摘要：介紹了雜散電流的類型。結(jié)合深圳市某測點的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿朗茈s散電流干擾的調(diào)查和測試數(shù)據(jù)，分析了該管道雜散電流的主要來源。介紹了國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對雜散電流控制的要求、國外雜散電流防護(hù)工作的情況，提出了雜散電流腐蝕防護(hù)的措施。
關(guān)鍵詞：鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?；雜散電流；雜散電流測試；雜散電流腐蝕防護(hù)
Testing and Protection of Stray Current Corrosion on Buried Steel Gas Pipeline
LUO Bin，LIU Jianhui
Abstract：The types of stray current are introduced.Based on the investigation and testing data on buried steel gas pipeline disturbed by stray current at a testing point in Shenzhen City，the main sources of stray current of this pipeline are analyzed.The requirements for control of stray current in the national and industrial standards and the overseas stray current protection work are presented. The protection measures of stray current corrosion are proposed.
Key words：steel gas pipeline；stray current；stray current corrosion protection
1 概述
雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕不容忽視。文獻(xiàn)[1]論述了煤氣管道受到礦區(qū)電機(jī)車的雜散電流腐蝕及排流措施，文獻(xiàn)[2]研究了雜散電流對埋地管道陰極保護(hù)體系干擾的作用機(jī)理，文獻(xiàn)[3]分析了地鐵直流雜散電流對埋地金屬管道干擾腐蝕的機(jī)理及一般防護(hù)措施，文獻(xiàn)[4]論述了雜散電流對油氣管道腐蝕的基本原理和防護(hù)措施。
GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出了雜散電流的定義，雜散電流是指在非指定回路中流動的電流。它可能是由直流電或交流電造成的[5]221～226：直流雜散電流主要來源于直流電氣化鐵路、高壓直流輸電系統(tǒng)、電解裝置、陰極保護(hù)裝置(強制電流設(shè)備、雜散電流排流設(shè)施)等；交流雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路及交流輸電線路等。研究表明[5]94，鐵在交流電流密度20A/m2下將造成0.1mm/a的腐蝕速率，只有高于50A/m2的交流電流密度才是嚴(yán)重的。另外，由于地球磁場變化產(chǎn)生的地雜散電流，一般情況下與前述直流、交流雜散電流相比強度很小，不會產(chǎn)生腐蝕危險。因此，本文的研究重點是直流雜散電流(以下簡稱雜散電流)。
埋地鋼質(zhì)管道雜散電流干擾腐蝕原理見圖1[6]。由于鐵軌對地絕緣不充分，機(jī)車的牽引電流除了在鐵軌上流動外，還會從鐵軌絕緣不良處泄漏到大地，形成雜散電流。由于埋地鋼管對地絕緣并不充分，則部分雜散電流將流入附近的鋼管，并在鋼管中流動，然后從遠(yuǎn)處的某點流出鋼管進(jìn)入大地，返回供電所負(fù)極。鋼管會在雜散電流流出部位發(fā)生腐蝕，此種現(xiàn)象稱為雜散電流干擾腐蝕。
理論上，當(dāng)鋼鐵受到雜散電流干擾腐蝕時，金屬腐蝕量滿足法拉第定律。依據(jù)法拉第定律，1A的直流電流1年可使鋼鐵腐蝕大約9.1kg[4]。雜散電流干擾腐蝕通常發(fā)生在管道防腐層破損處，即集中在局部，因而容易引起坑蝕，導(dǎo)致穿孔。實際案例中[6]，東北撫順地區(qū)受雜散電流干擾影響的輸油管道約有50km，占東北輸油管網(wǎng)的2%，而因雜散電流干擾腐蝕造成的穿孔次數(shù)，占該地區(qū)管網(wǎng)腐蝕穿孔總次數(shù)的60%以上。該地區(qū)的雜散電流高達(dá)500A，管道埋地半年就能腐蝕穿孔，腐蝕速率為10～15mm/a。
2 燃?xì)夤艿朗茈s散電流干擾的調(diào)查和測試
