油氣管道的雜散電流腐蝕與防護(hù)

摘 要

摘要：闡述了雜散電流對(duì)油氣管道腐蝕的基本原理、特點(diǎn)，針對(duì)雜散電流的特點(diǎn)，提出了防止雜散電流對(duì)油氣管道腐蝕的措施。關(guān)鍵詞：雜散電流；油氣管道；排流保護(hù)Stray Current Corrosion
摘要：闡述了雜散電流對(duì)油氣管道腐蝕的基本原理、特點(diǎn)，針對(duì)雜散電流的特點(diǎn)，提出了防止雜散電流對(duì)油氣管道腐蝕的措施。
關(guān)鍵詞：雜散電流；油氣管道；排流保護(hù)
Stray Current Corrosion on Oil and Gas Pipeline and Its Protection
CAO A-lin，ZHU Qing-jun，HOU Bao-rong，ZHANG Sheng-tao
Abstract：The basic principle and characteristics of stray current corrosion on oil and gas pipeline are explainrd.Aimed at the characteristics of stray current，the measures for protecting oil and gas pipeline from stray current corrosion are put forward.
Key words：stray current；oil and gas pipeline；electrical drainage protection
    隨著我國能源和交通工業(yè)的發(fā)展，我國油氣管道與電力線路、電氣化鐵路的里程迅速增加。由于地理位置的限制，在油氣管道與電力線路、電氣化鐵路的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中不可避免地出現(xiàn)了并行敷設(shè)的情況。由電力線路、電氣化鐵路產(chǎn)生的雜散電流會(huì)對(duì)油氣管道產(chǎn)生巨大的危害。遼河油田到鞍山化肥廠的天然氣管道在投產(chǎn)14個(gè)月后就出現(xiàn)多起雜散電流引起的腐蝕穿孔事故，被迫長時(shí)間停產(chǎn)，開挖大修。鄭州煤氣公司在某電廠附近的一段輸氣管道受電廠雜散電流的影響，也多次出現(xiàn)穿孔泄漏，嚴(yán)重威脅管道和人身的安全。由此可見，雜散電流對(duì)油氣管道會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕作用。因此，開展雜散電流引起的油氣管道的腐蝕與防護(hù)研究，對(duì)保障油氣管道的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。
1 雜散電流的形成
    雜散電流是指在規(guī)定電路或意圖電路之外流動(dòng)的電流，又稱迷走電流[1]。雜散電流主要表現(xiàn)為直流電流、交流電流和大地中自然存在的地電流3種狀態(tài)，且各自具有不同的特點(diǎn)。直流雜散電流主要來源于直流電解設(shè)備、電焊機(jī)、直流輸電線路；交流雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路、輸配電線路系統(tǒng)，通過阻性、感性和容性耦合在相鄰的管道或金屬體中產(chǎn)生交流雜散電流，但交流雜散電流對(duì)鐵腐蝕較輕微，一般為直流腐蝕量的1%；由于地磁場的變化感應(yīng)出來的地雜散電流，一般情況下只有約2μA/m2，從腐蝕角度看并不重要。以電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的直流雜散電流是造成油氣管道雜散電流腐蝕的主要原因。
    在電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統(tǒng)巾，列車所需要的電流由牽引變電所提供，通過架空線向列車供電，然后經(jīng)行走軌回流至牽引變電所。理想情況下行走軌電阻為0，行走軌對(duì)大地的泄漏電阻無窮大，此時(shí)經(jīng)行走軌回流的電流等于牽引電流，即所有的電流都經(jīng)行走軌回流至牽引變電所。但實(shí)際上行走軌的電阻不為0，當(dāng)有電流通過時(shí)就形成了電位差，并且行走軌對(duì)大地的泄漏電阻也不會(huì)為無窮大，這就不可避免地造成了部分電流不經(jīng)行走軌回流，而是流入大地，然后通過大地回流至牽引變電所。若鐵路附近有導(dǎo)電性能較好的埋地金屬管道(燃?xì)夤艿馈⑤斢凸艿?、供水管道?，則部分電流會(huì)選擇電阻率較低的埋地金屬管道作為電流回流路徑，從牽引變電所附近的管道中流出流回牽引變電所。雜散電流形成原理見圖1，雜散電流形成原理等效電路見圖2。
 

    由圖2可知：
式中Is——雜散電流，A
     It——牽引電流，A
     Rr——行走軌電阻，Ω
     Rt——負(fù)荷端與大地之間的泄漏電阻，Ω
     Rs——變電所與大地之間的泄漏電阻，Ω
     R——土壤的橫向電阻，Ω
     ρ——土壤電阻率，Ω·m
     l——負(fù)荷端與變電所之間的距離，m
     A——土壤的橫向面積，m2
由于A趨向無窮大，因此R趨向于零。
則式(1)可以簡化為：
 
