電氣化鐵路雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕及防護(hù)

張賀宏 張智 王瑋(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029; 2.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局油氣管道工程技術(shù)研究中心,北京 100029; .中國(guó)石油大港石化公司，天津 00280)

電氣化鐵路雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕及防護(hù)

張賀宏1,2張智1,2王瑋3(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029; 2.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局油氣管道工程技術(shù)研究中心,北京 100029; 3.中國(guó)石油大港石化公司，天津 300280)

電氣化鐵路往往會(huì)對(duì)埋地管道產(chǎn)生雜散電流干擾。本文對(duì)雜散電流腐蝕機(jī)理以及一些常用的防護(hù)方法進(jìn)行了闡述。通過(guò)對(duì)某液化氣管道的管地電位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路對(duì)其產(chǎn)生較強(qiáng)的雜散電流干擾。安裝排流設(shè)施保護(hù)后，管道管地電位波動(dòng)顯著降低，雜散電流干擾降低，對(duì)管道起到了有效防護(hù)。

電氣化鐵路;雜散電流;管地電位;排流保護(hù)

0 引言

隨著管道輸送在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位不斷提升，管道輸送的安全問(wèn)題逐漸得到重視。一般長(zhǎng)輸油氣管道輸送易燃易爆或者有毒介質(zhì)，一旦發(fā)生泄露或者爆炸等安全事故，往往會(huì)給人身財(cái)產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及環(huán)境造成巨大的危害。隨著城市電氣化鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展，電氣化鐵路網(wǎng)不可避免的會(huì)有電流漏入土壤中，這些雜散電流會(huì)通過(guò)土壤從管道防腐層破損處流入流出，在土壤和管道間形成回路，而在電流流出的位置會(huì)加速管道本體的腐蝕[1-4]。雜散電流可能使管道短時(shí)間腐蝕穿孔[5-6]，對(duì)管道的安全運(yùn)行危害極大。

雜散電流干擾根據(jù)其干擾源不同可分為直流干擾和交流干擾。直流干擾源有直流電氣化鐵路、電車裝置、直流電網(wǎng)、直流電話電纜網(wǎng)絡(luò)、直流電解裝置、電焊機(jī)及其他構(gòu)筑物陰極保護(hù)系統(tǒng)等，交流干擾源有高壓交流電力線路設(shè)施和交流電氣化鐵路設(shè)施等。本文通過(guò)對(duì)某企業(yè)一處電氣化鐵路引起的雜散電流腐蝕案例進(jìn)行分析，對(duì)雜散電流的腐蝕機(jī)理及防護(hù)措施進(jìn)行了探討。

1 雜散電流腐蝕機(jī)理及防護(hù)措施

雜散電流通過(guò)鐵路軌道流入土壤，由于土壤具有一定的導(dǎo)電能力，雜散電流會(huì)通過(guò)土壤從管道防腐層破損處流入管道，而當(dāng)電流從管道某處流出時(shí)，在土壤和管道之間形成閉合回路，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[7]。在電流流入管道區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)，對(duì)管道腐蝕影響較小，如果電位太負(fù)，陰極區(qū)發(fā)生析氫反應(yīng)，易造成防腐層剝離。在電流流出管道區(qū)域?yàn)殛?yáng)極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)，鐵由單質(zhì)狀態(tài)向離子狀態(tài)轉(zhuǎn)變加快，腐蝕加重。管道在不同環(huán)境土壤介質(zhì)中陰極區(qū)發(fā)生的析氫反應(yīng)和陽(yáng)極區(qū)發(fā)生的氧化反應(yīng)見(jiàn)表1[8]。

表1 雜散電流腐蝕發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)

一般情況下管道在陰極保護(hù)狀態(tài)下，其保護(hù)電位應(yīng)至少達(dá)到-0.85V(vs.CSE),但不能負(fù)于-1.2V(vs.CSE)[9,13]。如保護(hù)電位正于-0.85V，管道往往會(huì)未達(dá)到陰極保護(hù)效果，管體腐蝕較快。而當(dāng)管道長(zhǎng)期在保護(hù)電位負(fù)于-1.2V的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，容易使防腐層產(chǎn)生剝離。由于雜散電流對(duì)管道的保護(hù)電位造成波動(dòng)，當(dāng)保護(hù)電位過(guò)正或過(guò)負(fù)，就會(huì)對(duì)管體的腐蝕有較大的影響，因此對(duì)存在較強(qiáng)雜散電流干擾的管段采取有效的防護(hù)措施是非常必要的。

