cè)試樁自2014年9月～2015年3月的管線通電電位波動(dòng)曲線為例，如圖2所示?？梢?jiàn)管地電位長(zhǎng)期處于波動(dòng)狀態(tài)，且無(wú)規(guī)律，說(shuō)明管道受到的外界干擾是個(gè)持續(xù)的過(guò)程。

圖2 西三線102#測(cè)試樁通電電位波動(dòng)曲線

經(jīng)過(guò)對(duì)新疆烏魯木齊地磁臺(tái)（地理經(jīng)度：87°41′48.″E，地理緯度：43°48′56. ″N）和喀什地磁臺(tái)（地理經(jīng)度：76.0°E，地理緯度：39.5°N）監(jiān)測(cè)的地磁場(chǎng)變化（包括磁偏角、水平強(qiáng)度、垂直強(qiáng)度）調(diào)研，賽里木湖區(qū)域（地理經(jīng)度：81.1°E，地理緯度：44.5°N）與地磁臺(tái)位置接近，推測(cè)地磁擾動(dòng)波形應(yīng)相近。地磁場(chǎng)受外界影響，長(zhǎng)期處于波動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)由于賽里木湖段特殊的地理（近高緯度地區(qū)）及地質(zhì)結(jié)構(gòu)（土壤電阻率較大），該段管線容易受到地磁場(chǎng)的影響，造成管地電位一直處于波動(dòng)狀態(tài)。

基于以上背景，為了進(jìn)一步掌握賽里木湖管道受地磁干擾的影響程度及腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，擬通過(guò)對(duì)被干擾區(qū)域內(nèi)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)、管地電位、腐蝕速率等開(kāi)展連續(xù)監(jiān)測(cè)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)掌握陰極保護(hù)系統(tǒng)的干擾影響規(guī)律，結(jié)合腐蝕速率數(shù)據(jù)及內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估干擾對(duì)管道本體的影響情況，給出影響程度評(píng)估。

2 陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)

西二線、西三線霍爾果斯至精河段管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖3所示。

圖3 西二線和西三線賽里木湖段陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖

圖4為西三線管道沿線4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2021年5月的電位監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看出，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管道通電電位和斷電電位均存在持續(xù)不規(guī)則波動(dòng)，波動(dòng)趨勢(shì)一致，但均未呈現(xiàn)出明顯的隨時(shí)間變化的周期性特點(diǎn)，也無(wú)明顯的靜息期。在特定時(shí)間段內(nèi)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管道電位波動(dòng)幅度同時(shí)增大，如圖中紅框所示5月12日～13日的監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明地磁干擾在這段時(shí)間內(nèi)有所增強(qiáng)。經(jīng)查詢空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站，5月12日20:00～5月13日02:00這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生Kp=7的大地磁暴事件，因此，管道受到的地磁干擾相較于其他時(shí)間明顯增強(qiáng)。

圖4 2021年5月12日大地磁暴時(shí)管段沿線智能測(cè)試樁電位-時(shí)間分布圖及大磁暴事件-空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心

3 陰極保護(hù)效果評(píng)估

3.1 評(píng)估方法

針對(duì)大地電流對(duì)埋地管道造成的干擾影響，本報(bào)告將借助空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站發(fā)布的地磁暴等級(jí)信息，根據(jù)地磁暴等級(jí)分類進(jìn)行陰保效果評(píng)估。評(píng)估時(shí)將計(jì)算一段時(shí)間（以代表性的整月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例）內(nèi)每個(gè)智能電位測(cè)試樁的通電電位、斷電電位的平均值、最大值、最小值，根據(jù)以上數(shù)據(jù)評(píng)估陰極保護(hù)的有效性。

3.2 大地磁暴

在2021年5月份數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)5月12日20:00～5月13日02:00這段時(shí)間內(nèi)干擾顯著增強(qiáng)，Kp等級(jí)達(dá)到7級(jí)，與空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站發(fā)布的“2021年5月12日發(fā)生大磁暴”事件一致，如圖5所示。

圖5 2021年5月12日大地磁暴時(shí)管段沿線智能測(cè)試樁電位-時(shí)間分布圖及大磁暴事件-空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心

