埋地金属油气管道交流杂散电流检测、评价综述

2021-07-24孙伟栋

全面腐蚀控制 2021年6期

钟良董凯孙伟栋谭冰

（国家管网集团东部原油储运有限公司，江苏徐州 221008）

0 引言

油气管道在确保国家能源安全、保障国计民生等方面发挥了重要作用，但随着能源、交通等行业的迅猛发展，杂散电流干扰源逐渐增多，而埋地油气管道大部分为钢质金属管道、且多数管道均存在不同程度的外防腐层破损，因此受到的杂散电流干扰也越来越严重，导致管道遭受腐蚀的风险增加，影响管道安全运行，2019年，江苏省境内某原油管道通过内检测发现管壁减薄超过50%的达292处，现场检测发现杂散电流腐蚀坑多处，经检测、分析，确认部分位置存在交流腐蚀。

过去，人们普遍认为交流干扰的危害主要是被干扰结构电压升高而危及人身安全，并不太关注由此造成的被干扰结构的腐蚀问题且以前交流干扰造成的腐蚀较直流干扰腐蚀轻很多，随着交流高压输电线的电压等级越来越高（目前最高达1000kV），交流干扰腐蚀也越来越严重，促使人们更加重视这类问题。

随着交流杂散电流对管道的危害日益突出，越来越多的运营管理单位都更加重视杂散电流检测、评价工作，因为检测数据及评价结论是做好干扰防护（排流）工作的基础，但是，由于杂散电流干扰及现场环境的复杂性，有时要得到准确、有效的结论并非易事，本文旨在结合技术标准、规范、经验等进行较全面的论述，以期为后续的防护（排流）工作提供指导。

1 交流杂散电流检测、评价

1.1 交流干扰检测

交流干扰检测的主要参数为交流电压及电流密度，核心参数是电流密度，关于交流电流密度，除了直接测量，GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》（以下简称GB/T 50698）提供了公式进行计算，使用该公式需要测量交流电压、测量防腐层破损点（漏点）位置的土壤电阻并计算电阻率，但是公式中的V值有时难以准确测量，计算ρ值需要先获取土壤电阻R值，但有时难以准确获取R值。

检测位置附近管体的外防腐层有如果存在大面积破损点、存在排流接地或未知电气接地，由于裸露面积增大，电压场范围增大，此时附近土壤中的地电场电势已不为零，这种情况下如果参比电极或接地钢钎仍然置于破损点管道上方，测量的交流电压将会存在误差，此种情况宜采用远参比法，虽然标准SY/T 0032-2000已作废，但其规定的参比电极与管道垂直距离大于等于10m的测法没有任何问题，不管管道防腐层有无破损点—远参比法都是准确有效的方法，但是使用远参比法牵涉到测试导线的放线、收线等，总体工作效率相对偏低一些，如果一条管线防腐层质量良好（比如新建的刚竣工验收过的管线），则无需采用远参比法，管道外防腐层质量良好时通过远、近参比法测量交流电压实例如表1所示，由表1可知：对于外防腐层质量良好的管道，远、近参比测得的交流电压值相差很小。

表1 远、近参比法测量交流电压实例数据（防腐层质量良好时）

管道外防腐层质量较差时通过远、近参比法测量交流电压实例如表2所示，由表2可知：对于外防腐层质量较差的管道，远、近参比法测得的交流电压值有一定差距。

表2 远、近参比测量交流电压实例数据（防腐层质量较差时）

由于有时外防腐层破损点面积远大于1cm2，计算交流电流密度时，要使用实际的裸露面积以及远参比测量到的交流电压，不能仍然假设破损点面积为1 cm2即公式中的d值不能再取0.0113。另外，如果存在大面积破损点，管体接地电阻降低，将起到一定的“自我”排流作用，此时检测评价的干扰程度很可能弱于防腐层修复好之后（如果干扰源无明显变化）。

因此，在实际检测评价工作中，如果想使用公式进行计算出准确的交流密度值，应先进行外防腐层质量检测，对于存在大面积破损点或接地体的位置、在交流干扰参数检测时需注意上述问题。