在深圳市燃?xì)夤芫W(wǎng)的日常巡查工作中發(fā)現(xiàn)埋地鋼質(zhì)管道受到雜散電流干擾，根據(jù)日常監(jiān)測結(jié)果，我們選取了僑香路燃?xì)夤芏?地鐵車輛段附近)作為研究對象，按照SY/T 0017—2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，與專業(yè)機(jī)構(gòu)合作進(jìn)行了專項的現(xiàn)場調(diào)查和預(yù)備性測試工作。該段管道建設(shè)于20世紀(jì)90年代初期，按照當(dāng)時的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)未設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)，不能達(dá)到-850mV的保護(hù)電位。對于被干擾燃?xì)夤艿赖恼{(diào)查測試內(nèi)容為：管道和周圍干擾源(包括地鐵)的相關(guān)位置分布，管地電位及其分布(包括按時間分布和按距離分布)，管壁中流動的干擾電流(大小和方向)，流入、流出管道的干擾電流的大小和部位，局部管段沿線土壤電阻率，管道沿線大地中雜散電流方向和電位梯度，管道已有犧牲陽極陰極保護(hù)裝置的運行參數(shù)及運行狀況，管道與其他相鄰和交叉管道等埋地金屬構(gòu)筑物之間的電位差，該地區(qū)管道的腐蝕實例。
在測試工具方面，我們應(yīng)用了儲存式的自動數(shù)據(jù)記錄儀和雜散電流檢測儀(Stray Current Mapping，以下簡稱SCM)進(jìn)行測試。該自動數(shù)據(jù)記錄儀采集數(shù)據(jù)的速度可達(dá)約100個/s，可用于連續(xù)記錄并自動儲存數(shù)據(jù)。SCM檢測儀是目前世界上最先進(jìn)的一種雜散電流測試儀器，可以沿著管道檢測任何雜散電流的大小和方向，能夠快速地評價從地表至管道間的雜散電流，精確確定雜散電流的流入、流出點，分辨雜散電流的頻率和方向，十分方便。
對于干擾源側(cè)，主要調(diào)查了地鐵供電所的位置、運行狀況等，還與有關(guān)機(jī)構(gòu)對鐵軌對地電位等數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合測試。
綜合上述調(diào)查內(nèi)容，完成了《僑香路燃?xì)夤艿离s散電流干擾腐蝕控制預(yù)備性測試報告》。圖2是測試報告中的某日管地電位24h連續(xù)測試曲線。
對于上述測試曲線，經(jīng)計算機(jī)程序數(shù)據(jù)處理后，得出該測點的管地電位正向偏移值(30min平均值)最大達(dá)到262mV，其中在大約6：30—23：30時間段內(nèi)，管地電位波動較大，平均正向偏移較強；在大約23：30至次日6：30時間段內(nèi)，管地電位趨于平穩(wěn)，波動極小，在24h曲線上看近似為較平滑的直線段。此種情況表明，該測點附近沿線管道受到的雜散電流干擾具有一定的規(guī)律性。
綜合測試報告中的所有測試結(jié)果，并結(jié)合雜散電流自身的規(guī)律，可以認(rèn)為該段燃?xì)夤艿朗艿诫s散電流干擾，干擾源是管道附近的較強直流電源設(shè)備，由于該雜散電流干擾規(guī)律與附近地鐵的運行規(guī)律密切相關(guān)，因此該段地鐵牽引電流外泄應(yīng)是引起雜散電流的主要原因。
3 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對雜散電流防護(hù)的要求
鑒于雜散電流對鋼質(zhì)管道等設(shè)備的干擾腐蝕影響，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對雜散電流的防護(hù)和控制有具體的技術(shù)要求。
城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)目前的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 21447—2008《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》、SY/T 0017—2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》等。上述標(biāo)準(zhǔn)對于雜散電流強弱的判斷指標(biāo)見表1。
表1 直流干擾強度的判斷指標(biāo)
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雜散電流程度
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弱
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中
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強
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管地電位正向偏移值/mV
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＜20