西二線智能電位測(cè)試樁干擾監(jiān)測(cè)情況：

在2021.05.01～2021.05.31數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，KP77-KP103管段監(jiān)測(cè)到明顯的地磁干擾現(xiàn)象，表現(xiàn)為所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通電電位均存在不規(guī)則波動(dòng)，而且所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通電電位波動(dòng)趨勢(shì)具有相似性。由于管道埋設(shè)的土壤為典型的戈壁干燥環(huán)境，水含量低，氧含量高，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的試片難以維持穩(wěn)定的極化效果，使得斷電電位表現(xiàn)為對(duì)電流響應(yīng)較快的頻繁波動(dòng)特點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 西二線KP7 7-KP103管段斷電電位-里程分布圖

西三線智能電位測(cè)試樁干擾監(jiān)測(cè)情況：

西三線KP77-KP103管段的地質(zhì)情況與西二線KP77-KP103管段相同，在2021.05.01～2021.05.31數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，從試片表面測(cè)得的直流電流密度來(lái)看，K P 7 7-K P 1 0 3 管段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2021.05.01～2021.05.31期間大多數(shù)時(shí)刻以流入電流為主，僅在極少數(shù)的個(gè)別時(shí)間點(diǎn)電流流出試片。因此整體來(lái)講，該管段在地磁干擾情況下，保護(hù)電位仍可滿足陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則要求。具體來(lái)講，在2021年5月12日，KP77-KP103管段受地磁干擾的強(qiáng)度最大，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)KP79的電位波動(dòng)最大，最正通/斷電電位為3.040V/-0.309V，斷電電位不滿足最小保護(hù)電位要求；最負(fù)通/斷電電位為-4.104V/-1.322V，斷電電位負(fù)于限值臨界電位，如圖7所示。

圖7 西三線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

3.3 中小地磁暴

在2021年9月數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站發(fā)布的地磁暴等級(jí)為5，為中小地磁暴，相較于5月12日的大地磁暴干擾來(lái)看，管道電位及直流電流密度波動(dòng)大小明顯較小，基本保持穩(wěn)定，并且平均斷電電位滿足陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則要求，即在-0.75～-1.2V之間，如圖8、圖9所示。

圖8 2021年9月地磁暴強(qiáng)度表-空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心

圖9 西二線KP77智能測(cè)試樁2021年5月與9月電位時(shí)間對(duì)比圖

西二線智能電位測(cè)試樁干擾監(jiān)測(cè)情況：

在2021.09.01～2021.09.30數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，對(duì)西二線KP77-KP103管段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位分布做統(tǒng)計(jì)分析，從圖10可知，除無(wú)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)外：

圖10 西二線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

西三線智能電位測(cè)試樁干擾監(jiān)測(cè)情況：

在2021.09.01～2021.09.30數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，對(duì)西三線KP77-KP103管段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位分布做統(tǒng)計(jì)分析，從圖11可知，除無(wú)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)異常監(jiān)測(cè)點(diǎn)外：

圖11 西三線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

4 地磁干擾分析

4.1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)地磁干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的確定

國(guó)內(nèi)外提到關(guān)于地電流干擾評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)主要有澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1-2015[3]和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21857-2021[4]。

西二線和西三線賽里木湖管段受到明顯的地電流干擾，管道電位存在持續(xù)頻繁的正向和負(fù)向波動(dòng)，表明陽(yáng)極干擾和陰極干擾密集交替。對(duì)比澳大利亞AS 2832.1-2015和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21857-2021的地電流干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則后，本項(xiàng)目擬采取以下準(zhǔn)則進(jìn)行干擾評(píng)價(jià)：

（1）結(jié)合地磁暴強(qiáng)度信息查詢結(jié)果，利用“干擾電位正于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保護(hù)電位（Ep）的時(shí)間占比不超過(guò)5%”確定干擾是否可以接受；

