高压直流输电体系对埋地金属管道腐蚀的影响参数

古 彤，白 锋2，刘震军，李正敏，曹方圆2，朱凤艳

(1. 中国石油天然气管道科学研究院有限公司，廊坊 065000；2.中国电力科学研究院，北京100192)

我国地域广阔，能源主要分布在西部区域，而人口和工业则主要集中在东部地区，因此，远距离、大容量的能源输送发展战略应运而生，长输油气管道和高压直流工程也因此进入建设高峰期[1-2]。

随着西电东送，西气东输工程的建设，直流接地极与埋地油气管道邻近的情况已不可避免。而直流输电系统在运行期间会有大量电流通过接地极入地，在接地极附近形成恒定的直流电流场[3]，并伴随出现大地电位升高。由于管道防腐蚀层具有良好的绝缘性能，导致管/地两侧之间形成高电位差，给管道设备及人员带来威胁；如果电流通过防腐蚀层破损点流进、流出管道，则会造成氢脆、腐蚀等隐患[4-5]。

目前，中国是世界上直流输电工程数量最多，电压等级最高，输送容量最大的国家。随着特高压直流输电工程的快速发展，接地极的额定入地电流也由3 kA增大至4 kA甚至5 kA，入地电流对埋地油气管道的影响日渐凸显[6-9]，引起了石油天然气和电力两大行业的高度关注[10]，而关于直流接地极入地电流对金属管道腐蚀的针对性研究却并不多见[11-12]。本工作通过分析高压直流输电系统对埋地油气管道直流干扰的机理，对直流干扰引起管道腐蚀的相关参数开展调研和分析，为接地极入地电流对埋地油气管道的腐蚀影响研究提供基础参数。

1 干扰机理概述

1.1 入地电流

目前，我国直流输电工程均设计为双极直流输电系统，正常运行情况下多采用双极对称运行方式，当一极停运或发生故障时，可采用单极金属回路运行方式或单极大地回路运行方式。

采用双极对称运行时入地电流为正负两极间的不平衡电流，其值不超过额定电流的1%[13]，不平衡电流入地持续时间长。单极金属回路运行作为故障期间的过渡运行方式，其运行时间很短，可以减少对环境的影响，并延长接地极的寿命。此外，单极大地回路运行方式仅用于直流输电工程投运之前的系统调试期间，其运行时间也很短，一般不超过1 d。

入地电流经大地传导后从管道破损点流入流出的电流只是部分入地电流，经破损点流出管道的电流称为泄漏电流，单位面积破损点上的电流称为泄漏电流密度。

另外本工作提到的等效入地电流，出自IEC TS 62344[14]《Design of earth electrode stations for high-voltage direct current(HVDC) links-General gurdelines》，它是接地极以阴极或阳极运行时的总安时与设计寿命的比，可以用于分析接地极对附近埋地金属体的腐蚀影响。

1.2 高压直流接地极对埋地管道的干扰机理

高压直流输电系统的接地极入地电流是对管道造成干扰的主要原因之一。当接地极有直流电流流通时，在土壤中会形成一个恒定的电流场，由于管道电阻远小于土壤电阻，如果管道防腐蚀层存在破损点，电流会经由破损点在管道上流通。

我国工程实况中，埋设于直流接地极附近的重要金属管道多为长距离输油输气管道，此类管道表面一般敷设有防腐蚀层，目前较为常用的有3PE、FBE和石油沥青防腐蚀层，其电阻率较大。若防腐蚀层完好，通过防腐蚀层与土壤进行交换的电流密度则很小，此时可不考虑入地电流对管道的影响；但管道表面的防腐蚀层不可避免会有破损点的存在，且破损点处的电流密度可能较大，此时入地电流对管道的影响需要考虑。

按照接地极工作模式的不同，干扰电流在管道上流通的方向也有所不同。当接地极处于阳极工作模式时，入地电流会在靠近接地极的管道破损点处流入管道，在远离接地极的管道流出；当接地极处于阴极工作模式时，入地电流在管道上流入流出的方向与阳极运行时的相反[11]。

