埋地金屬管道雜散電流影響因素模擬研究

摘 要

摘要：采用實驗室模擬裝置研究了土壤電阻率、管道埋地深度、管道涂層破損率等因素對埋地金屬管道中雜散電流的影響規(guī)律。關(guān)鍵詞：埋地金屬管道；雜散電流；電化學(xué)腐蝕；實驗室模擬Simu
摘要：采用實驗室模擬裝置研究了土壤電阻率、管道埋地深度、管道涂層破損率等因素對埋地金屬管道中雜散電流的影響規(guī)律。
關(guān)鍵詞：埋地金屬管道；雜散電流；電化學(xué)腐蝕；實驗室模擬
Simulation Study on Influence Factors of Stray Current in Buried Metallic Pipeline
CAO A-lin，ZHU Qing-jun，ZHANG Sheng-tap，HOU Bao-rong
Abstract：The influence of soil resistivity，buried depth of pipeline，damage rate of pipeline coating on the stray current in buried metallic pipeline is investigated by laboratory simulation device.
Key words：buried metallic pipeline；stray current；electrochemical corrosion；laboratory simulation
    由鐵路運(yùn)輸電力牽引系統(tǒng)、陰極保護(hù)系統(tǒng)、高壓輸變電系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散電流會對埋地金屬管道(如油氣管道、給水管道等)產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕作用[1～3]，極大地加速了金屬管道的腐蝕速度，縮短金屬管道的使用壽命，甚至釀成重大事故[4～9]。因此，有必要研究影響埋地金屬管道雜散電流的相關(guān)因素，采取必要的措施防止雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕。但是，由于雜散電流受土壤電阻率、管道埋地深度等諸多因素的影響以及所處的特殊環(huán)境[10]，難于進(jìn)行現(xiàn)場實驗。因此，往往采用實驗室模擬裝置，通過模擬實驗，得出重要的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論。
1 實驗裝置與方法
雜散電流模擬實驗裝置見圖1。在一個有機(jī)玻璃制成的方形容器(尺寸為0.5m×0.5m×0.5m)中填滿土壤，將一段與直流電源連接的電阻絲平鋪在土壤的表面。在土壤中埋置兩段內(nèi)外壁及端面均由環(huán)氧樹脂密封的金屬管道，兩段金屬管道外端各制造一個破損點，并在兩段管道內(nèi)端各引出一條導(dǎo)線，連接數(shù)字萬用表。圖1中，I為外加電流(單位為A)，t為雜散電流(單位為mA)。實驗電阻絲采用直徑為0.3mm(電阻為15.42Ω/m)、長度為20cm的鎳鉻合金電阻絲。埋地金屬管道采用兩段長度均為10cm，外徑為30mm，壁厚為5mm的Q235A鋼金屬管道。
 
當(dāng)給實驗電阻絲施加恒定的直流電源時，除了有流過電阻絲的電流以外，還有通過土壤和埋地金屬管道的雜散電流，金屬管道內(nèi)的雜散電流可由數(shù)字萬用表測量。在雜散電流的作用下，埋地金屬管道會發(fā)生電化學(xué)腐蝕作用，金屬腐蝕量與雜散電流值符合法拉第定律。因此，通過研究金屬管道雜散電流值及其影響因素可以得出埋地金屬管道的雜散電流腐蝕規(guī)律及其控制措施。
2 實驗結(jié)果分析
    ① 土壤電阻率對雜散電流的影響
    金屬管道埋地深度(地表距管頂深度，以下同)為h=5cm，涂層破損率為θ=1%，管道與電阻絲水平凈距為d=20cm，土壤電阻率分別為ρ=30.10、39.05、49.12Ω·m。在此條件下，土壤電阻率對雜散電流影響關(guān)系曲線見圖2。從圖2中可知，當(dāng)金屬管道埋地深度和涂層破損率等其他實驗條件保持恒定、外加電流相同的情況下，隨著土壤電阻率的增加，雜散電流減小。因此，在埋地金屬管道施工時，應(yīng)該選擇土壤電阻率高的區(qū)域埋置金屬管道，或運(yùn)用其他方法提高金屬管道周圍的土壤電阻率，以此來減小雜散電流，減輕雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕危害。
 
    ② 金屬管道埋地深度對雜散電流的影響
    土壤電阻率為ρ=30.10Ω·m，金屬管道涂層破損率為0=1%，管道與電阻絲水平凈距為d=10cm，管道埋地深度分別為h=2、5、10、15cm。
    在上述條件下，埋地深度對雜散電流影響關(guān)系曲線見圖3。由圖3可知，在其他實驗條件不變的情況下，隨著金屬管道埋地深度的增加，在外加電流相同情況下，金屬管道內(nèi)的雜散電流逐漸減小，并且減小的幅度隨著埋地深度的增加也逐漸減小，即在一定條件下，金屬管道的埋地深度存在著一個極限值，當(dāng)埋地深度大于這個極限值時，雜散電流基本保持不變。
 
    ③金屬管道涂層破損率對雜散電流的影響
    金屬管道埋地深度為h=2cm，管道與電阻絲水平凈距為d=20cm，土壤電阻率為ρ=30.10Ω·m，涂層破損率分別為θ=1%、0.5%、0.1%。在上述條件下，管道涂層破損率對雜散電流影響關(guān)系曲線見圖4。從圖4可以看出，在一定土壤電阻率條件下，隨著管道涂層破損率的增大，在相同外加電流條件下，管道內(nèi)的雜散電流也逐漸增大。因此，要減小管道內(nèi)雜散電流，就必須降低埋地金屬管道的涂層破損率，提高其表面防護(hù)性能，減少雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕危害。
 
    ④ 管道與電阻絲水平凈距對雜散電流的影響
    在一定土壤電阻率、管道埋地深度和管道涂層破損率的情況下，改變管道與實驗電阻絲水平凈距對管道內(nèi)雜散電流也有一定的影響。土壤電阻率為ρ=30.10Ω·m，涂層破損率為0=1%，埋地深度為h=15cm，管道與電阻絲水平凈距分別為d=5、10、15、20、25cm。在上述條件下，管道與電阻絲水平凈距對雜散電流影響關(guān)系曲線見圖5。
    由圖5可知，隨著外加電流的增大，管道內(nèi)的雜散電流也逐漸增加，并且雜散電流的增加程度也隨著外加電流的增加而增加。此外，隨著二者之間距離減小，在相同外加電流情況下，管道內(nèi)雜散電流的增加趨勢變大。當(dāng)二者之間的距離增加到一定程度的時候，在相同外加電流的情況下，管道內(nèi)雜散電流基本保持不變。這說明埋地管道與外加電流源的距離有一定極限關(guān)系，即當(dāng)二者之間的距離增加到一定程度時，在相同外加電流條件下，管道內(nèi)雜散電流基本不發(fā)生變化。
3 結(jié)論
    通過雜散電流實驗室模擬裝置，對影響雜散電流的因素進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，在外加電流相同情況下，埋地金屬管道中雜散電流隨著土壤電阻率、埋地深度、與電阻絲水平凈距的增大而減小，隨著管道涂層破損率的增大而增大。模擬實驗結(jié)果可以為埋地金屬管道相關(guān)工程設(shè)計、施工提供一定的依據(jù)，也可為防止雜散電流對埋地金屬管道腐蝕危害提供相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。
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(本文作者：曹阿林1、2 朱慶軍2 張勝濤1 侯保榮2 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)