（2）腐蝕速率低于0.01mm/y。

4.2 地磁干擾的規(guī)律分析

空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心給出的2020-2021年全年地磁暴等級(jí)如表1和圖12所示，Kp=7的大地磁暴1次，Kp=6的中小地磁暴5次、Kp=5的中小地磁暴45次、而Kp≤4的輕度地磁擾動(dòng)每天都在發(fā)生，每個(gè)月的日最大電位差正好是地磁暴等級(jí)較大的時(shí)候。其中，2021年5月12日地磁暴等級(jí)達(dá)到2年來(lái)最高，為Kp=7，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)6h，僅占一年總時(shí)長(zhǎng)的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占一年總時(shí)長(zhǎng)的0.07%～0.14%；Kp=5的中小地磁暴持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占一年總時(shí)長(zhǎng)的0.51%～1.02%；Kp≤4的輕度地磁擾動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占一年總時(shí)長(zhǎng)的98.77%-99.42%，如表1所示?？梢?jiàn)，全年Kp≥5的地磁暴干擾總時(shí)長(zhǎng)占比并不高，絕大部分時(shí)間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾，應(yīng)不會(huì)造成管體發(fā)生腐蝕/氫脆或者防腐層剝離。

表1 地磁暴等級(jí)占比時(shí)間-2 020～2021年

圖12 2020-2021年地磁暴等級(jí)統(tǒng)計(jì)-空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心

4.3 地磁干擾腐蝕分析

本項(xiàng)目綜合利用失重試片法、 ER腐蝕速率探頭法、內(nèi)檢測(cè)對(duì)比分析法三種腐蝕速率檢測(cè)方法對(duì)西二線和西三線賽里木湖受地磁干擾管段的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

截止目前，在西二線KP87測(cè)試樁處通過(guò)ER腐蝕速率探頭測(cè)得試片腐蝕速率為0.00042mm/y，在西二線KP97測(cè)試樁處通過(guò)ER腐蝕速率探頭測(cè)得試片腐蝕速率為0.0044mm/y，均小于0.01mm/y。這表明，在當(dāng)前的地磁干擾強(qiáng)度下，西二線現(xiàn)有陰極保護(hù)水平可有效降低地磁干擾導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，這與2015年的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)試得到的結(jié)論一致。

以下通過(guò)西二線和西三線的內(nèi)檢測(cè)缺陷數(shù)據(jù)對(duì)地磁干擾段的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。西二線霍爾果斯-精河段分別在2012年、2015年和2019年進(jìn)行了三輪漏磁內(nèi)檢測(cè)，該檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的金屬損失缺陷分布對(duì)比如圖13所示，由圖可知，在受到地磁干擾的大約里程70～100km管段內(nèi)檢出的外部金屬損失缺陷數(shù)量顯著減少。地磁干擾管段在2012年、2015年和2019年三輪漏磁內(nèi)檢測(cè)中檢出的外部金屬損失缺陷總數(shù)量分別為17個(gè)、59個(gè)和34個(gè)，其中深度大于10%的數(shù)量分別為1個(gè)（14%wt，里程：90446.4m）、1個(gè)（10%wt，里程：93426.45m）和8個(gè)（最深為22%wt，里程：93406.152m）。

圖13 西二線三輪漏磁內(nèi)檢測(cè)外部金屬損失缺陷的里程對(duì)齊結(jié)果圖

西三線霍爾果斯-精河段分別在2015年和2018年進(jìn)行了兩輪漏磁內(nèi)檢測(cè)，該檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的金屬損失缺陷分布對(duì)比如圖14所示，由圖可知，在受到地磁干擾的大約里程70～100km管段內(nèi)檢出的外部金屬損失缺陷數(shù)量顯著減少。地磁干擾管段在2015年和2018年兩輪漏磁內(nèi)檢測(cè)中檢出的外部金屬損失缺陷總數(shù)量均為3個(gè)，所有缺陷深度均小于10%。

圖14 西三線兩輪漏磁內(nèi)檢測(cè)外部金屬損失缺陷的里程對(duì)齊結(jié)果圖

不同內(nèi)檢測(cè)工具存在性能和精度差異，其檢出缺陷的位置、數(shù)量和尺寸均有差異，相互間難以比較。因此，可以采用全壽命的方法來(lái)預(yù)測(cè)腐蝕缺陷的增長(zhǎng)速率，獲取最深腐蝕缺陷的腐蝕增長(zhǎng)率和全部腐蝕缺陷的平均增長(zhǎng)率。全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率應(yīng)用如下公式計(jì)算：

式中，GRc表示腐蝕增長(zhǎng)速率，mm/y；d2表示最近一次檢測(cè)的腐蝕深度，mm；d1表示上一次檢測(cè)的腐蝕深度，mm；T2表示最近一次檢測(cè)的時(shí)間，y；T1表示上一次檢測(cè)的時(shí)間，如果沒(méi)有，表示管道投產(chǎn)的時(shí)間，y。