   由式(3)可知，在牽引電流一定的情況下，雜散電流隨著行走軌電阻的增大而增大，隨著泄漏電阻的增大而減小。
雜散電流流入土壤以后就會(huì)產(chǎn)生地電場，土壤中不同地電位之間便有電流流動(dòng)，兩個(gè)不同區(qū)域之間電位差越大，電流就越大。當(dāng)土壤全部都是均勻的介質(zhì)時(shí)，電流分布也相對(duì)均勻。如果土壤中埋置有油氣管道時(shí)，管道中的雜散電流密度與土壤中的雜散電流密度之比見式(4)[2、3]：
 
式中j0——管道中的雜散電流密度，mA/m2
    j——土壤中的雜散電流密度，mA/m2
    δ——管壁厚度，mm
    D——管道內(nèi)徑，mm
    ρ0——管道電阻率，Ω·m
    因?yàn)?rho;＞＞ρ0，所以雜散電流基本上沿油氣管道流動(dòng)，不再流經(jīng)土壤。
2 雜散電流的腐蝕原理
    雜散電流進(jìn)入金屬管道的地方帶負(fù)電，這一區(qū)域稱為陰極區(qū)，處于陰極區(qū)的管道一般不會(huì)受影響，若陰極區(qū)的電位值過大時(shí)，管道表面會(huì)析出氫，而造成防腐層脫落。當(dāng)雜散電流經(jīng)金屬管道回流至變電所時(shí)，金屬管道帶正電，成為陽極區(qū)，金屬以離子的形式溶于周圍介質(zhì)中而造成金屬體的電化學(xué)腐蝕。因此雜散電流的危害主要是對(duì)金屬管道、混凝土管道的結(jié)構(gòu)鋼筋、電纜等產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，其電化學(xué)腐蝕過程發(fā)生如下反應(yīng)：
   ① 析氫腐蝕
   陽極反應(yīng)：
   2Fe→Fe2++4e-
    在無氧酸性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
   4H++4e-→2H2↑
    在無氧中性、堿性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
    4H20+4e-→4OH-+2H2↑
   ② 吸氧腐蝕
   陽極反應(yīng)：2Fe→2Fe2++4e-
   在有氧酸性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
   02+4H++4e-→2H20
    在有氧中性、堿性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
   02+2H20+4e-→0H
    當(dāng)油氣管道受到雜散電流電化學(xué)腐蝕時(shí)，金屬腐蝕量和電量之間符合法拉第定律[4]：
    m=KIt    (5)
式中m——金屬腐蝕量，g
    K——金屬的電化學(xué)當(dāng)量，g/(A·h)，鐵取1.047g/(A·h)
    I——雜散電流，A
    t——時(shí)間，h
    利用式(5)可以對(duì)雜散電流的危害作出大概的估計(jì)。經(jīng)計(jì)算，1A的雜散電流可以在1年內(nèi)腐蝕掉9.13kg的鋼鐵。
    雜散電流腐蝕具有局部集中特征，當(dāng)雜散電流通過油氣管道防腐層的缺陷點(diǎn)或漏鐵點(diǎn)流出時(shí)，在該部位管道將產(chǎn)生激烈的電化學(xué)腐蝕，短期內(nèi)就可以造成油氣管道的穿孔事故。防腐層的缺陷點(diǎn)或漏鐵點(diǎn)愈小，相應(yīng)的電流密度愈大，雜散電流的局部集中效應(yīng)愈突出，腐蝕速度愈快。
3 雜散電流的防護(hù)
    由于雜散電流對(duì)油氣管道的安全存在著極大威脅，因此必須采取相應(yīng)的措施對(duì)雜散電流進(jìn)行防護(hù)。對(duì)雜散電流的防護(hù)應(yīng)從以下兩個(gè)方面著手：從源頭上控制雜散電流的形成，減小雜散電流；對(duì)已產(chǎn)生的雜散電流采取排流或者其他方法降低雜散電流對(duì)油氣管道的腐蝕危害。
3.1 從源頭上控制雜散電流的形成
    由于行走軌本身具有電阻，當(dāng)有電流流過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電位差，而且行走軌對(duì)地的泄漏電阻不可能無窮大，因此會(huì)產(chǎn)生雜散電流。由式(1)可知，當(dāng)牽引電流一定時(shí)，雜散電流隨著行走軌電阻的增大而增大，隨著泄漏電阻的增大而減小，因此要從源頭上控制雜散電流的形成，必須減小行走軌電阻、增大泄漏電阻，可以采取以下幾種方法：