目前常見(jiàn)的防護(hù)措施有以下幾種：

管道在建設(shè)期應(yīng)合理設(shè)計(jì)管道走向，盡量避開(kāi)可能存在的干擾源；提高干擾區(qū)域管道的防腐層等級(jí)，增大回路電阻；安裝合理有效的排流設(shè)施等。其中常用的排流方法有直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流、接地排流等[2,10-12]。管道排流效果可通過(guò)排流前后正電位的平均值下降率η來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]，正電位的平均值下降率η計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)。

式中： η為排流前后正電位平均值下降率，%；V前為排流前正電位平均值，V；V后為排流后正電位平均值，V。

2 檢驗(yàn)案例

本次對(duì)某企業(yè)所屬的一條液化石油氣管道進(jìn)行雜散電流監(jiān)測(cè)，管道采用犧牲陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)，管道規(guī)格為φ159×7mm，管道材質(zhì)為20#鋼，輸送介質(zhì)為液化石油氣。監(jiān)測(cè)的位置位于管道與電氣化鐵路交叉處。以Cu/CuSO4作為參比電極，采用密間隔電位檢測(cè)儀(CIPS)分別對(duì)排流前后雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為 40 min。

表2 雜散電流干擾程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)管道管地電位波動(dòng)值來(lái)判斷雜散電流的干擾程度，干擾程度評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2[13]。當(dāng)管地電位波動(dòng)值超過(guò)200mV時(shí)應(yīng)采取雜散電流排流保護(hù)或者采取其他防護(hù)措施。

3 結(jié)果與討論

此檢驗(yàn)管段位于地鐵橋下方涵洞出口位置，管道由下向上斜穿，檢測(cè)部位示意圖見(jiàn)圖1。此處管道沒(méi)有安裝支撐件受力較集中，可能存在一定的沖刷腐蝕，且此管段振動(dòng)較嚴(yán)重，防腐層容易出現(xiàn)破損。雜散電流腐蝕易發(fā)生在防腐層破損剝離以及尖角邊棱的位置。

圖1 管道檢測(cè)部位示意圖

經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)此段管道防腐層多處破損，管體腐蝕嚴(yán)重，且存在大量的腐蝕坑，最大腐蝕坑直徑為φ15mm，測(cè)得最大腐蝕坑深3.7mm，管道防腐層破損及管體腐蝕情況見(jiàn)圖2。

圖2 管道防腐層破損及管體腐蝕情況

排流前后管地電位波動(dòng)見(jiàn)圖3。從圖3管地電位波動(dòng)圖中可以看出當(dāng)沒(méi)有電氣化列車經(jīng)過(guò)時(shí)管地電位仍有一定的波動(dòng)，但是波動(dòng)范圍較小，這可能是由于附近其他電力設(shè)施造成的影響。

圖3 管地電位波動(dòng)圖

當(dāng)有電氣化列車經(jīng)過(guò)時(shí)管道的管地電位波動(dòng)明顯變強(qiáng)，管地電位波動(dòng)最大為254mV，雜散電流干擾程度增強(qiáng)。從圖3還表明經(jīng)過(guò)安裝排流設(shè)施后，管地電位波動(dòng)顯著降低，此時(shí)雜散電流干擾較弱。排流前后管地電位檢測(cè)情況見(jiàn)表3。

表3 排流前后管地電位檢測(cè)情況

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路對(duì)此液化氣管道存在雜散電流干擾，管體多處防腐層破損，管體存在大量的腐蝕坑，最大腐蝕坑直徑為φ15mm，可測(cè)最大腐蝕坑深為3.7mm。

通過(guò)管地電位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電氣化列車經(jīng)過(guò)管道上方時(shí)，管地電位波動(dòng)明顯加強(qiáng)，其波動(dòng)值達(dá)到254mV，表明電氣化列車產(chǎn)生的雜散電流對(duì)管道產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾，從而加速管道的腐蝕。在安裝有效的排流設(shè)施后管地電位的波動(dòng)大幅減小，能夠起到有效的防護(hù)。

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Corrosion and Protection of Stray Current Induced by Electric Railway on Buried Steel Pipeline

Zhang Hehong1Zhang Zhi1,2Wang Wei3
( 1.China Special Equipment Inspection and Research Institute,Beijing 100029,China; 2.Oil and Gas Pipeline Engineering Research Center of AQSIQ,Beijing 100029,China; 3.Petrochina Dagang Petrochemical Company,Tianjin 300280,China )

The effect of stray current induced by electrical railway on buried steel pipeline always exist.The corrosion mechanism of stray current and common protection methods were described in this paper.It is found that the electrified railway has a strong stray current interference on the liquefied gas pipeline though the monitoring of the potential of pipeline to soil.The fluctuation of potential of pipeline to soil and the stray current interference decreased after the discharge protection which has an effective protection to the buried steel pipeline.

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