杂散电流干扰下埋地管道阴极保护有效性检测与评价

李 伟，郭艳伟，刘礼良，鲍俊涛

（1.广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528251；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029；3.国家市场监督管理总局无损检测与评价重点实验室，北京 100029）

埋地管道的防腐层性能降低或破损时，阴极保护可以防止管道快速腐蚀破坏［1］。随着电力、交通等行业的高速发展，埋地管道往往和高压电线塔、铁路、地铁等设施平行或交叉埋设，其阴极保护装置的有效性和测量准确性不可避免受到杂散电流的干扰，影响埋地管道的安全使用［2-5］。

1 杂散电流定义、种类、腐蚀机理及检测［6-9］

1.1 杂散电流定义

杂散电流腐蚀本质上是电化学腐蚀，由于埋地管道具有导电性，杂散电流从管道的一个部位流入，从另一个部位流出，导致管道表面电流密度发生变化，形成电位差，即杂散电流干扰。

1.2 杂散电流种类

1.2.1 静态直流杂散电流

静态直流杂散电流产生过程示意图见图1。

图1 静态直流杂散电流产生过程示图

当2条管道距离较近时，在被保护管道的阳极地床附近，部分阴极保护电流进入受干扰管道，在其中穿行一段距离后从某处离开受干扰管道，又重新返回被保护管道内。此过程在受干扰管道内部形成了静态直流杂散电流。

此种静态直流杂散电流的特点是电流稳定，电流大小和方向基本不变，管地电位（管道对地的电位）在杂散电流流出部位正向偏移，受干扰管道在此处发生腐蚀。

1.2.2 动态直流杂散电流

动态直流杂散电流产生过程示意图见图2。

图2 动态直流杂散电流产生过程示图

由地铁、轻轨排流装置向大地排放的电流流入附近的管道，产生动态直流杂散电流，其电流大小和方向一直在变化。尤其机务段铁轨与地网之间的限压低、铁轨与道基绝缘差、漏电多，处于该段的管道会受到严重的腐蚀干扰。

1.2.3 高压直流输电线路干扰

高压直流输电线路干扰过程示意图见图3。

图3 高压直流输电线路干扰过程示图

高压直流输电线路在单极放电时，电源端和负载端将电流排放到大地，电流流入附近的埋地管道会造成腐蚀干扰。高压直流输电线路的干扰电压有时会达到几百伏，严重危害工作人员以及管道上设备的安全。

1.2.4 传导型交流干扰

雷击等大电流通过高压电塔流入大地时，若电塔附近存在埋地管道，大电流会瞬间烧穿管道外防腐层，甚至击穿管壁、伤害人员等。

1.2.5 感应型交流干扰

埋地管道与多根高压输电线平行敷设时，每根输电线的电流不平衡，管道与每根输电线的间距亦不相同，因此管道上会形成电磁感应的交流电压和交流电流。管道距离输电线路越近，平行距离越长，土壤电阻率越高，感应出的交流电压越高，反之则越低。

1.3 杂散电流腐蚀机理

埋地管道的杂散电流腐蚀属于电化学反应中的电解作用［10］，杂散电流通过大地进入到埋地管道中，形成腐蚀电池，电流流入的区域得到电子为阴极，发生还原反应，其电位向负向偏移，因此不发生腐蚀。电流流出区域失去电子为阳极，发生氧化反应，其电位向正向偏移，因此发生腐蚀［11-12］。但当阴极电位过大时，阴极区消耗电子发生析氢腐蚀［13］，导致外防腐层发生剥离，甚至发生氢脆以及氢致开裂［14］。阴、阳极发生的电化学反应为［15］：

1.4 杂散电流检测

根据GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》［16］，应采用管地极化电位或断电电位（消除IR降，即消除保护回路中的电流I与电解质电阻和管道电阻R的乘积）评价管道阴极保护是否有效，埋地管道的极化电位相对于Cu/CuSO4参比电极负于-850 mV或者阴极极化量达到100 mV，认为阴极保护是有效的。根据GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》［17］，受杂散电流干扰时，一般采用瞬时断电法来检测断电电位，进而评判阴极保护的有效性。AS 2832.1-2015《Cathodic Protection of Metals Pipes and Cables》［18］中重点考虑了管地电位正于保护电位的时间比例，即并非每个时刻管地电位均负于-850 mV，正于-850 mV的时间占总检测时间的比例是重要参考因素。EN 50162-2004《Protection Against Corrosion by Stray Current from Direct Current Systems》［19］亦采用消除IR降的断电电位来评估阴极保护的有效性，同时建议采用流探针测试法连续24 h监测，通过统计低于基准值不同百分比的累积持续时间来评估管道面临的腐蚀危险。

上述各国标准均采用消除IR降后的断电电位评价杂散电流干扰下埋地管道的阴极保护有效性。目前断电电位的检测方法主要有密间隔电位测试法（CIPS）和极化试片法2种，其中极化试片法可以消除直流杂散等干扰因素，且测试方法简单，广泛应用于阴极保护检测中［20］。一般根据GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》［21］选取和管道类似材质、适当的形状和面积的试片进行断电电位的测量。

