王 成

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道塔里木輸油氣分公司,庫(kù)爾勒 841000)

近年來(lái),國(guó)內(nèi)多條管道上均發(fā)現(xiàn)了交流干擾。交流干擾來(lái)源包括電氣化鐵路、交流輸電線路等[1-3]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的埋地鋼質(zhì)管道交流干擾案例,交流輸電線路的干擾情況占多數(shù),且防腐蝕層性能優(yōu)異的管道,如3LPE或FBE防腐蝕層管道,受到的干擾更強(qiáng)烈[4]。

埋地鋼質(zhì)管道的交流干擾機(jī)理主要包括磁性(電磁)干擾和阻性干擾。磁性干擾指管道與電力線路并行或交叉,由于電磁干擾的作用在管道上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),造成管地交流電壓升高。阻性干擾指交流接地裝置泄放故障電流時(shí),地電位升高,令管道防腐蝕層承受較大的電壓差可能擊穿防腐蝕層,甚至對(duì)金屬管壁造成損傷。

交流輸電線路和桿塔對(duì)管道的干擾機(jī)理已有了深入的研究和明確的結(jié)論,管道的防護(hù)措施也已非常成熟[5]。而交流牽引鐵路系統(tǒng)對(duì)管道的干擾還欠缺深入的研究,它的干擾類(lèi)型還在討論中,有人認(rèn)為主要是感性干擾,而有人則認(rèn)為主要是阻性干擾[6-7]。

在交流干擾的評(píng)價(jià)方面,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都取得一些研究進(jìn)展。以往的交流腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法多采用交流電壓指標(biāo)。近期,國(guó)內(nèi)外新的實(shí)踐與標(biāo)準(zhǔn)逐步開(kāi)始僅采用交流電流密度為評(píng)價(jià)指標(biāo),摒棄了傳統(tǒng)的交流電壓指標(biāo)。最新出版的ISO 18086-2019《Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria》以及NACE SP 21424-2018《Alternating Current Corrosion on Cathodically Protected Pipelines:Risk Assessment Mitigation and Monitoring》都提出陰極保護(hù)電位與交流腐蝕的關(guān)聯(lián)性,過(guò)負(fù)的極化電位可能會(huì)促進(jìn)交流電流密度增高,加劇管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。為了緩解管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),除了降低交流電流密度外還應(yīng)注意管道的陰極保護(hù)電位不應(yīng)過(guò)負(fù)。

塔里木分公司轄屬庫(kù)鄯線管道共266 km,采用3層PE防腐蝕層和外加電流陰極系統(tǒng)保護(hù),管徑610 mm,壁厚7.11～11.1 mm。管道共設(shè)置了1個(gè)站場(chǎng)和10個(gè)閥室,共有4個(gè)陰極保護(hù)站。

庫(kù)鄯輸油管道沿線與多處交流輸電線路平行交叉,且與交流牽引鐵路長(zhǎng)距離并行,在以往的常規(guī)檢測(cè)中存在管道交流電壓較高的現(xiàn)象。筆者系統(tǒng)介紹了庫(kù)鄯輸油管道交流干擾專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查工作的成果。以期為解決類(lèi)似干擾問(wèn)題提供借鑒與助益。

1 交流干擾評(píng)價(jià)準(zhǔn)則介紹

國(guó)標(biāo)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)》中有如下規(guī)定:當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí),可不采取交流干擾防護(hù)措施;高于4 V時(shí),應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估。管道受交流干擾的程度可按表1規(guī)定進(jìn)行判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標(biāo)Tab. 1 Evaluation indicators for the degree of communication interference

當(dāng)交流干擾程度判定為“強(qiáng)”時(shí),應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施;判定為“中”時(shí),宜采取交流干擾防護(hù)措施;判定為“弱”時(shí),可不采取交流干擾防護(hù)措施。