管道受直流干扰时，在管道破损点处如果有直流电流流出，管道金属与土壤接触面上将发生腐蚀反应，且电流强度越大，持续时间越长，管道腐蚀越严重。管道破损点处的电化学腐蚀程度除受电流密度的影响外，还与其所处的土壤环境有关。此外，金属在发生电化学腐蚀时，金属管道作为电化学反应中的电极，不同的金属材料对表面的极化电位偏移也可能会有影响。

2 腐蚀参数确定

根据上述干扰机理可知，影响管道腐蚀的相关参数有管道金属材质、土壤性质、泄漏电流。其中，与腐蚀影响有关的土壤性质包括土壤电阻率、土壤pH、土壤成分，与腐蚀影响有关的泄漏电流参数则包括其大小与持续时间。

2.1 管道金属材质

据调研[14-16]，我国90年代建设的高压管线多数采用X65管线钢，如轮南-库尔勒，库尔勒-鄯善管线；目前已建的大型管道工程，西气东输一线采用X70管线钢、西气东输二线、三线则采用X80管线钢。因此，后续腐蚀规律试验研究将主要针对X65、X70和X80三种管线钢开展。

2.2 土壤理化性质

2.2.1 土壤电阻率

我国土壤电阻率根据各地区实际情况不同而有较大差异，山区土壤电阻率较大，可达上千欧米，而平原地区则较低，仅为几十欧米。埋地管线的腐蚀行为与所处的土壤环境密切相关，土壤电阻率越低，所含盐分越多，土壤腐蚀性越强。

GB/T 21447—2018《钢质管道外腐蚀控制规范》标准，根据土壤电阻率将管道所处环境的土壤腐蚀性进行分级：当土壤电阻率<20 Ω·m时，土壤腐蚀性强；当土壤电阻率为20～50 Ω·m时，土壤腐蚀性中；当土壤电阻率>50 Ω·m时，土壤腐蚀性弱。

表1和表2分别为我国21个超/特高压直流工程接地极和41处腐蚀研究基地试验点的表层土壤电阻率。

由表1可见：在21个接地极极址中，有71%的极址表层土壤电阻率不超过100 Ω·m，而在不超过100 Ω·m的极址中，有47%的极址表层土壤电阻率为10～30 Ω·m。由表2可见：在41个腐蚀研究基地试验点中，有81%的表层土壤电阻率不超过100 Ω·m，而在不超过100 Ω·m的腐蚀试验点中，有约79%的试验点表层土壤电阻率不超过30 Ω·m。结合土壤腐蚀性分级，强腐蚀性的土壤电阻率选择10 Ω·m，中腐蚀性的土壤电阻率选择30 Ω·m，弱腐蚀性的土壤电阻率选择100 Ω·m，另外选择500 Ω·m，1 000 Ω·m，1 500 Ω·m作为土壤电阻率规律研究的补充值。

表1 国内21个超/特高压直流接地极极址表层土壤电阻率Tab. 1 Soil resistivities of 21 extra/ultra HVDC grounding electrode sites

表2 国内41个腐蚀研究基地试验点土壤性质Tab. 2 Soil properties of test sites at 41 domestic corrosion research bases

综合上述分析结果，在后续腐蚀规律研究中,土壤电阻率取值为10,30,100,500,1 000,1 500 Ω·m。

2.2.2 土壤pH

我国土壤pH分布情况大致以长江为界，长江以南多为中性、弱酸性土壤，长江以北多为中、碱性土壤。由表2可见：41个试验点中，约22%处的土壤pH为4～7；约78%处的土壤pH大于7，且该范围内约78%处的土壤pH为7～8.5。

由于我国在运直流工程极址所在土壤酸碱度以弱碱性和中性土壤为主，故在后续规律研究中，土壤pH取值为4、7、8，且重点关注土壤pH为8的腐蚀试验。

2.2.3 土壤模拟溶液

目前，我国使用的弱碱性土壤模拟溶液主要是库尔勒土壤模拟溶液和格尔木土壤模拟溶液[17]，其中更常用的是库尔勒土壤模拟溶液。库尔勒土壤模拟溶液是典型的碱性土壤模拟溶液，具备土壤模拟溶液的所有主要离子成分且离子成分比较均衡，广泛用于土壤加速腐蚀试验，库尔勒试验站是国家材料土壤环境腐蚀试验站网遴选出的可以代表我国典型土壤环境的试验站之一(见表3)，在腐蚀研究领域中的认可度高。格尔木土壤模拟溶液中的NaCl、MgSO4·6H2O等含量过高，不适宜作为普适性基底溶液。

