直流杂散电流对埋地管道的电腐蚀规律及排流措施

李栋

大庆油田有限责任公司第六采油厂监督管理中心

随着工业化进程的不断加速，我国油气管道里程不断攀升，截至2022年年底，已达到18×104km；同时，我国城市电气化的铁路、电车、轨道交通等也已累积超过6 000 km，且建设速度越来越快，逐渐从一线城市向三四线城市发展[1-2]。在直流牵引系统和油气管道选线的过程中，因工农矛盾、土地限制、城市规划等问题，两者不可避免地发生共用廊带现象。通常直流牵引系统中的走行轨不可能完全绝缘，大概有5%的电流会泄漏至土壤形成杂散电流，流入临近破损的埋地管道，一旦发生腐蚀破裂，将会导致严重的事故后果。据统计资料表明，1 A 的泄漏电流每年可腐蚀9.13 kg 的铁，北京、上海、天津的地铁均发生过钢筋或钢管侵蚀的现象[3-4]；东北地区的埋地油气管道中有80%的腐蚀来自于杂散电流[5]。因此，考察轨道交通直流杂散电流对埋地管道的电化学腐蚀规律，对于提高管道完整性管理水平、制定针对性的排流措施极为重要。

受轨道交通车辆状况、埋地管道与车辆距离、直流牵引电流大小等因素的影响，管道上电流流入和流出的方向和位置会不断发生改变，形成动态杂散电流，这就对其检测和监测造成了难度[6-7]。考虑到腐蚀速率与腐蚀电流密度呈正比，腐蚀电流密度又与管地电位相关，因此采用UDL-2 型数据记录仪记录电位数据，在埋地管道不同位置管地电位动态监测的基础上，分析杂散电流的流入、流出规律，可为管道排流方案的制定提供实际参考。

1 基本情况及测试方法

管道全长130.5 km，管径为508 mm×10 mm，管材L360N，输送介质为净化天然气，采用3PE 防腐层和外加电流阴极保护的方式联合保护管道。管道与轨道交通线的相对位置见图1，干扰源与管道最近的位置为12#测试桩，直线距离5 km。

图1 管道与轨道交通线相对位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the relative position of pipelines and rail transit lines

参照GB/T 21246—2020《埋地管道阴极保护参数测量方法》的相关方法测试通电电位、断电电位、自然电位等参数，测试前应保证阴极保护系统运行正常，管道充分极化；测试时需确保饱和硫酸铜参比电极位于管道上方，与潮湿土壤接触良好。

2 结果与分析

2.1 杂散电流干扰规律和干扰频率

以12#测试桩为例，监测结果见图2。干扰主要集中在（6:30～23:00）期间，而夜间停运（23:00～6:30）期间的干扰较弱，通电电位处于稳定的自然电位，干扰规律与轨道的运营状态保持一致。对其中的一个时间段放大处理（图3）。每间隔10 min，通电电位出现较大的干扰峰值；大周期是由数个小周期组成，小周期内存在通电电位的上升、下降或平稳运行。大周期与发车时间间隔保持一致，小周期可能与馈电线提供电流的稳定程度有关。由此可见，该埋地管道受轨道交通杂散电流的影响较大。

图2 12#测试桩通电电位监测结果Fig.2 Monitoring results of electric potential on 12#Test Pile

图3 局部电位放大图（2022年10月11日）Fig.3 Enlarged view of local potential（2022-10-11）

2.2 干扰源位置分析

分别在阴极保护系统开启和关闭的条件下，测试沿线电位，确定电位波动情况（图4）。随着与干扰源距离的增加，电位波动不断减小，说明越靠近干扰源，管道受杂散电流的影响越大。