ISO 18086-2019 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于交流干擾的要求如下:陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)應(yīng)確保交流電壓水平不會(huì)引起交流腐蝕。具體要求如下:首先交流電壓應(yīng)該降低到15 V以下。該電壓數(shù)值為某時(shí)間段內(nèi)測(cè)量值的平均值;其次,為了有效控制交流腐蝕,要滿(mǎn)足15589-1:2015表1中的陰極保護(hù)電位要求,且在1 cm2試片或探針上測(cè)量得到的有代表性時(shí)間段內(nèi)(如24 h)的平均交流電流密度低于30 A/m2,若交流電流密度大于30 A/m2,在1 cm2試片或探針上測(cè)量得到的有代表性時(shí)間段內(nèi)的平均直流電流密度低于應(yīng)1 A/m2,或在代表性時(shí)間段內(nèi)交流電流密度與直流電流密度之比低于5。

SY/T 0087.6-2021《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 第6部分:埋地鋼質(zhì)管道交流干擾腐蝕評(píng)價(jià)》對(duì)于交流腐蝕評(píng)價(jià)的指標(biāo)規(guī)定如下:管道的交流腐蝕評(píng)價(jià)宜采用腐蝕速率評(píng)價(jià)指標(biāo),也可采用交直流綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。腐蝕速率宜按照表2指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),在滿(mǎn)足管道陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則的前提下,可接受的腐蝕速率指標(biāo)應(yīng)為“低”。采用交直流綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)符合表3要求。一般來(lái)說(shuō),在高土壤電阻率(>100Ω·m)、高溫(>40℃)和硫酸鹽還原菌(SRB)等特殊環(huán)境中,宜采用腐蝕速率指標(biāo)。

表2 基于腐蝕速率的交流腐蝕等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab. 2 AC corrosion level evaluation index based on corrosion rate

表3 交直流綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab. 3 Comprehensive evaluation indicators for AC and DC

GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測(cè)定 防護(hù)準(zhǔn)則》對(duì)于可接受的干擾水平規(guī)定與SY/T 0087.6-2021標(biāo)準(zhǔn)一致:即首先管道平均交流電壓應(yīng)降低至15 V以下,其次為了實(shí)現(xiàn)有效的交流腐蝕緩解,要符合ISO15589-1標(biāo)準(zhǔn)中陰極保護(hù)電位要求,且滿(mǎn)足平均交流電流密度低于30 A/m2,或在平均直流電流密度低于1 A/m2或極化電位正于-1.15 V(相對(duì)于銅硫酸銅參比電極,CSE,文中電位若無(wú)特指均相對(duì)于CSE),且極化電位負(fù)于-0.90 VCSE時(shí),平均交流電流密度大于等于30 A/m2,且小于100 A/m2這兩項(xiàng)條件中的任意一項(xiàng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 陰極保護(hù)有效性

庫(kù)鄯線沿線有4套陰極保護(hù)系統(tǒng),分別位于庫(kù)爾勒原油站、4號(hào)閥室、馬蘭中間站、1號(hào)陰極保護(hù)站,如圖1所示。

圖1 庫(kù)鄯線陰極保護(hù)站的分布示意Fig. 1 Distribution diagram of cathodic protection stations on the Kushan Line

4臺(tái)恒電位儀實(shí)際輸出電流、輸出電壓、參比電位與面板顯示基本一致,恒電位儀均正常,具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 庫(kù)鄯線沿線陰極保護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)Tab. 4 Various parameters of cathodic protection system along the Kushan Line

2.1.1 測(cè)試樁的通電電位

在開(kāi)展交流干擾的調(diào)查前,先對(duì)管道的陰極保護(hù)情況及直流干擾情況進(jìn)行測(cè)試。使用萬(wàn)用表和銅/飽和硫酸銅參比電極對(duì)管道的通電電位進(jìn)行普測(cè),測(cè)量5 min內(nèi)的最大值、最小值及平均值。

由圖2可見(jiàn):管道的通電電位為-1.506～-0.950 V,大部分測(cè)試樁處的通電電位波動(dòng)幅度小于200 mV。

圖2 庫(kù)鄯線部分區(qū)域的通電電位測(cè)試結(jié)果Fig. 2 Test results of electrification potential in some areas of the Kushan Line