土壤电阻R的测量通常采用Wenner四电极法，电极等间距布设，间距大小等于埋深，通过外检测手段获取的管道埋深通常是地表到管顶的直线距离或到管中心的直线距离，并非地表到破损点位置处的距离，当然，如果破损点正好位于管顶或者3点钟、9点钟位置、可以获取准确埋深，但这种情况毕竟是少数，而且管径越大，破损点埋深误差也越大。

Wenner四极法所测量的电阻是测深范围内土壤的平均电阻，并非外防腐层破损点所在位置附近的土壤电阻，如果土壤电阻均匀，则测量的电阻为外防腐层破损点所在位置的土壤电阻或比较接近真实值，如果土壤出现分层（电阻不均匀）或者Ca2+、Mg2+等离子在缺陷处沉积、则电阻测量值与真实值之间将出现偏差。电阻率计算公式ρ=2πaR中，a为电极间距即管道埋深，由于多数时候无法获取准确的a值，有时还难以获取准确的R值，如果二者的值都不够准确，计算所得的ρ值将产生误差。

因此，虽然从原则上来说——电流密度可以通过扩散电阻（防腐层破损点或试片裸露金属表面对地的欧姆电阻，在给定直流或交流电压时，该电阻控制着流通的交流或直流电流大小）、防腐层破损的形状大小以及交流电压计算得到，但该计算值通常与试片，因为防腐层缺陷形状以及它的表面积一般是不确定的，实际检测中通过开挖（坑检）进行防腐层缺陷检测的毕竟是少数，此外，阴极保护的应用也会改变扩散电阻以及给定电压下的电流密度。

综上，使用公式计算的交流电流密度值和实测值有时接近，有时会有差异，因此，交流电流密度数据的获取宜尽量以试片直接测量法为主，公式计算为辅。公式计算可以对试片测量结果进行验证，如果二者一致或接近，则证明试片检测结果可靠，如果二者存在差别，则以试片测量结果为主要评价依据。

1.2 交流干扰程度评价/评估

1.2.1 交流电压

采用交流电压作为交流干扰程度的的判断，其优点是测试方便容易，缺点是判断依据不甚严谨，因为交流腐蚀的影响因素不仅仅是交流电压，因此，现在通常用交流电压来进行辅助评价或评估。

英国标准DD CEN/TS 15280-2006《Evaluation of a.c.corrosion likelihood of buried pipelines－Application to cathodically protected pipelines》（以下简称CEN/TS 15280）中指出[1]：土壤电阻率大于25Ω·m 时，交流电压不应超过10V，土壤电阻率小于25Ω·m 时，交流电压不应超过4V，这也是GB/T 50698中规定“当管道上的交流干扰电压不高于4V时，可不采取交流干扰防护措施”的依据来源。

如果假设交流电压为9 V（未超过10V）、土壤电阻率为26Ω·m（大于25Ω·m）时，通过公式计算的交流电流密度为78A/m2，但CEN/TS 15280指出：当交流电流密度在30A/m2～100A/m2之间时，腐蚀可能性为中等。

交流电流密度是评价交流干扰程度的主要参数，旧标准 GB/T21447-2008、SY/T 0087.1-2006都采用交流电压来评价干扰程度，但这种指标存在一定不严谨性和局限性，因为有可能出现交流电压高、电流密度低或者交流电压低、电流密度大的情况，这主要受扩散电阻控制，扩散电阻主要受土壤电阻和缺陷处金属氧化物（比如铁锈）、Ca2+、Mg2+等离子及生成的不溶或难溶沉积物（比如CaCO3、Mg(OH)2）影响。在扩散电阻较大时，可能出现“电压高、电流密度低”的现象，反之，则可能出现“电压低、电流密度高”的情况。土壤电阻率对交流电流密度的影响实例如表3所示，表3中序号1、2皆在南方水网地区检测，土壤电阻率低，出现了“交流电压低、电流密度高”的现象，序号3、4在北方砂土干燥地区检测，出现“交流电压高、电流密度低”的情况。