图4 电位波动情况Fig.4 Potential fluctuation situation

为进一步研究干扰源附近管段是否存在较高的腐蚀风险，参照澳大利亚标准AS 2832.1—2015 中的要求，分别测试了9#～14#测试桩的断电电位正于保护准则的时间比例，见图5。距离干扰源越近，因杂散电流引起的电位正向偏移时间越长，腐蚀趋势远大于其余管段；远离12#测试桩的9#测试桩，其正于保护准则的时间比例为10.21%，也远超标准中规定的5%，说明此干扰源的影响范围较大。

图5 不同测试桩电位正于保护准则的时间比例Fig.5 Proportion of time when the potential of different test piles is positive to the protection criterion

2.3 杂散电流流入、流出规律

在管道沿线测试桩放置多台数据记录仪，连续24 h 同步监测，其中4#、7#、8#、11#测试桩为同一时段测试，12#、13#、16#、18#、20#测试桩为同一时段测试，见图6、图7。由图6 可知，在b 和c 时段，11#测试桩的电位偏正，说明此处杂散电流从防腐层破损点流出，存在腐蚀风险；4#、7#、8#测试桩的电位偏负，说明此处杂散电流从防腐层破损点流入，存在阴极剥离和氢脆风险；在b时段，11#测试桩的电位偏负，说明有杂散电流流入；4#、7#、8#测试桩的电位偏正，说明有杂散电流流出。4#、7#、8#与11#测试桩的变化趋势相反，两者互为杂散电流的流入、流出点。

图6 11#及其上游测试桩的通电电位（2022年12月20日）Fig.6 Electric potential of 11#and its upstream test pile（2022-12-20）

图7 12#及其下游测试桩的通电电位（2022年12月25日）Fig.7 Electric potential of 12#and its downstream test piles（2022-12-25）

同理，由图7可知，16#、18#、20#与12#、13#测试桩的变化趋势相反，两者同样互为杂散电流的流入、流出点。在11#和13#测试桩附近存在电流流入、流出的分界点。

3 排流防护措施研究

对于动态直流杂散电流，可以结合干扰源和管道方共同实施防护措施。对于干扰源，可以采取降低走行轨对地电阻、增加牵引变电所数量、减少供电范围、增加走行轨附近土壤电阻率等方式，从源头上降低杂散电流对管道的影响；对于管道方，除增加管道与走行轨之间的距离、增加管道防腐层电阻外，可采用排流保护方式降低杂散电流对管道的影响。

GB 50991—2014《埋地钢制管道直流干扰防护技术标准》中规定了直流排流、极性排流、强制排流和接地排流等四种排流方式[8-9]，其中直流排流只适用于管地电位大于铁轨对地电位的情况，当变电所负荷发生改变，管地电位小于铁轨对地电位时，会发生逆流，增大管道腐蚀风险，因此该排流方式的应用越来越少，在此只采用其余三种排流方式，并结合阴极保护系统恒电位仪的输出对管道进行防护。

3.1 极性排流

根据检测结果，在电位波动最大的12#测试桩处安装半导式极性排流器，测试上游10#和5#测试桩的管道电位（图8）。10#测试桩的通电电位由-2.4～0.5 V 控制到-1.1～0.4 V，5#测试桩的通电电位由-2.0～0.7 V 控制到-1.5～0.6 V；随着距离的增加，排流效果逐渐降低，且排流器对负向电位的影响远大于正向电位。

图8 极性排流效果Fig.8 Polarity drainage effect

3.2 强制排流

在干扰最严重的11#～13#测试桩附近安装临时抗干扰恒电位仪，进行强制排流实验，对上游10#测试桩和5#测试桩测试其效果（图9）。受杂散电流的影响，强制排流点应选在干扰源的主要流入区域附近。10#测试桩的通电电位由-2.3～0.5 V 控制到-1.1～-0.8 V，5#测试桩的通电电位由-1.9～0.3 V控制到-1.1～-0.6 V，随着距离的增加，排流效果减缓较慢，说明在合理设置排流点时，强制排流可保护的范围较大。