2.1.2 直流干擾情況

根據(jù)通電電位的普測(cè)結(jié)果,選取通電電位波動(dòng)大于200 mV和疑似存在直流干擾的位置進(jìn)行直流干擾詳細(xì)測(cè)試(管道72 h通/斷電電位監(jiān)測(cè)),具體過(guò)程如下:

(1) 首先將極化試片或測(cè)試探頭埋在管道附近,試片的面積為6.5 cm2,試片安裝于管道中心線以下,距離管道100～300 mm,將試片與管道用電纜相連,并充分極化(24 h);

(2) 試片充分極化后,在管道與試片的中間安裝數(shù)據(jù)記錄儀,見(jiàn)圖3;

圖3 干擾測(cè)試接線圖Fig. 3 Wiring diagram for interference testing

(3)通斷周期的設(shè)置為通電10s,斷電1s;

(4) 萬(wàn)用表和數(shù)據(jù)記錄儀直流通道的正極連接極化試片,萬(wàn)用表和數(shù)據(jù)記錄儀直流通道的負(fù)極連接參比電極;交流通道一端連接管道,另外一端連接參比電極。若萬(wàn)用表和數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)一致,則可摘除萬(wàn)用表。

(5) 數(shù)據(jù)記錄儀的采集為1 s采集1個(gè)數(shù)據(jù)。

對(duì)35號(hào)～249號(hào)管段56個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行直流雜散電流干擾詳細(xì)檢測(cè)。由圖4可見(jiàn):36號(hào)測(cè)試樁處電位出現(xiàn)頻繁的正負(fù)向波動(dòng),斷電電位隨著通電電位向正、負(fù)向波動(dòng)。231號(hào)測(cè)試樁處通電電位為-1.231～-0.899 V,斷電電位為-1.196～-0.966 V,通電電位的波動(dòng)較小,斷電電位均負(fù)于-0.85 V,直流雜散電流干擾程度較小。

(a) 36號(hào)測(cè)試樁

(b) 231號(hào)測(cè)試樁圖4 庫(kù)鄯線部分測(cè)試樁處的72 h的通斷電電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 4 72 hour on/off potential monitoring results at some test piles along the Kushan Line

由圖5可見(jiàn):庫(kù)鄯線的通電電位為-2.111～-0.193 V,斷電電位皆負(fù)于-0.85 V。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50991-2014,管道均處于有效保護(hù)狀態(tài)。

(a) 通電電位

(b) 斷電電位圖5 庫(kù)鄯線的72 h電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 5 72 hour potential monitoring results of Kushan Line

2.2 交流干擾情況

2.2.1 交流干擾源

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),庫(kù)鄯線共與27條輸電線路交叉并行,與輸電線路交叉26次,與1條電氣化鐵路交叉并行,與電氣化鐵路交叉1次。

2.2.2 交流干擾普查結(jié)果

用萬(wàn)用表采用地表參比法測(cè)量管道每個(gè)測(cè)試樁處的交流感應(yīng)電壓,記錄5 min內(nèi)的最大、最小及平均值。

由圖6可見(jiàn):管道交流電壓為0～15.5V,其中36～180號(hào)和238～250號(hào)測(cè)試樁處的交流干擾電壓高于4 V。管段在遭受干擾時(shí),交流電壓波動(dòng)較大,對(duì)以上管段及附近有交流干擾源的管道進(jìn)行進(jìn)一步的交流干擾專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)。

圖6 庫(kù)鄯線的交流電壓普查結(jié)果Fig. 6 Survey results of AC voltage on the Kushan Line

2.2.3 交流干擾詳測(cè)結(jié)果

根據(jù)普查結(jié)果,對(duì)35～197號(hào)和230～249號(hào)測(cè)試樁位置管段進(jìn)行交流雜散電流干擾專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括:72 h的交流干擾電壓和交流電流密度。

