长输管道阀室接地网腐蚀状况检测及原因分析

李 灿;单鲁维;王磊磊;吴振宙;王 强;曹晓斌

(1.国家管网集团西气东输公司,上海 200122; 2.四川雷盾科技有限公司 成都 610000;3.西南交通大学电气工程学院,成都 611756)

0 引言

接地网是保证输油气管道阀室设备稳定运行和人员安全的重要设施,用于给各个系统提供公共参考地。在遇到雷击或电力系统发生短路故障时,雷电流或短路电流可以通过接地装置快速散入大地,防止地电位过高造成设备损坏[1-4]。

随着我国西气东输、南北互联战略的实施,我国这几年来新建了大量的长输管道。目前,国家管网西气东输管道系统运营里程超过了两千公里,途经江苏地区13个地级市、73个县(区市),管道沿线分布有56座场站、90座阀室[5-6]。

阀室是长输管道用于实现油气输送管控、减少故障范围的重要设施,其接地网为阀室内部的控制和计量设备提供工作接地与防雷接地。当接地网腐蚀严重时,会造成接地电阻过高,对阀室的安全运行造成严重影响,对接地网的腐蚀情况进行定期检测有利于掌握地网的状态,防止设备反击损坏[7-10]。

近年来检查发现,我国东南部长输管道的A、B、C、D四座阀室均于2014年进行了接地网更新改造。现场所使用的接地网材料为-40×4热镀锌扁钢和L50×5×2 500热镀锌角钢。但仅仅过了5年的时间,在进行现场开挖时发现四座阀室的接地网均腐蚀严重,腐蚀程度超过了材料的三分之一。

造成接地网腐蚀的因素很多,如土壤的含盐量、含水量、透气性、酸碱度等等,其中高酸碱度和高含盐量是造成接地网快速腐蚀的主要原因[11-14]。

现在的研究认为,如果输电系统有部分工作电流或不平衡电流流入大地,会造成周边输油气管道腐蚀,但这方面的研究主要针对高压直流接地极对周边电力系统杆塔接地装置和油气管道的腐蚀[15-18],未开展对阀室接地网的研究。

为了防止阀室内的管道与地网之间存在过高的电压,引起设备放电烧蚀和人员触电,因此许多阀室安装了智能接地装置[19-23]。当管道对地网的电压较高时,这些接地装置将管道与阀室地网连通,从而降低该段管道对大地的电压[24-26]。但智能接地装置工作时,将形成管道与大地的电流通路,造成直流电流通过阀室的地网流入大地,从而造成腐蚀[27-30]。

文中A、B、C、D 4座阀室到最近的直流输电线路接地极均在60 km以上,其中最远的阀室到高压直流接地极的距离达到140 km,且附近60 km内均并没有直流输电线路通过。为了查明这4座阀室地网快速腐蚀的真正原因,笔者对可能引起接地网腐蚀的各种因素进行了调查研究。

1 阀室接地网腐蚀状况

开挖检测是对接地体结构腐蚀情况进行评估最为直接的方式,通过对场站和阀室的接地网进行开挖,得到了现场敷设的接地体材质、埋设深度和接地体腐蚀情况。为避免在开挖检测过程中对现场的重要隐蔽设施造成影响,本次检测评估的开挖检测点均选择在接地引下线处,4个阀室的设备接地连接线和接地网的检测数据见表1。

表1 各阀室宏观检测结果

现场开挖得到的接地体腐蚀情况见图1。通过对接地体开挖检测发现,A、B、C、D 4座阀室的接地网均存在严重腐蚀现象,其中A、D腐蚀情况稍轻,A阀室接地网引上线附近的接地扁钢有多处3 cm×4 cm的腐蚀区域,最大腐蚀深度为1.3 mm。D阀室测试点1、测试点2和测试点3处的接地扁钢及角钢均已全部锈蚀,最大锈蚀深度2.3 mm。

图1 接地体腐蚀状况图

B、C阀室地网腐蚀较为严重,其中B阀室测试点1接地网引上线附近的接地扁钢有10 cm×4 cm的腐蚀区域,测试点2处接地网引上线附近的接地扁钢已严重腐蚀,最大腐蚀深度为1.4 mm,扁钢的边沿呈锯齿状。

C阀室腐蚀情况最为严重。测试点1处的接地扁钢在埋入地面下0.3 cm处已锈蚀至扁钢宽度的二分之一,测试点2处的接地扁钢在埋入地面以下至接地网的连接处已全部腐蚀,最大腐蚀深度为1.97 mm。

