埋地钢质管道交流杂散电流测试分析方法及评价准则

李长春，何仁洋，肖 勇，朱宏武

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249；2.中国特种设备检测研究院，北京100013）

近年来我国输电工程、铁路工程、管道工程建设高速发展，2009年底，66kV及以上输电线路长54.7万km；截 止2009年，全国建成原油管道1.7万km、成品油管道1.2万km、天然气管道3.3万km；到2020年，电气化铁路总里程要达到5万km。这使得埋地钢质管道与高压输电线及电气化铁路共用走廊的概率越来越大，当共用走廊时，由于感性耦合、阻性耦合、电容耦合在埋地钢质管道上易产生交流杂散电流，如果管道防腐蚀层出现破损，交流杂散电流从破损处流出，会加速管道的腐蚀，对管道的安全运行造成影响；管道上的高电压对阴极保护设备、管道维护人员也会造成一定的威胁。因此，检测出管道上的交流杂散电流并进行评价非常重要。

1 交流杂散电流检测方法

管道上存在交流杂散电流时，最直观的检测参量就是交流电压。SY／T 0032-2000和GB 50698-2011都给出了交流电压测量的连线图和数据处理方法。根据测量的数据可以找到测量点干扰电压的最大值、最小值并求得平均值，进而可以得到测量点干扰电压随时间变化的曲线以及平均干扰电压在距离上的分布情况［1］。交流电压一般在开挖检测的时候进行，而且它不能评估管道腐蚀的严重程度。

国外在埋设管道的时候通常采取埋设腐蚀检查片或者ER探针（电阴测量法）对管道的交流干扰及腐蚀程度进行监测。在APCE出版的CEOCOR-GUIDE文件中提到的腐蚀检查片分为非永久性便携式检查片和永久性检查片，前者主要用于短期测量和测量管地电位，其测量时间短不用考虑阴极保护电流引起的长期化学变化。永久性埋地检查片腐蚀缺陷面积为1cm2，通常三个一组安装在靠近管线的土壤里，需要与管道电连接接受与管道相同的阴极保护电流和交流干扰。该检查片主要用于长期测量，测量参数包括管地电位、交流电流密度、电流密度比JAC／JDC、扩散电阻［2］。

国内翁永基等［3］根据NACE标准与上海正方电子仪器公司共同开发了智能腐蚀检查片，该仪器可以检测管道交流电位、直流电位、管道与检查片间电流、断电电位等，获得的信息量较大。并把该仪器用到西气东输苏浙沪管线上取得了良好的效果。

ER探针（电阻测量法）是通过测量检查片的物理电阻来评判腐蚀速率，同时还可以测量直流电位、交流电压、交流电流密度等参数。通常有杆状和Flush Type两种，杆状ER探针可以通过钻杆安放在管道相邻的土壤里，Flush Type探针可以挖坑放在管道表面。数据采集器与两个检查片、参比电极、数据传输系统相连。除了检查片和数据采集器，还有相应的软件M-Report SW用来计算探针剩余厚度、腐蚀率、在时间轴上画出所有的测量数据。CEN-TS15280-2006附录中给出了电阻测量法的计算探针厚度和腐蚀速率的理论计算公式。

虽然ER探针可以测量腐蚀速率但其对局部腐蚀灵敏度不高，因此国外有人研究TFER探针，它通过控制感应元件的厚度来提高探针的灵敏度，分为单线TFER传感器（如图1所示）和十线TFER传感器两种（如图2所示）。当交流杂散电流从传感器流出时测量传感器的极化电阻，通过法拉第定律将极化电阻转化为平均腐蚀率［4］。

英国雷迪公司生产的杂散电流测绘仪可测量管道电流和电位值，确定杂散电流的流入点和流出点。但是测量结果没有评判准则，工作人员只能凭借电压和电流的波动程度来判断干扰强弱，但根据波形很难辨别管道是受交／直流干扰。另外，该仪器采用非接触测量，所获得的信号带有许多干扰成分，对测得信号的处理也显得极为重要。

管道上虽然存在交流杂散电流，只要不从管道上流出就不会造成腐蚀，因此作者认为针对交流杂散电流的检测应该先用软件模拟出交流杂散电流可能出现的最大位置，结合PCM查出该位置附近的防腐层破损点，再用ER探针监测该位置可能的腐蚀速率及其他管道相关参数。

2 交流杂散电流检测信号处理方法

交流杂散电流检测参量不同，对信号的处理方法也不同，必须根据对应的检测参量采取相应的处理方法。目前对管地电位信号处理方法较多。K.Darowicki用短时傅里叶变换（STFT）对采集到的管道和铁轨的电位信号进行处理，从得到的时频图中可以发现他们的时频特征是否具有相关性。由此来判断管道是否收到电气化铁路的干扰以及干扰强度［5］。

梁志珊等人采用FFT变换对有阴极保护但受交流干扰的3PE管道的管地电位信号进行分析，能分辨出管道的主要干扰频率，看出干扰能量的大小，分离管地电位信号中的直流成分和交流成分。在现场应用中也取得了较好的效果。