表3 典型土壤环境试验站Tab.3 Typical soil environmental test stations

鹰潭土壤站和拉萨土壤站也是国家材料土壤环境腐蚀试验站网遴选出的代表我国典型土壤环境的土壤环境腐蚀试验站。其中，鹰潭站土壤是我国东南地区红壤土的典型代表[18]；拉萨站土壤则是中性土壤的典型代表，考虑到其离子含量低，钢材在拉萨土壤模拟液中的自腐蚀量会相对较小，有利于腐蚀试验研究。

综合上述分析，故在采用库尔勒土壤模拟溶液作为碱性土壤模拟溶液[19-20]，鹰潭土壤模拟溶液作为酸性土壤溶液[21]，拉萨土壤模拟溶液作为中性土壤模拟溶液[22]，其离子含量见表4，溶液电阻率利用去离子水稀释至指定值，溶液pH则利用5% HCl(余量分级，下同)溶液和5%的NaOH(余量分级，下同)溶液调节至所需值。

表4 试验用三种土壤模拟溶液的化学成分Tab. 4 Chemical composition of three simulated soil solutions used in the test mg/L

2.3 泄漏电流

2.3.1 泄漏电流密度标准演算

调研现有标准[23-24]，根据现行标准推算出管道能够接受的泄漏电流密度，将此值作为干扰电流的下限。按照电位、腐蚀速率、电流三个方向进行分类，表5列出了对直流干扰研究有参考价值的现行标准规范调研结果。

表5 现行关于直流干扰研究的标准Tab. 5 Current standards for DC interference studies

由表5可见：各标准中关于腐蚀速率限值中的较大者为0.025 4 mm/a。根据法拉第定律，腐蚀速率与电流密度之间的关系如式(1)所示：

(1)

式中：h为腐蚀深度，cm；A是金属的相对原子质量，取56；n是价数，取2；ρ是金属的密度，7.85 g/cm3；F为法拉第常数，96 500 C/mol；i是阳极电流密度，A/cm2；t为阳极作用时间，s。

假设直流工程接地极全年持续以等效入地电流Ie向大地散流，如需要满足该接地极在邻近埋地钢质管道上产生的腐蚀速率不大于0.025 4 mm/a，按式(1)计算可得钢质管道上的泄漏电流密度需不大于0.002 2 mA/cm2。

运行安时数相同，等效入地电流Ie的计算公式见式(2)(接地极出现阴极运行的概率为50%)：

Ie·N=In·[t1+(t2+t3)·0.5]+Iu·N·0.5

(2)

式中：In为接地极额定入地电流；N为接地极设计使用寿命，60 a；t1为调试期单极大地运行时间，一般不超过1 d，即0.002 7 a；t2为强迫停运时间，接地极年强迫停运时间概率为0.5%，t2=0.005N；t3为计划停运时间，接地极的年计划停运时间概率为1%，t3=0.01N；Iu为接地极不平衡电流，1%In。

计算可得：

Ie=0.012 5In；In=80Ie

(3)

按式(3)额定入地电流与等效入地电流的比例关系估算，接地极在额定入地电流条件下，其在邻近埋地钢质管道上产生的泄漏电流密度需不大于0.176 mA/cm2。

2.3.2 泄漏电流密度仿真计算

仿真计算条件如下：接地极流入电流6 kA，材料为X70圆钢，接地极到管道的距离为接地极上距管道最近的点到管道的垂直距离,取0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1，5，10，50 km。管道内径为0.59 m，外径为0.61 m，防腐蚀层电阻率为105Ω·m，厚3 mm，管道全长200 km。土壤电阻率取10，50，100，500，1 000 Ω·m，1 500 Ω·m。