为了进一步分析接地体腐蚀的原因,分别测量了这4个阀室的地网接地电阻值、土壤电阻率、土壤理化参数。

2 接地网检测

2.1 接地电阻检测

接地电阻值是判定接地系统是否有效的重要参数之一,现场测量使用数字式接地电阻测试仪MI12126,采用三极法对接地网的接地电阻值进行测试。

测量时将被测物的接地引下线进行了拆除,避免设备其他的接地连接点对测试值造成影响,现场测量布线原理图如图2所示。测量时电压极和电流极距离电流注入点的距离均为2D以上(D为接地网对角线长度),电压极与电流极与接地网连线的夹角为90°。

图2 接地电阻测试原理图

阀室的工艺区和放空区分别进行接地电阻测量,得到的结果见表2。

表2 各阀室的接地电阻

2.2 土壤电阻率检测

考虑影响地网接地电阻的不仅有接地网腐蚀原因,还会因季节造成土壤电阻率变化,从而造成地网接地电阻改变。因此本研究采用温纳四极法测量了阀室附近的土壤电阻率。测试点选取靠近阀室外侧无主管道及接地体埋设的区域,测得4座阀室所在区域土壤电阻率分别为:A阀室184.75 Ω·m,B阀室50.66 Ω·m,C阀室25.5 Ω·m,D阀室34.34 Ω·m。

根据现场测量,A阀室和D阀室工艺区接地网为20 m×20 m矩形接地网,B阀室和C阀室工艺区接地网为10 m×10 m矩形接地网;4座阀室放空区接地网均为8 m×8 m矩形接地网。

2.3 检测结果分析

对4座阀室工艺区和放空区接地电阻值与其所在区域土壤电阻率进行对比分析,见图3。

图3 接地电阻值与土壤电阻率对比图

由图3可以看出,4座阀室所在地的土壤电阻率比较低,因此虽然各阀室环形地网面积较小,但接地电阻值均小于2 Ω,满足接地标准的规定。

通过对4个阀室的接地电阻与土壤电阻率的测试可知,4个阀室的接地电阻相差并不大,尤其是腐蚀情况最为严重的C阀室,其接地电阻在4个阀室中仅大于A阀室,只有1.27 Ω。B阀室工艺区的接地电阻最大,但其土壤电阻率也相对较大,仅小于A阀室。

通过对接地电阻与土壤电阻率测量和比较可以发现,尽管4个阀室的腐蚀严重程度不一,但无法从接地电阻与土壤电阻率对腐蚀情况进行判断。

3 土壤性能检测

3.1 土壤氧化还原电位检测

氧化还原电位是个综合反映土壤氧化还原程度的指标。当氧化还原电位高时,说明氧化剂占的比例大,氧化性强;当氧化还原电位低时,说明还原剂占的比例大,还原性强。氧化还原电位愈低,硫酸盐还原菌对金属的腐蚀作用愈大。因此,可以通过氧化还原电位,进而评估土壤的腐蚀性。

现场检测采用土壤ORP测试仪对土壤氧化还原电位进行测量。测试结果见表4。

表4 各阀室处的氧化还原电位

由表4可知,A、B、C、D 4座阀室各测试点土壤的氧化还原电位测试值均大于400 mV。我国电力行业标准DL/T 1554-2016接地网土壤腐蚀评价导则中第5.1.4条规定,当土壤氧化还原电位大于400 mV时,土壤微生物腐蚀性属于微弱等级。由此可知各阀室土壤微生物对接地网的腐蚀性微弱[31]。

3.2 土壤质地检测

现场对接地装置埋设深度处的土壤进行了采样。A、B、C、D 4座阀室各采样点的土壤质地及PH值见表5。

表5 阀室处的土壤参数

从表5中的数据我们发现,A、B、C、D 4座阀室的土壤质地均为粘壤土,所有采样点的土壤PH值都呈碱性,在些情况下,土壤对接地体的腐蚀强度十分微弱。

3.3 土壤中离子含量检测

A、B、C、D 4座阀室各采样点的土壤中离子含量检测结果见表6。

根据接地网土壤腐蚀评价导则(DL/T 1554-2016)附录B中规定[31],当土壤中水溶性氯离子与硫酸根离子的总量小于30 mmol/kg时,其对接地网的腐蚀十分微弱。从表6中的数据可知,A、B、C、D 4座阀室土壤中水溶性氯离子与硫酸根离子总量均小于10 mmol/kg,对接地网的腐蚀十分微弱。

从表5与表6中的数据可知,同一座阀室的各检测点之间各项土壤理化参数数据相近,不存在接地网不同位置存极化电位差,从而使部分接地网导体位于阳极段,从而发生腐蚀的情况。

3.4 接地体自然电位检测

接地装置在土壤中的自然电位是衡量土壤腐蚀性的重要参数之一,现场检测采用无水硫酸铜参比电极法进行测量,测量所使用仪器为FLUKE 15B+万用表。对每个阀室的接地网均选择3个测试点对其自然电位进行测试,其自然电位的测试结果见图4。