由表3可知：土壤电阻率越低的区域，交流腐蚀风险可能越高，因为这种情况下，较低的交流电压即可产生较高的交流电密度，之所以说“可能”，是因为GB/T 50698条文说明指出：对一些低土壤电阻率区域，采用单一交流电流密度来评估存在局限性，但是，当交流电流密度较高时，也不能完全忽视交流腐蚀的可能性，CEN/TS 15280指出：土壤电阻率小于25Ω·m 时，交流电压不应超过4V，否则存在交流腐蚀的可能。如表3序号2—干扰电压已大于4V，该位置土壤电阻率小，存在交流腐蚀的风险性与可能性。

表3 土壤电阻率对交流电流密度产生影响的实例

总之，较高的交流电压可能意味着较高的交流电流密度和较高的干扰风险，但二者并非绝对的成正比关系。W.V.贝克曼《阴极保护手册》中指出：当交流电流密度大于50A/m2时，腐蚀才是严重的[2]。

综上所述，仅用交流电压进行评价是有局限性的，不能只采用交流电压一个参数进行交流杂散电流干扰程度评价和交流腐蚀风险评估。2008版的GB/T 21447、2006版的SY/0087.1都列举了交流干扰电压判断指标，在最新的2018版中均已删除。

另外，GB/T 50698在条文说明中又指出“对一些低土壤电阻率区域，采用单一交流电流密度来评估存在局限性，同样对一些高土壤电阻率区域采用单一电压指标也存在局限性”，这样描述造成可操作性不强，建议标准修订时给出高、低土壤电阻率的具体值或取值范围，即适合采用交流电压（或以之为主要指标）的土壤电阻率范围、适合采用交流电流密度（或以之为主要指标）的土壤电阻率范围。

1.2.2 交、直流电流密度比

高的直流电流密度导致阴极保护水平更高以及管道表面高pH值的形成，然而，在同时存在交流干扰时，高pH值的形成、扩散电阻的降低以及表面氧化层的还原可以导致腐蚀速率的加速，因此，高的直流电流密度可能导致较高的交流腐蚀速率，但是，一个足够高的直流电流密度可以防止任何阳极性金属氧化，由此防止交流腐蚀的发生，因此，当直流电密度非常高时，能起到对交流腐蚀的抑制作用，这取决于交流电流密度的高低，由此，两种电流密度的比值可以用来评价腐蚀可能性，只要该比例低于某临界值，不会出现交流腐蚀，因为交流阳极性半波的金属腐蚀已被阻止。利用该比例作为交流腐蚀可能性的指标的一个重要优点是关于金属表面的不确定性被排除掉了，计算时不需要金属表面精确的面积。

CEN/TS 15280中给出了使用交直流电流密度比（Jac／Jdc）判断交流干扰的标准：Jac/Jdc＜5，交流腐蚀可能性低；Jac/Jdc介于5～10之间，可能发生交流腐蚀；Jac/Jdc＞10，交流腐蚀可能性很高，需要采取缓解措施，ISO18086:2019《Corrosion of metals and alloys—Determination of AC corrosion—Protection criteria》（以下简称ISO 18086）也有相同的规定，并进一步指出：电流密度比值介于3和5之间表明交流腐蚀的风险很小，然后，为了将腐蚀风险降低到最小，比3更小的电流密度比值是更优的[3]。

图1为某检测实例，该位置的交流电流密度最大值183.41A/m2、平均值155.83A/m2，交、直流电密度比值在26.2～36.0之间，因此，该位置及附近交流腐蚀可能性很高，需采取排流措施。

总之，交流电流密度和直流电流密度控制了交流腐蚀过程和阴极保护水平，因此用它们来评价交流腐蚀可能性比使用通电电位或交流电压更可靠。

1.2.3 土壤电阻率

土壤电阻率越小，杂散电流干扰程度加重及腐蚀风险升高的可能性越大，对于交流、直流干扰均是如此，因为这意味着杂散电流流出的阻力（扩散电阻）越小。ISO 18086指出：土壤电阻率低于25Ω·m时，存在非常高的交流腐蚀风险，介于25～100Ω·m时，存在高腐蚀风险。