目前国内计算直流接地极对金属管道影响的主流计算软件为加拿大SES公司的CDEGS软件[2,25]。该软件在分析电力系统对输油输气管道的交流干扰方面具有强大功能，可以解决大量工程问题。但在计算直流接地极对金属管线影响方面，由于其不能考虑金属的极化效应，计算结果往往偏于保守。在准确的计算方法还未有成熟成果前，本工作暂用CDEGS软件进行不同条件下管道泄漏电流密度的估算。

根据调研情况，70%的管道防腐蚀层漏点面积为1～100 cm2，常见的漏点面积为10 cm2，漏点面积中位数为6.38 cm2。由于管道涂层缺陷的位置和大小具有随机性，通用的处理方法是引入涂层破损率的概念。目前，对于海上管道涂层破损率已有明确的标准规定。而对于陆上管道，由于环境的多变性，相关标准中没有给出涂层破损率，只能通过实测或者经验来获取。在涂层破损率难以开展实测时，也可采用经验数值，以FBE涂层和3PE涂层为例，当实际管道的涂层破损程度难以测取时，可按表6所列数值进行选取。

表6 不同使用年限的FBE/3PE涂层的破损率(经验值)Tab. 6 Breakage rates of FBE/3PE coatings with different service lives (empirical values)

表7给出了不考虑极化效应，不同土壤电阻率和管道-接地极距离下，接地极电流在管道破损点处(6 cm2破损面积)产生的泄漏电流密度。

表7 泄漏电流密度计算结果(破损面积6 cm2，破损率0.002%)Tab. 7 Calculation results of leakage current density (damage area 6 cm2, damage rate 0.002%) (mA/cm2)

根据阴极保护标准SP 0169—2007进行计算，可知接地极在邻近埋地钢质管道上产生的泄漏电流密度需不大于0.176 mA/cm2。考虑到电源等设备的精度和稳定性，建议以0.3 mA/cm2作为重点试验电流密度的下限值。

由表7可见：当接地极与管道距离较近且接地极流超过额定电流时，管道上的泄漏电流密度最高可达到40 mA/cm2，通常等效入地电流密度约为额定电流的1/80，即等效入地电流密度为0.5 mA/cm2。

根据DL/T 5224—2014标准规定，接地极与管道距离需不小于10 km，结合表7的计算结果，当接地极与管道距离为10 km时，管道上的泄漏电流密度约为1 mA/cm2。以接地极与管道距离1 km为常规情况的上限，结合表7的计算结果，以9 mA/cm2作为重点试验电流密度的上限值，另外将此电流密度放大至90 mA/cm2作为补充研究的上限。在1～9 mA/cm2之间再选择一个电流密度点，如3 mA/cm2。

综合上述分析，在后续研究中，设置电流密度为0.3，0.5，1，3，9 mA/cm2进行试验，其他电流密度40，90 mA/cm2作为规律分析的补充。

2.3.3 持续时间

持续时间是利用法拉第定律进行选择的，即某一电流密度下选取一个持续时间，利用法拉第定律计算该电流密度下的腐蚀失重[25]，如果此时计算的腐蚀失重量可利用分析天平测得，则该持续时间可取。另外持续时间的选取原则为大电流短时间，小电流长时间。

在后续的研究中，电流密度选择1 mA/cm2，持续时间选择6 h、1 d和3 d。

3 结论

首先分析了高压直流输电系统的运行方式以及入地电流的特征，然后通过分析直流干扰机理确定了接地极对管道产生腐蚀影响的参数，即管道材质、土壤电阻率、土壤pH、土壤模拟溶液、泄漏电流密度以及持续时间。

通过对这些参数进行调研、计算及分析，确定了后续腐蚀试验研究的参数选值。即试验材料选用X65、X70、X80管线钢；土壤电阻率选用10，30，100，500，1 000，1 500 Ω·m；土壤pH取4，7，8(重点关注)；碱性土壤模拟溶液选用库尔勒土壤模拟溶液，中性土壤模拟溶液选用拉萨土壤模拟溶液，酸性土壤模拟溶液选用鹰潭土壤模拟溶液；泄漏电流密度选用0.3，0.5，1，3，9 mA/cm2，40、90 mA/cm2则作为补充研究参数。1 mA/cm2泄漏电流密度下持续时间选用6 h、1 d、3 d。