由圖7可見(jiàn):測(cè)試管段的交流電壓為0～71.9 V,8處位置的交流電壓高于33 V,36處交流電壓大于15 V,管道的最大交流電流密度達(dá)到705.60 A/m2,其中有2處位置的交流電流密度平均值大于100 A/m2,分別是150號(hào)和234號(hào)測(cè)試樁處,參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50698-2011,交流干擾程度評(píng)價(jià)為“強(qiáng)”,應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施;其中有19處交流電流密度的平均值為30～100 A/m2,交流干擾程度評(píng)價(jià)為“中”,宜采取交流干擾防護(hù)措施;其余41處電流密度平均值小于30 A/m2,交流干擾程度評(píng)價(jià)為“弱”。交流電壓高于33 V的管段主要為138～152號(hào)測(cè)試樁。

(a) 交流電壓

(b) 交流電流密度圖7 庫(kù)鄯線部分測(cè)試樁處的交流電壓及交流電流密度測(cè)試結(jié)果Fig. 7 Test results of AC voltage (a) and AC current density (b) at some test piles along the Kushan Line

由圖8可見(jiàn):管道的交流電壓和交流電流密度不斷波動(dòng),部分時(shí)間點(diǎn),交流電壓和交流電流密度會(huì)有明顯的上升,然后再下降,判斷為電氣化鐵路造成的干擾,在鐵路上有列出經(jīng)過(guò)時(shí),交流電壓和交流電流密度迅速上升,列車(chē)經(jīng)過(guò)后,管道交流電壓和交流電流密度又降低到較小水平。

圖8 庫(kù)鄯線36#測(cè)試樁管道交流電壓和交流電流密度72 h監(jiān)測(cè)結(jié)果(2020年)Fig. 8 72 hour monitoring results of AC voltage and AC current density of the 36# test pile pipeline on the Kushan Line (2020 year)

本次檢測(cè)評(píng)價(jià)的庫(kù)鄯線輸油管道共約有70 km管道與電氣化鐵路并行,該段管道受到由交流牽引鐵路引起的強(qiáng)烈的交流干擾?；趪?guó)內(nèi)外現(xiàn)有的交流干擾評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),該管道的交流干擾電壓和交流電流密度都較大,具有較高的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。然而,目前現(xiàn)有的交流干擾評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是基于較穩(wěn)定的交流干擾而研究和制訂的,對(duì)于交流牽引鐵路造成的沖擊式干擾,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的適用性存在問(wèn)題。這可能是未來(lái)交流干擾和交流腐蝕研究方面的一個(gè)重點(diǎn)方向。

3 結(jié)論

(1) 本次檢測(cè)的庫(kù)鄯線管段的陰極保護(hù)處于有效狀態(tài),管段受到電氣化鐵路造成的動(dòng)態(tài)交流雜散電流干擾,管道的交流電壓為0～71.9 V,8處交流電壓高于33 V,36處交流電壓大于15 V,管道的最大交流電流密度達(dá)到705.60 A/m2,其中有2處交流電流密度平均值大于100 A/m2,交流干擾程度評(píng)價(jià)為“強(qiáng)”;有19處交流電流密度的平均值為30～100 A/m2,交流干擾程度評(píng)價(jià)為“中”。

(2) 電氣化鐵路對(duì)管道造成的交流干擾為沖擊式干擾,當(dāng)列車(chē)臨近時(shí)干擾增大,列車(chē)遠(yuǎn)離后干擾逐步降低。

(3) 目前,國(guó)內(nèi)外的關(guān)于交流干擾的評(píng)價(jià)指標(biāo)均建立在穩(wěn)態(tài)交流干擾的基礎(chǔ)上,對(duì)于庫(kù)鄯線這種由電氣化鐵路引起的沖擊式干擾,目前尚無(wú)成熟的

評(píng)價(jià)方法;在未來(lái)可以通過(guò)埋設(shè)交流腐蝕試片或?qū)艿劳夥栏瘜悠茡p點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證,核實(shí)管道發(fā)生交流腐蝕的嚴(yán)重程度。

(4) 建議業(yè)界開(kāi)展電氣化鐵路對(duì)管道的干擾影響及對(duì)管道造成的腐蝕影響研究。