    ① 增加單根行走軌的長度，減少行走軌間的電阻。單根行走軌越長，行走軌之間的接頭越少，行走軌的電阻就越小，從行走軌向外流失的雜散電流就越少。
    ② 各段行走軌之間都應(yīng)有暢通的電氣連接，以減少行走軌之間的接縫電阻，保證低電阻的回流路徑。
    ③ 縮短供電半徑，增設(shè)變電所。當(dāng)供電半徑縮短以后，供電網(wǎng)絡(luò)的電壓降隨之而降低，行走軌上的電位差也隨之而降低，因此流過油氣管道的雜散電流就會(huì)減少。
    ④ 增加行走軌對(duì)地的泄漏電阻。枕木的端面和道釘必須經(jīng)過絕緣處理或設(shè)置專門的絕緣層，行走軌采用點(diǎn)支撐。
    ⑤ 增大油氣管道的電阻。油氣管道外部的覆蓋層要求完整無針孔，與金屬管道結(jié)合牢固，增大管道的電阻，減小雜散電流的流入量。
3.2 排流防護(hù)措施[5]
    把油氣管道中流動(dòng)的雜散電流直接流回至電氣化鐵路的行走軌，需要將油氣管道與鐵路的行走軌用導(dǎo)線做電氣上的連接，這一做法稱為排流法。利用排流法保護(hù)油氣管道不受雜散電流的危害，稱為排流防護(hù)措施。排流保護(hù)法可以分為直接排流法、極性排流法、強(qiáng)制排流法和接地排流法。
    ① 直接排流法。把油氣管道與電氣化鐵路的負(fù)極或行走軌用導(dǎo)線直接連接起來。這種方法不需要排流設(shè)備，簡單，造價(jià)低，排流效果好。但當(dāng)管道的對(duì)地電位低于行走軌對(duì)地電位時(shí)，行走軌電流將流入管道內(nèi)而產(chǎn)生逆流。因此這種排流方法只適合管地電位永遠(yuǎn)高于軌地電位、不會(huì)產(chǎn)生逆流的場所，而這種機(jī)會(huì)不多，限制了該方法的應(yīng)用。
    ② 極性排流法。由于負(fù)荷的變動(dòng)，變電所負(fù)荷分配的變化等，管地電位低于軌地電位而產(chǎn)生逆流的現(xiàn)象比較普遍。為防止逆流，使雜散電流只能由管道流入行走軌，必須在排流線路中設(shè)置單向?qū)ǖ亩O管整流器、逆電壓繼電器等裝置，這種裝置稱為排流器，這種防止逆流的排流法稱為極性排流法。極性排流法安裝方便，應(yīng)用廣泛。
    ③ 強(qiáng)制排流法。就是在油氣管道和行走軌的電氣接線中加入直流電流，促進(jìn)排流的方法。在管地電位正負(fù)極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，可以采用此防護(hù)措施。通過強(qiáng)制排流器將管道和行走軌連通，雜散電流通過強(qiáng)制排流器的整流環(huán)排放到行走軌上，當(dāng)無雜散電流時(shí)，強(qiáng)制排流器給管道提供一個(gè)陰極保護(hù)電流，使管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)。強(qiáng)制排流法防護(hù)范圍大，鐵路停運(yùn)時(shí)可對(duì)油氣管道提供陰極保護(hù)，但對(duì)行走軌的電位分布有影響，需要外加電源。
    ④ 接地排流法。此法與前3種排流方法不盡相同。管道上的排流電纜并不是直接連接到行走軌上，而是連接到一個(gè)埋地輔助陽極上，將雜散電流從管道上排出至輔助陽極上，經(jīng)過土壤再返回到行走軌上。接地排流法使用方便，但效果不顯著，需要輔助陽極，還要定期更換輔助陽極。
4 結(jié)語
    雜散電流會(huì)對(duì)油氣管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕危害，嚴(yán)重威脅到油氣管道的運(yùn)行安全，縮短油氣管道的使用壽命，因此必須采取防護(hù)措施對(duì)雜散電流產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕進(jìn)行控制，減少對(duì)油氣管道的危害。首先，要從源頭上控制雜散電流的形成，減小雜散電流；其次，對(duì)油氣管道采用合適的排流方法進(jìn)行排流。雖然雜散電流對(duì)油氣管道帶來了很多危害，但是只要采取合理有效的防護(hù)措施，就能減少其對(duì)油氣管道的危害，達(dá)到防護(hù)與治理的目的。
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(本文作者：曹阿林1、2 朱慶軍2 侯保榮2 張勝濤1 1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 重慶 400030；2.中國科學(xué)院海洋研究所 山東青島 266071)