杂散电流对埋地燃气管道的腐蚀及其监测

范峰 张中梁

【摘要】本文简单的阐述了杂散电流对埋地燃气管道的腐蚀原理及其危害，并针对杂散电流对轨道周边的埋地的燃气管道的腐蚀进行了分析，最后介绍针对埋地燃气管道的杂散电流监测以及燃气管道的保护措施。

【关键词】杂散电流燃气管道腐蚀监测

中图分类号：TU996.7 文献标识码： A 文章编号：

随着供电设施（高压线、电气化铁路等）的大量兴建和用电场所（施工工地、地下采矿设施等）的与日俱增，电气化设施会对其附近管道产生动态杂散电流干扰，使管道的交、直流电压产生一定程度的波动。管道的交流干扰源主要来自高压线与电气化铁路。高压线对管道的交流干扰主要是持续性的干扰，干扰形式为感性耦合，干扰值在一定区间内波动。电气化铁路对管道的干扰主要为间歇性的干扰，干扰形式亦为感性耦合。列车在两个供电区间通过时，供电线路会对管道产生一定的干扰，当列车加速时，由于用电量增加，供电线路对管道的干扰影响增大。

一、杂散电流干扰腐蚀原理

杂散电流的主要来源是直流电气化铁路、直流电解设备接地极、阴极保护系统中的阳极地床等。其中以直流电气化铁路引起的杂散电流干扰腐蚀最为严重。当直流电流沿地面敷设的铁轨流动时，直流电流除了在铁轨上流动，还会从铁轨绝缘不良处泄漏到大地，在大地的金属管道上流动，然后返回电源。这部分泄漏的电流称为杂散电流。

杂散电流的流动过程形成了2个由外加电位差建立的腐蚀电池，一个是电流流出铁轨进入管道处，铁轨是腐蚀电池的阳极，管道为阴极，不腐蚀；另一个是电流流出管道返回铁轨处，这时管道是腐蚀电池的阳极，铁轨则是阴极，不腐蚀。图1给出了管道电位的变化图。由图1可判断出管道腐蚀电池的阳极区和阴极区以及杂散电流最强的部位。通常没有杂散电流时腐蚀电池两极电位差仅0.65 V左右，杂散电流存在时管道电位可达8~9 V。因此，杂散电流干扰对金属管道的腐蚀比一般的土壤腐蚀要强烈得多。

图1为杂散电流对管道的干扰示意图，杂散电流必须在某一部位从外部流到受影响的管道上，再流到受影响管道的某些特定部位，并在这些特定部位离开受影响的管道进入大地，返回到原来的直流电源；其它直流干扰源产生的杂散电流腐蚀也具有同样的回路特点。

在杂散电流流出的部位，管体将发生快速腐蚀。腐蚀的严重程度遵循法拉第定律(与流出的杂散电流量成正比，与金属材料的电化学当量成正比)，即：

式中：ΔW——杂散电流造成的管体腐蚀量，g；

N——管体金属的原子量；

I——杂散电流强度，A；

T——杂散电流对受影响管道的作用时间(流出的时间)，s；

n——管体金属的化合价；

F——法拉第常数。

杂散电流在单位面积的管体上产生腐蚀的速度表示为：

杂散电流造成管道腐蚀时，其管体(杂散电流流出处)的阳极反应为：

Fe→Fe+2+2e-

已知：N=55.84 g，n=2，F=26.8 A·h。假设杂散电流的强度为1 mA，杂散电流流出处的管体面积(防腐层破损面积)为1 cm2，于是：

VSC=10.4 g/(m2·h)

取钢质管体的密度为7.80 g/cm3，于是，杂散电流在上述假定条件下引起管体腐蚀的速度为：

VSC=11.68 mm/a≈1 mm/月

当受干扰的管体上有1 cm2的防腐层破损，且在该处有1 mA的杂散电流流出时，杂散电流对管体的腐蚀速率为1 mm/月。当杂散电流的强度比1 mA更大，或流出的面积比1 cm2更小时，管体的腐蚀速率会更高。

图1杂散电流对管道的干扰

二、杂散电流对燃气管道的影响

1、直流杂散电流对燃气管道的影响

(1)腐蚀强度危害大。埋地金属燃气管道无杂散电流时，只有自然腐蚀，大部分为原电池型，驱动电位差只几百毫伏，腐蚀电流只几十毫安；而杂散电流干扰腐蚀时是电解电池原理，电位可达几伏，电流最大可能上百安。根据法拉第电解定律，1A的电流通过钢管表面流向土壤溶液一年可溶解约10 kg，由此可看出直流杂散电流干扰腐蚀相对其它原因引起的腐蚀严重得多。

(2)范围广，随机性强。杂散电流干扰腐蚀范围大，特别是地铁的杂散电流几乎影响整个城区的地下金属管网；轨道与地的绝缘电阻，管道的防腐绝缘层电阻，土壤电阻率、电流大小等都是变化的，因此杂散电流流向也是随机的，给防护带来一定难度。

2、交流杂散电流对燃气管道的影响

电气化铁路在运行状态下对相邻的地下金属管道会产生交流干扰。国内外对交流干扰研究结果均表明，交流干扰对地下金属管道的危害很大，在故障状态下瞬间感应电压可能击穿管道的绝缘层、绝缘法兰，甚至击毁阴极保护设备并对生产操作人员人身安全造成威胁；此外交流电的存在可引起电极表面的去极化作用，加剧管道腐蚀，交流干扰可加速防腐层的老化，引起防腐层的剥离，干扰阴极保护系统的正常运行，使牺牲阳极系统发生极性逆转，降低牺牲阳极的电流效率，致使管道得不到有效的防腐保护。