1.2.4 腐蚀产物

GB/T 50698指出：对于钢质管道，其交流腐蚀的特征产物是Fe3O4，因此，搜集腐蚀产物并分析检测其化学成分，有助于更准确地判断交流腐蚀。

1.2.5 其它特征

对于交流腐蚀，比较显著的判断特征还有：

（1）如果管道腐蚀位置的阴极保护良好，pH值较高（典型情况大于10），则是交流腐蚀的可能性很大；

（2）如果有产物有CaCO3或Mg（OH）2沉积（白色粉末），则应怀疑有交流腐蚀，沉积物的出现是因为阴极保护电流密度足够大，发生阴极反应形成的，表明管道阴极保护效果良好，主要化学反应式如下：

1.3 防护（排流）效果评价

GB/T 50698规定：在土壤电阻率小于25Ω·m的地方、交流电压小于4V为合格，在土壤电阻率大于25Ω·m的地方、电流密度小于60A/m2为合格。由于有些位置或区域的土壤电阻分布不均，可能在几十米范围内土壤电阻率都不尽相同；笔者在某原油管道安装了排流装置的某个位置附近进行了土壤电阻测量，然后选择与第一个测点相距仅约30m另一个点进行同样测量，经测量、计算，第一个点的土壤电阻率为21.10Ω·m，第二个点为27.76Ω·m，由此可见，有时土壤电阻率分布并不均匀，因此，宜尽量同时满足“交流电压小于4V、电流密度小于60A/m2”。

1.4 腐蚀速率评估

在遭受杂散电流干扰或可能存在干扰风险的位置埋设腐蚀速率探头、已经采取防护（排流）措施的位置亦可安装，定期采集、计算腐蚀速率，如果腐蚀速率未超标，则认为杂散电流腐蚀风险较低或防护（排流）效果较好，ISO 18086也指出：有效的交流腐蚀控制也可通过测量腐蚀速率来证实。对于直流干扰程度或防护（排流）效果评估，也可采用腐蚀探头。

1.5 注意事项

（1）采用试片测量时需注意：试片表面应打磨除锈，尽量在不改变土壤电阻的条件下测量，试片埋设处通常不宜浇水，除非土壤很干燥时可适当浇少量水。有人认为浇水时测量的交流电流密度可认为是降雨土壤潮湿时的值，但在降雨时，土壤电阻率也发生了变化，而土壤电阻率是影响交流电压的因素之一；

（2）由于Fe3O4在潮湿的空气中易氧化成三氧化二铁，采集腐蚀产物时需注意，管道开挖后应立即采集，取样瓶取样后立即密封、必要时注氮；

（3）采用前述公式计算交流电流密度时，GB/T 50698规定交流电压取平均值，但最好将最大值（峰值）也代入进行一次计算、评估，这样才能对可能达到的最大干扰程度（最高干扰风险）进行评估；

（4）前文已述：高的直流电流（阴极保护电流）密度可以导致腐蚀速率的加速，这一点与直流干扰相反，对于较强的交流干扰，当管道阴极保护水平高时，其腐蚀风险反而更高，因此，阴极保护电位宜尽量接近-0.85V（厌氧菌存在的环境中-0.95V），不宜太负[4]。ISO 18086在“可接受的干扰水平”一章中指出：如果交流电流密度大于30A/m2，在1cm2试片或探针上测量得到的有代表性时间段内（e.g.24 h.）的平均直流电流密度低于1A/m2，这样规定也是为了控制保护电位、使其不要太负；

（5）交流干扰可接受水平的评价/评估需要考虑阴极保护电位，包括比较负的和比较正的阴极保护电位，比如ISO 18086规定：在阴极保护电位较负时，首选考虑满足公式（1）；

式中Uac为交流电压，V；Eon为通电电位，V。

而在阴极保护电位较正时，考虑交流电压低于15V和交流电流密度低于30A/m2。

（6）虽然一个足够高的直流电流密度可以防止任何阳极性金属氧化，由此防止交流腐蚀的发生，但Helm[5]等人认为：阴极保护电流密度小于250mA/m2时对交流腐蚀没有缓解作用，当阴极保护电流密度达到4000mA/m2时才产生缓解作用，但是，通常埋地钢质管道的阴极保护电流密度在4.3～16.1mA/m2（中性土壤）或32.3～161mA/m2（高酸性土壤）之间，要达到4000mA/m2的电流密度，势必产生过保护问题；

（7）经验表明：当交流电压大于等于土壤电阻率时，要计算交流电流密度，确认交流腐蚀的可能性[4]。