图4 接地体自然电位测量结果

从图4可以看出,本次检测的A、B、C、D 4座阀室的各测试点接地体的自然电位测试值位于-0.558 V～-0.276 V范围内。

3.5 土壤的自然腐蚀性分析

土壤的腐蚀性过强是造成接地装置腐蚀速度过快的主要因素。但土壤引起的自然腐蚀分两种,一种是通过土壤中的酸对金属造成氢置换反应,引起金属溶解。另一种是土壤中含盐量过高,加速金属与内部杂质的原电池反应。从4个阀室的土壤检测结果可知,这4个阀室的PH值均大于7,呈弱碱性,可以排降除酸性环境引起的腐蚀。从表5中的数据可知4座阀室的土壤中含盐量也非常低,原电池反应对接地网的腐蚀也应十分微弱。

最终从各测试点接地体的自然电位测试值也可知,其自然极化电位在-0.558 V～-0.276 V范围内,属于弱腐蚀区域,即这4个阀室的接地极腐蚀问题不是受土壤的影响。

4 直流干扰引起腐蚀的可能性评估

本研究中这4座阀室沿线分布着4座高压直流输电线路接地极,其中A阀室距最近接地极为70 km,B阀室到最近接地极为65 km,C阀室到最近的接地极是140 km,D阀室是70 km。

为此,课题组调研了4个阀室的智能接地系统排流情况,其中A室在一个季度内发生了4次排流,第1次平均电流为2.5 A,持续时间2天、第2次平均电流4 A,持续4天、第3次平均电流为1 A,持续2天、第4次平均电流为1.5 A持续时间2天,因此计算得到排流量为

2.5×2+4×4+1×2+1.5×2=21(安培·天)

按一季度计算,平均到90天后,每天的平均电流为:

21/90=0.233(安培·天)

假设每个季度情况都相同,则该阀室的实际每年的日平均排流量为0.233(A)。

根据Faraday电解第一定律:

(1)

式中,Δw为金属在时间Δt内的腐蚀量,kg;Q为在时间Δt内流过金属的电量,C;F为Faraday常数,1F=96 485 C;n为金属在氧化过程中失去的价电子数;k为金属的化学当量,k=M/nF,kg/(A·s);铁:k=2.89×10-7kg/(A·s);铅:k=10.63×10-7kg/(A·s);M为金属的摩尔质量,kg/mol;I为流出阳极金属的电流,A。

根据Faraday电解第一定律,在自然条件下,1 A的电流1年内能腐蚀8 kg～10 kg钢铁、17.6 kg锌或33.5 kg铅,当接地体为镀锌扁钢时,腐蚀量约为17.25 kg。因此可算得A阀室的年金属损失量约为

W=17.25×0.233=4.02(kg)

采用同样的方法,可以得到B阀室的金属损失量约为2.33 kg,C阀室的金属损失量约为1.26 kg,D阀室的金属损失量约为2.07 kg。因此,从接地网改造后,5年时间的总腐蚀量为A阀室约为20.1 kg,B阀室约为11.6 kg,C阀室约为6.3 kg,D阀室约为10.4 kg,与总接地网相比,该质量损失并不大。为些本文对接地极的腐蚀特征进行了分析。发现接地扁钢的腐蚀以局部点腐蚀为主,断裂面边缘锋利,符合这一特征。见图5。

图5 接地体腐蚀状况图

造成该现象的原因为:当接地极有电流流入大地时,扁钢的边沿是电流密度较大的区域,因此截面的四角更容易发生腐蚀,进而造成接地扁钢断裂,接地网整体性能变差。

5 结论

为了查明造成阀室接地网快速腐蚀的主要原因,本研究实测了某长输管道A、B、C、D 4座阀室接地网的接地性能和土壤参数,调查了其接地电流的记录,得到如下结论:

1)发现4个阀室接地网均存在严重的腐蚀现象,其腐蚀特征为,以点腐蚀为主,腐蚀主要集中在部分点,这些点腐蚀严重时截面损失接近1/3,但腐蚀点附近的导体却只有少量斑点。通过对接地体腐蚀截面进行分析,发现其腐蚀断裂面边缘锋利,符合电流腐蚀特征。

2)接地电阻测量结果均在1 Ω左右,土壤理化参数各项检测数据表明土壤微生物腐蚀属于微弱等极,都能满足标准的规定要求,进一步证明了是直流干扰造成了这4阀室接地网加速腐蚀。计算结果表明因直流系统排流造成接地网的每年腐蚀量在2 kg～4 kg左右,但由于腐蚀位置集中在部分点,容易造成接地扁钢断裂。

3)本研究的A、B、C、D 4座阀室到直流接地极距离不同,但均在60 km以上,证明直流接地极可以对远处的阀室接地网造成腐蚀。从4座阀室的排流记录和地网调查结果发现,尽管直流输电线路每年排流时间短,排流电流小,但受接地网腐蚀特征的影响,该排流电流可以造成阀室接地网局部腐蚀断裂。