雜散電流對埋地燃?xì)夤艿赖母g及其監(jiān)測

范峰 張中梁

【摘要】本文簡單的闡述了雜散電流對埋地燃?xì)夤艿赖母g原理及其危害，并針對雜散電流對軌道周邊的埋地的燃?xì)夤艿赖母g進(jìn)行了分析，最后介紹針對埋地燃?xì)夤艿赖碾s散電流監(jiān)測以及燃?xì)夤艿赖谋Ｗo(hù)措施。

【關(guān)鍵詞】雜散電流燃?xì)夤艿栏g監(jiān)測

中圖分類號：TU996.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：

隨著供電設(shè)施（高壓線、電氣化鐵路等）的大量興建和用電場所（施工工地、地下采礦設(shè)施等）的與日俱增，電氣化設(shè)施會對其附近管道產(chǎn)生動態(tài)雜散電流干擾，使管道的交、直流電壓產(chǎn)生一定程度的波動。管道的交流干擾源主要來自高壓線與電氣化鐵路。高壓線對管道的交流干擾主要是持續(xù)性的干擾，干擾形式為感性耦合，干擾值在一定區(qū)間內(nèi)波動。電氣化鐵路對管道的干擾主要為間歇性的干擾，干擾形式亦為感性耦合。列車在兩個供電區(qū)間通過時，供電線路會對管道產(chǎn)生一定的干擾，當(dāng)列車加速時，由于用電量增加，供電線路對管道的干擾影響增大。

一、雜散電流干擾腐蝕原理

雜散電流的主要來源是直流電氣化鐵路、直流電解設(shè)備接地極、陰極保護(hù)系統(tǒng)中的陽極地床等。其中以直流電氣化鐵路引起的雜散電流干擾腐蝕最為嚴(yán)重。當(dāng)直流電流沿地面敷設(shè)的鐵軌流動時，直流電流除了在鐵軌上流動，還會從鐵軌絕緣不良處泄漏到大地，在大地的金屬管道上流動，然后返回電源。這部分泄漏的電流稱為雜散電流。

雜散電流的流動過程形成了2個由外加電位差建立的腐蝕電池，一個是電流流出鐵軌進(jìn)入管道處，鐵軌是腐蝕電池的陽極，管道為陰極，不腐蝕；另一個是電流流出管道返回鐵軌處，這時管道是腐蝕電池的陽極，鐵軌則是陰極，不腐蝕。圖1給出了管道電位的變化圖。由圖1可判斷出管道腐蝕電池的陽極區(qū)和陰極區(qū)以及雜散電流最強(qiáng)的部位。通常沒有雜散電流時腐蝕電池兩極電位差僅0.65 V左右，雜散電流存在時管道電位可達(dá)8~9 V。因此，雜散電流干擾對金屬管道的腐蝕比一般的土壤腐蝕要強(qiáng)烈得多。

圖1為雜散電流對管道的干擾示意圖，雜散電流必須在某一部位從外部流到受影響的管道上，再流到受影響管道的某些特定部位，并在這些特定部位離開受影響的管道進(jìn)入大地，返回到原來的直流電源；其它直流干擾源產(chǎn)生的雜散電流腐蝕也具有同樣的回路特點。

在雜散電流流出的部位，管體將發(fā)生快速腐蝕。腐蝕的嚴(yán)重程度遵循法拉第定律(與流出的雜散電流量成正比，與金屬材料的電化學(xué)當(dāng)量成正比)，即：

式中：ΔW——雜散電流造成的管體腐蝕量，g；

N——管體金屬的原子量；

I——雜散電流強(qiáng)度，A；

T——雜散電流對受影響管道的作用時間(流出的時間)，s；

n——管體金屬的化合價；

F——法拉第常數(shù)。

雜散電流在單位面積的管體上產(chǎn)生腐蝕的速度表示為：

雜散電流造成管道腐蝕時，其管體(雜散電流流出處)的陽極反應(yīng)為：

Fe→Fe+2+2e-

已知：N=55.84 g，n=2，F(xiàn)=26.8 A·h。假設(shè)雜散電流的強(qiáng)度為1 mA，雜散電流流出處的管體面積(防腐層破損面積)為1 cm2，于是：

VSC=10.4 g/(m2·h)

