动态直流干扰下阴极保护效果评价研究*

2022-08-28王洪志

石油化工腐蚀与防护 2022年4期

王洪志

(国家管网北方管道有限责任公司沈阳检测技术分公司，辽宁沈阳 110000)

随着地铁快速发展，从铁路供电系统泄漏到大地的杂散电流对地铁附近油气管道产生一定的影响，管道直流干扰电位波动甚至超过正负 10 V，导致埋地管道腐蚀加速甚至穿孔，这已经成为油气管道运行的一个重大安全隐患[1]。国内外对动态直流干扰开展了研究以及测试[2-3]，胡士信等[4]采用极化探头以及测量仪对直流动态干扰下真实电位数据进行了对比及分析，认为这种极化探头测量极化电位的方法很实用。夏沁等[5]介绍了有轨电车杂散电流的产生及危害，讨论了常用的杂散电流检测方法与判定标准，结果表明所测地点存在有轨电车的动态杂散电流干扰，干扰强度随离开轨道距离的增大而减小。杜艳霞等[6]对杂散电流干扰程度与地铁和管道的相对位置关系进行了研究。

在工程实践中，在动态直流干扰时，干扰电位随时间上下波动，测量和评价过程比较复杂以及国内外评价标准并不一致。对动态直流干扰下管道阴极保护有效性评价流程和有效运用进行分析，对于实际测量很有帮助。

1 国内外标准现状

为了降低动态杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀危害，国内外制定了相应的标准。澳大利亚和英国等发布了相应的标准，规定了在一定监测时间段进行直流电流和电位测试，并对一定时间段的电流和电位进行评价[7-8]。

澳大利亚标准AS 2832.1—2015 《直流杂散电流干扰下的阴极保护效果评价》，规定了对电位进行长时间连续监测，测试时间一般应大于 12 h，采样频率应大于4次/min。对于防腐层较差的管道、其他极化和去极化较慢的管道，电位大于 -850 mV的时间不应超过测试时间的10%。对于防腐层较好的管道、其他能够快速极化和去极化的管道，标准中给定的电位评价准则如下：

(1)电位大于-850 mV的时间不应超过测试时间的5%；(2)电位大于-800 mV的时间不应超过测试时间的2%；(3)电位大于-750 mV的时间不应超过测试时间的1%；(4)电位大于0 mV的时间不应超过测试时间的0.2%。

该标准明确了测试的流程，评判的电位准则和相对应的测试时间占比，具有一定的可操作性。采用电位-850 mV，-800 mV和-750 mV准则更易于测试，能得到有效的量化结果，对评判动态干扰下阴极保护有效性具有重要的意义。

英国标准BS EN 50162—2004《直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护》，规定了以动态干扰源不运行(如夜间地铁不运行)时的电流大小为基准，设为100%的电流大小。将连续24 h的电流记录结果转换为相对于基准电流的百分比，就可以判断在不同的时刻，有多少阴保电流流入管道、有多少杂散电流流入或流出管道。

该标准虽然规定了测试的流程、判定的电流准则和相对于基准电流的比例关系，但是对于测量阴极保护电流的流入流出，缺少可操作性。因此，采用该标准不太适用于阴极保护有效性的测量。

国际标准ISO 15589-1-2015 《石油和天然气工业第1部分:输送管道系统的阴极防护第1部分:陆地管道》，规定了对于碳钢、低合金钢和铸铁，当土壤和水环境温度在40～60 ℃时，保护电位为-850 mV；当土壤和水环境温度高于60 ℃时，保护电位为-950 mV；当土壤和水环境温度低于40 ℃时，而且土壤电阻率在大于100 Ω·m小于1 000 Ω·m时，保护电位为-750 mV；当土壤和水环境温度低于40 ℃，而且土壤电阻率在大于1 000 Ω·m时，保护电位为-650 mV；在厌氧菌和硫酸盐导致的腐蚀风险下的土壤和水环境，保护电位为-950 mV[9]。该标准规定了评判的详细准则，具有一定的适用性，但是在具体的测量指标方面更适用于静态干扰下的管道测试。

NACE颁布的SP 0169-2013《埋地或水下金属管线系统外腐蚀控制标准》，规定了管道有效的外腐蚀速率控制在0.025 mm/a以内。对于动态干扰下阴极保护有效性的管道而言，采用检查片质量损失的方法测量金属损失量能够比较直观地确定管道阴极保护有效性[10]。

国内曾在东北地区管网遇到了复杂的动态直流干扰问题，并结合工作实际制定了GB 50991—2014 《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》。该标准规定了已投运阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取防护措施，而管道最小保护电位一般为-850 mV。同时，在该标准第三章强调了受直流干扰影响的管道宜设置测试探头或质量损失检查片[11]。采用-850 mV准则对于判定动态直流干扰具有一定的适用性，管道电位更易于测量。

总之，以阴极保护的电位准则作为评价指标，对于一定的电位偏移程度，规定了参考的时间指标，使标准具有一定的可操作性。经上述比较，GB 50991—2014和AS 2832.1-2014 对动态直流干扰及评价的适用性较强。