根據(jù)全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率計(jì)算可知：西二線在賽里木湖地磁干擾段的外部金屬損失的平均增長(zhǎng)速率為0.1757mm/y。該腐蝕速率遠(yuǎn)大于利用ER探頭測(cè)得的腐蝕速率值。考慮到內(nèi)檢測(cè)檢出的外部金屬損失可能屬于穩(wěn)定缺陷，而且檢測(cè)精度一般為10%wt，因此基于內(nèi)檢測(cè)結(jié)果的全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率值具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦浴?/p>

西三線兩輪內(nèi)檢測(cè)缺陷對(duì)比結(jié)果表明，在地磁干擾段的3個(gè)檢出外部金屬損失缺陷均為穩(wěn)定缺陷，深度未發(fā)生變化。而根據(jù)全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率計(jì)算得到平均增長(zhǎng)速率同樣為0.176mm/y。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，全年大地磁暴干擾（Kp≥7）次數(shù)極少，僅有1次，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)僅占全年時(shí)間的0.07%，而絕大部分時(shí)間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾；

（2）當(dāng)發(fā)生大地磁暴時(shí)，即Kp≥7，管道受地磁干擾嚴(yán)重，管道電位將發(fā)生較大波動(dòng)，西二線最正通/斷電電位達(dá)到3.191V/-0.209V（KP97），最負(fù)通/斷電電位達(dá)到-5.619V/-1.284V（KP97）；西三線最正通/斷電電位達(dá)到3.040V/-0.309V（KP79），最負(fù)通/斷電電位達(dá)到-4.104V/-1.322V（KP79），斷電電位均不滿足陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則要求；

（3）當(dāng)發(fā)生中小磁暴時(shí)，即Kp≤6，管道受地磁干擾程度相較于大地磁暴時(shí)明顯減小，西二線和西三線KP77-KP103管段沿線智能電位測(cè)試樁的平均斷電電位能保持在-0.75～-1.2V之間，滿足陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則要求；

（4）當(dāng)發(fā)生Kp≥7的大地磁暴事件時(shí)，西二線和西三線KP77-KP103管段部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斷電電位相對(duì)保護(hù)準(zhǔn)則正向偏移所對(duì)應(yīng)的時(shí)間比例超出了標(biāo)準(zhǔn)要求的5%的限值；當(dāng)發(fā)生Kp≤6的中小地磁暴事件時(shí)，西二線和西三線KP77-KP103管段所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斷電電位相對(duì)保護(hù)準(zhǔn)則正向偏移所對(duì)應(yīng)的時(shí)間比例低于標(biāo)準(zhǔn)要求的5%的限值，表明管道受干擾程度可接受；

（5）同一時(shí)間段內(nèi)，西二線和西三線KP77-KP103管段沿線所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電位波動(dòng)方向同步—電位正向偏移，電流流出管道；電位負(fù)向偏移，電流流入管道。因此，該管段上并不存在明顯區(qū)分的電流流入段或流出段；

（6）在西二線KP87和KP97測(cè)試樁處通過(guò)ER腐蝕速率探頭測(cè)得試片腐蝕速率均遠(yuǎn)小于0.01mm/y，表明在當(dāng)前的地磁干擾強(qiáng)度下，西二線現(xiàn)有陰極保護(hù)水平可有效降低地磁干擾導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)?；趦?nèi)檢測(cè)結(jié)果得到西二線地磁干擾段的外部金屬損失的平均增長(zhǎng)速率為0.1757mm/y，遠(yuǎn)大于利用ER探頭測(cè)得的腐蝕速率值?？紤]到內(nèi)檢測(cè)檢出的外部金屬損失可能屬于穩(wěn)定缺陷，而且檢測(cè)精度一般為10%wt，因此全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率值具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦裕?/p>

（7）西三線兩輪內(nèi)檢測(cè)缺陷對(duì)比結(jié)果表明，在地磁干擾段的3個(gè)檢出外部金屬損失缺陷均為穩(wěn)定缺陷，深度未發(fā)生變化。而根據(jù)全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率計(jì)算得到平均增長(zhǎng)速率同樣為0.176mm/y，同樣具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦浴?/p>