取鋼質(zhì)管體的密度為7.80 g/cm3，于是，雜散電流在上述假定條件下引起管體腐蝕的速度為：

VSC=11.68 mm/a≈1 mm/月

當(dāng)受干擾的管體上有1 cm2的防腐層破損，且在該處有1 mA的雜散電流流出時，雜散電流對管體的腐蝕速率為1 mm/月。當(dāng)雜散電流的強(qiáng)度比1 mA更大，或流出的面積比1 cm2更小時，管體的腐蝕速率會更高。

圖1雜散電流對管道的干擾

二、雜散電流對燃?xì)夤艿赖挠绊?/p>

1、直流雜散電流對燃?xì)夤艿赖挠绊?/p>

(1)腐蝕強(qiáng)度危害大。埋地金屬燃?xì)夤艿罒o雜散電流時，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅(qū)動電位差只幾百毫伏，腐蝕電流只幾十毫安；而雜散電流干擾腐蝕時是電解電池原理，電位可達(dá)幾伏，電流最大可能上百安。根據(jù)法拉第電解定律，1A的電流通過鋼管表面流向土壤溶液一年可溶解約10 kg，由此可看出直流雜散電流干擾腐蝕相對其它原因引起的腐蝕嚴(yán)重得多。

(2)范圍廣，隨機(jī)性強(qiáng)。雜散電流干擾腐蝕范圍大，特別是地鐵的雜散電流幾乎影響整個城區(qū)的地下金屬管網(wǎng)；軌道與地的絕緣電阻，管道的防腐絕緣層電阻，土壤電阻率、電流大小等都是變化的，因此雜散電流流向也是隨機(jī)的，給防護(hù)帶來一定難度。

2、交流雜散電流對燃?xì)夤艿赖挠绊?/p>

電氣化鐵路在運(yùn)行狀態(tài)下對相鄰的地下金屬管道會產(chǎn)生交流干擾。國內(nèi)外對交流干擾研究結(jié)果均表明，交流干擾對地下金屬管道的危害很大，在故障狀態(tài)下瞬間感應(yīng)電壓可能擊穿管道的絕緣層、絕緣法蘭，甚至擊毀陰極保護(hù)設(shè)備并對生產(chǎn)操作人員人身安全造成威脅；此外交流電的存在可引起電極表面的去極化作用，加劇管道腐蝕，交流干擾可加速防腐層的老化，引起防腐層的剝離，干擾陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使?fàn)奚枠O系統(tǒng)發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，降低犧牲陽極的電流效率，致使管道得不到有效的防腐保護(hù)。

二、埋地燃?xì)夤艿赖碾s散電流監(jiān)測

1、管道電位波動檢測

埋地燃?xì)夤艿朗艿降碾s散電流干擾多為動態(tài)干擾，表現(xiàn)為管地電位和干擾電流連續(xù)動態(tài)波動、隨機(jī)突變等特征，可以采用管地電位波動檢測方法，對管地電位進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)電位變化幅度超過50 mV時，確定存在雜散電流干擾，且監(jiān)測時間不少于30 min.圖2是某單位利用DATA-LOGGER數(shù)據(jù)記錄儀，追蹤某個測試樁處管地電位隨時間的波動情況。每3 s采集1個數(shù)據(jù)。陰保通電電位波動范圍為-1 764~-1 445 mV，電位波動幅度319 mV，評估報告中評定該處有較強(qiáng)連續(xù)性雜散電流。

圖2 管地電位連續(xù)動態(tài)監(jiān)測

2、基于SCM的動態(tài)雜散電流檢測

短時間的管地電位監(jiān)測不能判斷在役城鎮(zhèn)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿朗欠翊嬖谄茡p點，因此，可以利用2~4個智能感應(yīng)器進(jìn)行測量，能夠判斷雜散電流的方向以及雜散電流在管道上的流進(jìn)點、流出點，為管道的運(yùn)行維護(hù)、排流改造以及陰極保護(hù)提供依據(jù)。圖3所示為利用SCM測試的雜散電流時變圖，其中，圓形羅盤處粗箭頭指示管道方向(正上為北向)，細(xì)箭頭指示雜散電流的方向，移動智能感應(yīng)器，根據(jù)雜散電流大小、方向的改變，可以判斷雜散電流在管道上的流進(jìn)、流出點。

圖3 SCM雜散電流測試

三、雜散電流腐蝕防護(hù)措施

管道沿線與高壓輸電線路近距離平行敷設(shè)時，高壓輸電線、電氣化鐵路會對管道造成干擾，加劇管道的腐蝕，因此管道應(yīng)盡量遠(yuǎn)離交流、直流干擾源，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