陈振华［6］采取自适应干扰滤波技术对SCM采取到的管地电位信号进行处理，有效地实现了直流成分和交流成分的分离，这对评价交流杂散电流干扰程度和腐蚀程度带来很多好处，特别是在管地电位信号较弱甚至被干扰信号淹没的情况下非常有效。

3 埋地钢质管道腐蚀评价准则

3.1 交流电流密度评价准则

交流电流密度是指埋地钢质管道防腐蚀层破损处单位面积通过的交流电流量，能客观、准确地反映交流腐蚀的情况。下面总结了各国关于交流电流密度的评价准则。

德国在一系列现场案例调查的基础上得到表1结论［7］。

在欧洲标准CEN／TS15280-2006中给出表2所示的评价准则。

ISO 15589-1-2003提出的交流电流密度限值为30A·m-2，大于此值则可能发生交流腐蚀［8］。

表1 德国的交流电流密度评价准则

表2 CEN／TS15280ˉ2006中的交流电流密度评价准则

在EN12954提出了用交流电流密度与直流电流密度之比（JAC／JDC）来进行评价，具体限值 见表3［9］。

表3 EN12954中的交／直流电流密度比值评价准则

Hosokawa在阿姆斯特丹的第23届世界天然气会议上提出了基于直流电流密度的交流电流密度限值：（1）0.1A·m-2≤JDC＜1.0A·m-2，JAC＜25×JDC；（2）1A·m-2≤JDC＜40A·m-2，JAC＜70A·m-2具体的结论如图3。在以后的现场埋片试验中也证实了这个判据的有效性。GB 50698-2011提出基于交流电流密度的交流干扰程度的判断指标，具体数值见表4［1］。

图3 达到保护要求的交流和直流的电流密度关系

表4 GB 50698ˉ2011交流干扰程度的判断指标

3.2 感应交流电流评价准则

CEN／TS 15280-2006提出了用交流感应电流与阴极保护电流的比值来对交流腐蚀情况进行评估，具体限值见表5。

表5 交流电流与直流电流之比评价准则

3.3 交流干扰电压评价准则

SY／T 0032-2000和SY 0007-1999规定管道对地电位限值见表6［10］。

表6 管道对地电位限值

在欧洲标准CEN／TS1528-2006中给出的交流干扰电压限值为：土壤电阻率大于25Ω·m的地方，交流干扰电压限值为10V；土壤电阻率小于25Ω·m的地方，交流干扰电压限值为4V。在有氧土壤中ECu＝-850mV，在包含硫酸盐还原菌的厌氧土壤中ECu＝-950mV。

交流电压进行评价存在一定的局限性，因为有可能交流电压比较大，而从破损点流出的电流比较小，对埋地钢质管道的危害不是很大，当交流电压对人身安全造成危害时，采用此项指标比较合适。交流电流与直流电流之比这种评价准则使用较少，此项指标实质上就是交流电流密度与直流电流密度之比，而且阴极保护电流与交流电流之间是否存在必然联系还有待进一步验证。现在普遍采用的是交流电流密度作为评价准则。

4 结束语

本文主要对埋地钢质管道交流杂散电流腐蚀、检测方法、信号处理方法、评价准则进行了简单介绍。国内研究主要偏向于用腐蚀试片进行腐蚀试验，然后找出比较适合的评价准则，对交流电流作用下管道的腐蚀机理研究很少；针对埋地钢质管道上交流电压及电流的分布规律研究更少，更多的是摘抄国外的研究成果，而加拿大已经有软件可以计算高压线与埋地钢质管道并行时管道上的感应电压及电流大小；在检测方法上，国内主要是参照国外的方法。因此，国内需要在腐蚀机理、埋地钢质管道电压分布规律、检测方法上做更多的工作以指导实际防护工作。

［1］GB 50698-2011 埋地钢质管道交流干扰防护技术标准［S］.

［2］CEOCOR-GUIDE-2001 AC corrosion on buried metallic pipeline-guidelines for risk assessment and mitigation measures［S］.

［3］翁永基，明士涛，李英义，等.利用检查片检测杂散干扰和评价埋地管道阴极保护效果［J］.腐蚀科学与防护技术，2011，23（4）：349-352.

［4］SeonYeob Li.Application of steel thin film electrical resistance sensor for in situ corrosion monitoring［J］.Sensors and Actuators，2007，120（2）：368-377.

［5］Darowicki K，Zakowski K.A new time-frequency detection method of stray current field interference on metal structures［J］.Corrosion Science，2004，46（16）：1061-1070.

［6］陈振华.埋地钢质管道交流干扰腐蚀测试与分析［D］.北京：北京工业大学硕士学位论文，2010.

［7］胡士信，路民旭，杜艳霞，等.管道交流腐蚀的新观点［J］.腐蚀与防护，2010，31（6）：419-423.

［8］ISO 15589-1-2003 Petroleum and natural gas industries-Cathodic protection of pipeline transportation systems-Part 1：On-land pipelines［S］.

［9］BS-EN12954-2001 Cathodic protection of buried or immersed metallic structures-General rinciples and application for pipelines［S］.

［10］SY／T 0032-2000 埋地钢质管道交流排流保护技术标准［S］.