2 杂散电流下阴极保护有效性评价实例

2.1 项目概况

某工程项目埋地管道总长约65 km。于2011-12完工投入使用，2015年完成首次定期检验。管道设计管径457 mm，设计压力6.3 MPa，运行压力4.0 MPa,输送介质为天然气，采用X52钢级，设计规模4.5×108m3/a。管道存在与高压输电线路和铁路并行情况，部分管段有并行管道正在施工。本次评价于2019-12开展，2020-05结束，其中包含杂散电流干扰测试、阴极保护有效性评价。

2.2 阴极保护有效性评价

采用极化试片法进行杂散电流的检测，按照AS 2832.1-2015和 GB/T 21448-2017综合判断阴极保护效果。

将试片埋入管道沿线的65个测试桩（编号为001～065），埋深均在 50 cm以上，设置极化时间24 h以上。对这65个测试桩的直流通电电位、直流断电电位、交流电压、直流电流、交流电流进行24 h监测。记录测试时段内各个测试桩的最大电位和最小电位。

根据测试持续的时间以及每个测试时间点的断电电位，计算平均电位、平均电位正于保护标准的时间比例、平均电位正于保护标准+50 mV的时间比例、平均电位正于保护标准+100 mV的时间比例以及平均电位正于保护标准+850 mV的时间比例。

按照平均电位正于保护标准的时间比例小于5%、平均电位正于保护标准+50 mV的时间比例小于2%、平均电位正于保护标准+100 mV的时间比例小于1%、平均电位正于保护标准+850 mV的时间比例小于0.2%的标准综合判断阴极保护效果。当这4个时间比例均在所要求的判定比例之内（即分别为 5%、2%、1%、0.2%）时，判定结果为合格，否则不合格。

数据处理结果表明，这65个测试桩中有45个合格，20个不合格，以测试桩数量计算的合格率为69.2%。不合格测试桩断电电位（消除IR降后）测量及评价数据见表1，可以看到部分测试桩的平均断电电位负于-850 mV，但由于正于保护电位的比例较高，说明这些测试桩附近的管道受到杂散电流干扰比较严重。

表1 不合格测试桩断电电位（消除IR降后）测量及评价数据

2.3 阴极保护失效原因分析

通过杂散电流监测可以看出，全线直流瞬时干扰严重，分析认为这可能与并行管道施工有关。交流干扰主要是220 kV交流输电线路和电气化铁路并行有关，001～032号测试桩之间的部分管道受到220 kV交流输电线路干扰，干扰形式主要是感应型。033～065号测试桩之间的管道主要受电气化铁路干扰，干扰形式主要是传导型，特别是051～059号测试桩之间管段的交流电压峰值达到34 V，存在较大的人身伤害及腐蚀风险。选取具有代表性的不合格测试桩的检测数据进行分析。

2.3.1 005号测试桩

005号测试桩的杂散电流检测数据见图4。

图4 005号测试桩杂散电流检测数据

005号测试桩杂散电流检测数据显示，该处直流电流基本平稳，但存在瞬时波动较大的情况。交流电流和交流电压较大，这是由于该处管道与交流输电线路为平行敷设，由电磁感应出交流电压和交流电流，导致断电电位在-850 mV上下波动，且正于保护标准比例为68.05%，造成阴极保护失效。

2.3.2 009号测试桩

009号测试桩的杂散电流检测数据见图5。

图5 009号测试桩杂散电流检测数据

009号测试桩杂散电流检测数据显示，该处直流电流波动较小，但存在瞬时干扰。交流电压及交流电流基本无波动，此段管道的断电电位正于保护标准比例为93.94%，阴极保护失效的原因可能为该段管道敷设在山区，土壤电阻率过大，导致阴极保护电流流入较少。

2.3.3 013号测试桩

013号测试桩的杂散电流检测数据见图6。

图6 013号测试桩杂散电流检测数据

013号测试桩杂散电流检测数据显示，该段管道断电电位在某一时间段突然正向偏移，甚至达到正值，对应时间段的交流电压发生剧烈波动，原因可能系邻近的并行管道施工用电，导致阴极保护失效。

2.3.4 054号测试桩

054号测试桩的杂散电流检测数据见图7。

图7 054号测试桩杂散电流检测数据

054号测试桩杂散电流检测数据显示，断电电位在一些时间点存在剧烈波动，对应时间点的交流电压、交流电流均存在较大波动，原因可能是此处管道附近有条铁路，在固定时间点均有火车经过，受到铁路的交流干扰，导致阴极保护失效。

3 结语

介绍了杂散电流的定义、腐蚀机理以及检测方法。通过工程实例，落实了杂散电流检测、断电电位测量以及阴极保护有效性评价的完整流程，可为工程实际应用提供指导及参考。对某段管道沿线65个测试桩的检测和评价结果表明，①沿线共有45个测试桩阴极保护合格，20个测试桩不合格，以测试桩的数量计算的合格率为69.2%。②全线直流瞬时干扰严重，可能与并行管道施工有关。③部分管道受到220 kV交流输电线路干扰，由电磁感应出的交流电压和交流电流波动较大，造成阴极保护不合格。④部分管道存在敷设在山区情况，土壤电阻率较大，阴极保护电流流入较少，造成阴极保护不合格。⑤与铁路并行的管段在某些时刻的交流电压、交流电流剧烈波动，造成断电电位相应波动，导致阴极保护失效。