二、埋地燃气管道的杂散电流监测

1、管道电位波动检测

埋地燃气管道受到的杂散电流干扰多为动态干扰，表现为管地电位和干扰电流连续动态波动、随机突变等特征，可以采用管地电位波动检测方法，对管地电位进行监测。当电位变化幅度超过50 mV时，确定存在杂散电流干扰，且监测时间不少于30 min.图2是某单位利用DATA-LOGGER数据记录仪，追踪某个测试桩处管地电位随时间的波动情况。每3 s采集1个数据。阴保通电电位波动范围为-1 764~-1 445 mV，电位波动幅度319 mV，评估报告中评定该处有较强连续性杂散电流。

图2 管地电位连续动态监测

2、基于SCM的动态杂散电流检测

短时间的管地电位监测不能判断在役城镇埋地钢质燃气管道是否存在破损点，因此，可以利用2~4个智能感应器进行测量，能够判断杂散电流的方向以及杂散电流在管道上的流进点、流出点，为管道的运行维护、排流改造以及阴极保护提供依据。图3所示为利用SCM测试的杂散电流时变图，其中，圆形罗盘处粗箭头指示管道方向(正上为北向)，细箭头指示杂散电流的方向，移动智能感应器，根据杂散电流大小、方向的改变，可以判断杂散电流在管道上的流进、流出点。

图3 SCM杂散电流测试

三、杂散电流腐蚀防护措施

管道沿线与高压输电线路近距离平行敷设时，高压输电线、电气化铁路会对管道造成干扰，加剧管道的腐蚀，因此管道应尽量远离交流、直流干扰源，并采取相应的保护措施。

1、尽量避开干扰源

根据线路杂散电流源的勘察结果，管道布线时在符合安全要求的前提下，合理选择走向，避开地铁、电气化铁路、输变线路等杂散电流干扰源。对于受杂散电流干扰管道增设绝缘法兰，将被干扰的管道与主干线分隔开，目前国内外没有对管道与电气化铁路的安全间距的专门规定，参照目前相关的标准GB50251－200《3输气管道工程设计规范》。

2、排流保护措施

排流保护措施不同于管道的防腐设计，需按《SY/T 0017-2006 埋地钢质管道直流排流保护技术标准》进行干扰源侧及管道侧测定，根据具体情况进行方案确定。排流保护措施通常采用直接排流、极性排流、强制排流、接地排流四种方案：

a)管/地电位偏移稳定在正方向时，可采用直接排流保护措施。通过导线将管道和干扰源测的负极直接连通，使管道中的干扰电源引入干扰源的负极。此法适用于牵引变电所附近，简单经济、效果好，但范围有限。

b)管/地电位正、负极性交变时，可采用极性排流保护措施。它是通过一极性排流器(一般为二极管)将管道和回流轨道连通，当管道上出现正电位时可把管道中的杂散电流排出，出现负电位时排流器不导通，可防杂散电流的进入。此法安装方便、应用广，但管道距轨道远时效果不好。

c)强制排流主要用于管/地电位正、负极性交变，电位差小，且环境腐蚀较强的情况下使用。通过强制排流器将管道和轨道连通，杂散电流通过强制排流器的整流环排放到轨道上，当无杂散电流时，强制排流器给管道提供一阴极保护电流，使管道处于阴极保护状态。此法保护范围大，地铁停运时可对管道提供阴极保护，但对轨道电位分布有影响，需要外加电源。

d)排流保护系统的管理和监测是保证管道排流保护系统正常运行的关键。管道的排流保护系统管理采取日常管理和重点监测相结合的方式，对管道排流和阴极保护系统运行的技术参数进行及时的记录和分析，对重点管段的排流保护状况进行重点监测，并针对杂散电流干扰状况的变化及时调整排流保护系统的运行情况。

3、阴极保护

杂散电流是随时间不断变化的，多数情况下杂散电流表现得不十分明显，因而管道的自然腐蚀仍会占据主导地位，因此排流保护必须与阴极保护相结合才能有效遏制管道的腐蚀。

4、管道均压

在相邻管道间加设管道均压装置。这些装置有助于平衡相邻管道间的电位，缓解管道间的相互干扰。

5、加强日常维护

为改善管道防腐层绝缘状况，采取检修、补漏与大修相结合的方式，每年均进行管道防腐层的检漏修补工作，以提高管道防腐层质量，为有效地进行排流保护打下较好的基础。同时开展智能清管作业，对重点地段管道的腐蚀风险评估，确保油气管道安全运行。

结束语

杂散电流会对管道本体造成严重的腐蚀，对管道的安全运行具有极大的危害，如果不及时修补，将会发生泄漏事故。通过检验及论证，杂散电流检测仪(SCM)能够有效地检测并发现杂散电流，因此在规定时间内，对燃气管道进行专业性检验，发现隐患，及时修补整改，是燃气管道安全运行的重要保障。

参考文献

[1] 唐永祥，宋生奎，朱坤锋.油气管道的杂散电流腐蚀防护措施[J].石油化工建设. 2007(04)

[2] 秦国治,丁良棉,田志明·管道防腐蚀技术[M].北京:化学工业版社·2003

[3] 席光峰，张峰，韩伟，王培东，姚小静.杂散电流对长输油气管道的危害及其检测[J].油气储运. 2008(07)