1、盡量避開干擾源

根據(jù)線路雜散電流源的勘察結(jié)果，管道布線時在符合安全要求的前提下，合理選擇走向，避開地鐵、電氣化鐵路、輸變線路等雜散電流干擾源。對于受雜散電流干擾管道增設(shè)絕緣法蘭，將被干擾的管道與主干線分隔開，目前國內(nèi)外沒有對管道與電氣化鐵路的安全間距的專門規(guī)定，參照目前相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)GB50251－200《3輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》。

2、排流保護(hù)措施

排流保護(hù)措施不同于管道的防腐設(shè)計，需按《SY/T 0017-2006 埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行干擾源側(cè)及管道側(cè)測定，根據(jù)具體情況進(jìn)行方案確定。排流保護(hù)措施通常采用直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流、接地排流四種方案：

a)管/地電位偏移穩(wěn)定在正方向時，可采用直接排流保護(hù)措施。通過導(dǎo)線將管道和干擾源測的負(fù)極直接連通，使管道中的干擾電源引入干擾源的負(fù)極。此法適用于牽引變電所附近，簡單經(jīng)濟(jì)、效果好，但范圍有限。

b)管/地電位正、負(fù)極性交變時，可采用極性排流保護(hù)措施。它是通過一極性排流器(一般為二極管)將管道和回流軌道連通，當(dāng)管道上出現(xiàn)正電位時可把管道中的雜散電流排出，出現(xiàn)負(fù)電位時排流器不導(dǎo)通，可防雜散電流的進(jìn)入。此法安裝方便、應(yīng)用廣，但管道距軌道遠(yuǎn)時效果不好。

c)強(qiáng)制排流主要用于管/地電位正、負(fù)極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕較強(qiáng)的情況下使用。通過強(qiáng)制排流器將管道和軌道連通，雜散電流通過強(qiáng)制排流器的整流環(huán)排放到軌道上，當(dāng)無雜散電流時，強(qiáng)制排流器給管道提供一陰極保護(hù)電流，使管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)。此法保護(hù)范圍大，地鐵停運(yùn)時可對管道提供陰極保護(hù)，但對軌道電位分布有影響，需要外加電源。

d)排流保護(hù)系統(tǒng)的管理和監(jiān)測是保證管道排流保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。管道的排流保護(hù)系統(tǒng)管理采取日常管理和重點監(jiān)測相結(jié)合的方式，對管道排流和陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行及時的記錄和分析，對重點管段的排流保護(hù)狀況進(jìn)行重點監(jiān)測，并針對雜散電流干擾狀況的變化及時調(diào)整排流保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3、陰極保護(hù)

雜散電流是隨時間不斷變化的，多數(shù)情況下雜散電流表現(xiàn)得不十分明顯，因而管道的自然腐蝕仍會占據(jù)主導(dǎo)地位，因此排流保護(hù)必須與陰極保護(hù)相結(jié)合才能有效遏制管道的腐蝕。

4、管道均壓

在相鄰管道間加設(shè)管道均壓裝置。這些裝置有助于平衡相鄰管道間的電位，緩解管道間的相互干擾。

5、加強(qiáng)日常維護(hù)

為改善管道防腐層絕緣狀況，采取檢修、補(bǔ)漏與大修相結(jié)合的方式，每年均進(jìn)行管道防腐層的檢漏修補(bǔ)工作，以提高管道防腐層質(zhì)量，為有效地進(jìn)行排流保護(hù)打下較好的基礎(chǔ)。同時開展智能清管作業(yè)，對重點地段管道的腐蝕風(fēng)險評估，確保油氣管道安全運(yùn)行。

結(jié)束語

雜散電流會對管道本體造成嚴(yán)重的腐蝕，對管道的安全運(yùn)行具有極大的危害，如果不及時修補(bǔ)，將會發(fā)生泄漏事故。通過檢驗及論證，雜散電流檢測儀(SCM)能夠有效地檢測并發(fā)現(xiàn)雜散電流，因此在規(guī)定時間內(nèi)，對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行專業(yè)性檢驗，發(fā)現(xiàn)隱患，及時修補(bǔ)整改，是燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行的重要保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐永祥，宋生奎，朱坤鋒.油氣管道的雜散電流腐蝕防護(hù)措施[J].石油化工建設(shè). 2007(04)

[2] 秦國治,丁良棉,田志明·管道防腐蝕技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)版社·2003

[3] 席光峰，張峰，韓偉，王培東，姚小靜.雜散電流對長輸油氣管道的危害及其檢測[J].油氣儲運(yùn). 2008(07)