图9 强制排流效果Fig.9 Forced drainage effect

3.3 接地排流

在管道沿线临时安设15 处牺牲阳极用于接地排流，效果见图10。排流前，位于11 的排流点通电电位波动最大，该点与12#测试桩的距离较近，受杂散电流的干扰较大；排流后，不同排流点的通电电位均有所下降，但由于排流驱动电压较低，排流效果不明显。此外，负向电位有所正移，正向电位变化不明显，6、12、14 号排流点的正向电位较排流前更大，说明这些部位的欠保护情况更加严重，也反映了接地排流容易造成管地电位的分布不均匀。

图10 接地排流效果Fig.10 Grounding drainage effect

3.4 阴极保护

1#测试桩距离首站最近，初始首站恒电位仪的原始状态为恒电位模式，设定电位-1.2 V，在动态杂散电流干扰下几乎无电流输出。为增大阴极保护系统的效果，将其转化为恒电流模式，设定电源输出电流为2 A。调整后，输出电压为50 V，输出电流为1.5 A，此时已达到恒电位的最大输出电压，调整前后的效果见表1。调整后虽然通电电位和断电电位的波动范围有所减小，均值电位有所下降，但根据AS 2832.1—2015 中的相关要求，断电电位正于保护准则的比例变化不大，1#测试桩附近始终处于欠保护状态，进而推断管道全线均处于欠保护状态，说明单纯调整阴极保护系统的电流输出，其防护效果有限[10]。

表1 恒电位仪调整前后1#测试桩的电位情况Tab.1 Potential situation of 1#Test Pile before and after adjustment of the potentiostat

4 多重防护效果分析

综合上述研究，强制排流的效果最好，其次为极性排流和接地排流，阴极保护的效果最差。考虑到强制排流法一般用于直流排流或极性排流无法使用的特殊电蚀场合，故联合强制排流和接地排流，并适当调整阴极保护系统的电流输出对管道进行综合治理。在11#～13#测试桩附近安装抗干扰恒电位仪，在管道沿线安设15 处牺牲阳极地床，同时保持恒电位仪的排流额定电流余量。防护前后的效果见图11。所有测试桩的断电电位正于保护准则的比例均有所下降，除11#和12#测试桩的断电电位正于-0.85 V 的比例仍大于5%，约10 km 的管道处于欠保护状态，其余管段均达到了良好的保护效果，说明采用多重防护对管道沿线的保护效果最好。对于11#和12#测试桩，建议积极联系干扰源方，实施共同防护、综合治理，以避免管道和牵引变电站之间的相互干扰。

图11 多重防护效果Fig.11 Multiple protection effects

埋地管道受杂散电流腐蚀影响满足法拉第定律[11-12]，根据腐蚀电流密度，计算电化学反应速率，进而计算均匀腐蚀速率。防护前，不同测试桩处的均匀腐蚀速率为1.072～1.736 mm/a，远超过0.076 mm/a 的标准要求；防护后，不同测试桩处的均匀腐蚀速率为0.027～0.056 mm/a，腐蚀速率大幅降低。以最大腐蚀速率为核算基础，每年可减少管道更换2.5 km，按照管径508 mm×10 mm 管道每米单价500 元计算，每年可节约费用125 万元；减少因泄漏引发的天然气放空50×104m3/a，按照每立方米商品气价格2 元计算，每年可节约200 万元，合计325万元/a。

5 结论

（1）通过数据记录仪对埋地管道沿线的管地电位进行动态监测，其干扰规律与轨道的运营状态保持一致，干扰频率与发车时间间隔保持一致，距离干扰源越近，因杂散电流引起的电位正向偏移的时间比例越大，腐蚀趋势远大于其余管段。

（2）同一位置不同时段可能互为电流流入、流出段，电流流动方向和规律随时间动态变化。

（3）针对多种排流措施进行了馈电实验，强制排流的效果最好，其次为极性排流和接地排流，通过多重联合防护后，大部分管段的保护效果良好，腐蚀速率大幅降低，可大量减少管道更换和泄漏放空量。