2 测试及适用性评价

2.1 测试段概况

选取某线管道，线路截断阀室5座，设计压力10 MPa，操作压力不超过4 MPa，管径为914 mm，管道采用强制电流阴极保护，设有2座阴极保护站。管线附近存在地铁，附近地铁额定直流电压为1 500 V，管道全线均受到城市地铁动态直流干扰影响。全线安装固态去耦合器进行交流排流，交流干扰程度较弱，选取15个测试点进行断电电位测试。

2.2 通断电电位测试

采用数据记录仪进行试片通断电电位测试，通电时间为4 s，断电时间为1 s，延时为50 ms，采样频率为1 次/s。采用裸露面积为10 cm2的钢质试片，参比电极采用铜/饱和硫酸铜参比电极，试片极化时间为24 h。数据记录时间为24 h。

2.3 质量损失检查片埋设及极化探头测试

选择3处测试点进行质量损失检查片的埋设，埋设地点分别按照自然腐蚀检查片和1支与管道连接的检查片，埋设时间不少于3个月。选取一处测试点进行极化探头测试，极化探头与管道连接。探头裸露面积为10 cm2，分别进行5 d及不少于3个月的测试。

3 结果与讨论

15个测试点24 h通断电点测试波动状况见图1。

图1 测试点24 h通断电测试结果

从图1中可以看出，全部均受到较强直流干扰，干扰类型为动态直流干扰，在00∶40～05∶20时间段内走势平稳，无干扰影响，该时间段是地铁列车停运；各测试点在05∶20～00∶40时间段内电位波动剧烈。各个监测点05∶20到第二天00∶40均呈现电位波动幅度大的特征。在05∶20～00∶40干扰时间段内，每一个波段之间均呈现几十秒到10 min的小波峰，这与地铁的运营间隔停车结果相一致。管道表现出明显的动态直流干扰特征，从而确定该管段的干扰源为地铁线路。

对15个测试点24 h断电电位,根据管道最小保护电位不小于-850 mV准则进行评价及统计,结果见表1。从表1可以看出：在15处测试桩的直流断电电位判断，100%达标的有1处，为2号;90%达标的有2处，为14号和15号;80%达标的有2处;70%达标的有5处;低于70%共5处，分别是8号，9号，10号，11号及12号，其中8号和11号频次比约在50%。

表1 24 h测试下阴极保护有效性评价

根据澳大利亚标准AS 2832.1-2014评价准则的规定，选定的15个直流动态干扰测试点评价，结果见表2。结果显示：在15处测试桩的直流断电电位判断，阴极保护有效性评价为“达标”的有3处，评价为“不达标”的有12处。

表2 阴极保护有效性评价

选取干扰和非干扰两个小时时间段进行对比，即选取23∶00～00∶00和02∶00～03∶00两个典型的时间段，对试片的断电电位进行统计，结果见图2至图4。

图2 3号测试点特定时间段电位对比

图3 7号测试点特定时间段电位对比

从图2至图4可以看出，干扰时段与非干扰时段的波形变化明显不同。在干扰时段(23∶00～00∶00)，电位产生剧烈的上下波动；在非干扰时段(02∶00～03∶00)，电位几乎无波动。

图4 9号测试点特定时间段电位对比

将两个时间段的数据采用AS 2832.1-2014和GB 50991—2014的-850 mV准则进行对比，结果见表3至表5。从表3中可以看出，干扰时段和全段进行-850 mV评价，评价结果的次序基本一样;而非干扰时段采用-850 mV进行评价，其结果可以明确显示非干扰时段所有数据是否符合 -850 mV准则。表4和表5分别采用分干扰时段和全段综合评价的方法进行评价，其评价的比例次序和结果基本一致。从而确定采用-850 mV准则更适合于地铁不运行时非干扰时间段，而采用AS 2832.1-2015进行评价，更适合于在干扰时间段进行评价。

表3 特定时间段阴极保护有效性评价

表4 特定时间段的阴极保护效果评价

表5 特定时间段的阴极保护效果综合评价

选取3号、7号和9号测试点进行质量损失检查片埋设，检查片腐蚀速率见表6。

表6 埋设检查片腐蚀速率

从表6中可以看出，即使干扰段阴极保护电位未达标，但是在投用阴极保护的前提下腐蚀速率仍低于SP 0169阴极保护电位下金属腐蚀速率0.025 4 mm/a的准则。但是在进行阴极保护的自腐蚀速率方面，三个测试点的腐蚀速率均大于0.025 4 mm/a，说明了SP 0169中阴极保护电位下金属腐蚀速率0.025 4 mm/a准则的适用性更强。

3号、7号和9号阴极保护腐蚀速率的前后顺序与测试电位阴极保护的评价顺序是一致的，说明上述阴极保护有效性评价时间比准则和腐蚀速率存在一一对应关系，评价方法是有效的。