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20～200
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＞200
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按照該標(biāo)準(zhǔn)判斷，上述僑香路測點的雜散電流干擾已經(jīng)屬于強烈干擾，需盡快采取排流保護(hù)等防護(hù)措施。
地鐵目前的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》，該標(biāo)準(zhǔn)中提出了對于地鐵鋼結(jié)構(gòu)，允許泄漏電流密度指標(biāo)為0.15mA/dm2。地鐵需要嚴(yán)格遵守該標(biāo)準(zhǔn)，在建設(shè)和運營階段做好雜散電流的防護(hù)工作。
4 其他國家的雜散電流防護(hù)狀況
世界上許多國家都非常重視雜散電流的防控工作。德國電工協(xié)會與德國煤氣與水工工程師協(xié)會組成的聯(lián)合委員會于1910年頒布了防止煤氣管道和輸水管道受到使用鐵軌做導(dǎo)電體的直流有軌電車的有害影響的規(guī)定[5]。隨后，有關(guān)雜散電流的檢測和控制技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步。
美國腐蝕工程師學(xué)會(NACE)于2004年發(fā)表了報告《對干擾管道的雜散電流新的測試技術(shù)》。該報告中提出可以使用SCM檢測儀等方法來檢測干擾管道的雜散電流，并以加拿大多倫多市的某燃?xì)夤艿罏槔M(jìn)行雜散電流測試，分析認(rèn)為干擾源與附近電氣化鐵路的運行有關(guān)，該雜散電流來源于電力機(jī)車的運行，詳見圖3，圖3中上方的曲線表示隨時間變化的管道雜散電流，下方的曲線表示對應(yīng)的管地電位。
5 城市雜散電流的防護(hù)措施
深圳市臨近大海，地下水位高，且多回填和鹽漬區(qū)，地下土壤電解質(zhì)豐富，其土壤腐蝕性比一般地區(qū)高。在這種情況下，雜散電流引起的鋼質(zhì)管道腐蝕風(fēng)險比一般地區(qū)嚴(yán)重。
結(jié)合SY/T 0017—2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和NACE SP0169—2007《埋地或水下金屬管道系統(tǒng)的外腐蝕控制》的要求，提出控制雜散電流干擾腐蝕的原則：統(tǒng)一規(guī)劃，綜合治理，分別實施。即由政府相關(guān)部門牽頭成立跨部門的雜散電流防護(hù)工作協(xié)調(diào)小組，干擾源方、被干擾方、第三方機(jī)構(gòu)和專家等加入工作小組，建立長效的聯(lián)席辦公機(jī)制，統(tǒng)一規(guī)劃雜散電流的防護(hù)工作，開展綜合治理工作，然后由各單位分別實施，尤其是雜散電流的產(chǎn)生單位應(yīng)減少雜散電流向外泄漏。
從技術(shù)角度，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)常用的雜散電流防護(hù)方法如下：
① 排流保護(hù)，即在管道和鐵軌之間設(shè)計并安裝適當(dāng)電阻的電連接，這種連接可以從管道向鐵軌方面排出干擾電流。但是由于鐵路方面擔(dān)心對鐵路的安全運行造成影響，因此該方法在實際中較難操作。這時可以直接接地排流，需要埋設(shè)接地床。在接地排流時，如果出現(xiàn)波動電流，可在電連接時配以二極管一類的單向控制裝置，防止電流的反向流動。
② 犧牲陽極保護(hù)，即在燃?xì)夤艿郎险页鲂孤╇娏鼽c，然后安裝犧牲陽極，向管道施加陰極保護(hù)電流。
③ 調(diào)整管道路由以避開干擾源，或者將鋼質(zhì)管道更換為聚乙烯管道。
④ 在管道中正確設(shè)置絕緣接頭。
⑤ 在吸收電流區(qū)域使用良好的外防腐層。
在完成雜散電流的排流工作后，還應(yīng)進(jìn)行排流效果評定測試，以檢測排流工程的實施效果，同時要加強排流系統(tǒng)的維護(hù)管理工作，使其正常運轉(zhuǎn)，保護(hù)埋地鋼質(zhì)管道的安全運行，保障城市公共安全。
參考文獻(xiàn)：
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[5] (德)貝克曼W V，施文克W，普林茲W，等.陰極保護(hù)手冊——電化學(xué)保護(hù)的理論與實踐[M].胡士信，王向農(nóng)，譯.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.
[6] 胡士信.陰極保護(hù)工程手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：255.
(本文作者：羅彬 劉建輝 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東深圳 518040)
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