输油管道交流干扰检测评价的一个案例

王 成

(国家管网集团西部管道塔里木输油气分公司,库尔勒 841000)

近年来,国内多条管道上均发现了交流干扰。交流干扰来源包括电气化铁路、交流输电线路等[1-3]。根据国内外报道的埋地钢质管道交流干扰案例,交流输电线路的干扰情况占多数,且防腐蚀层性能优异的管道,如3LPE或FBE防腐蚀层管道,受到的干扰更强烈[4]。

埋地钢质管道的交流干扰机理主要包括磁性(电磁)干扰和阻性干扰。磁性干扰指管道与电力线路并行或交叉,由于电磁干扰的作用在管道上感应出电动势,造成管地交流电压升高。阻性干扰指交流接地装置泄放故障电流时,地电位升高,令管道防腐蚀层承受较大的电压差可能击穿防腐蚀层,甚至对金属管壁造成损伤。

交流输电线路和杆塔对管道的干扰机理已有了深入的研究和明确的结论,管道的防护措施也已非常成熟[5]。而交流牵引铁路系统对管道的干扰还欠缺深入的研究,它的干扰类型还在讨论中,有人认为主要是感性干扰,而有人则认为主要是阻性干扰[6-7]。

在交流干扰的评价方面,近年来国内外都取得一些研究进展。以往的交流腐蚀评价标准及方法多采用交流电压指标。近期,国内外新的实践与标准逐步开始仅采用交流电流密度为评价指标,摒弃了传统的交流电压指标。最新出版的ISO 18086-2019《Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria》以及NACE SP 21424-2018《Alternating Current Corrosion on Cathodically Protected Pipelines:Risk Assessment Mitigation and Monitoring》都提出阴极保护电位与交流腐蚀的关联性,过负的极化电位可能会促进交流电流密度增高,加剧管道的交流腐蚀风险。为了缓解管道的交流腐蚀风险,除了降低交流电流密度外还应注意管道的阴极保护电位不应过负。

塔里木分公司辖属库鄯线管道共266 km,采用3层PE防腐蚀层和外加电流阴极系统保护,管径610 mm,壁厚7.11～11.1 mm。管道共设置了1个站场和10个阀室,共有4个阴极保护站。

库鄯输油管道沿线与多处交流输电线路平行交叉,且与交流牵引铁路长距离并行,在以往的常规检测中存在管道交流电压较高的现象。笔者系统介绍了库鄯输油管道交流干扰专项调查工作的成果。以期为解决类似干扰问题提供借鉴与助益。

1 交流干扰评价准则介绍

国标GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中有如下规定:当管道上的交流干扰电压不高于4 V时,可不采取交流干扰防护措施;高于4 V时,应采用交流电流密度进行评估。管道受交流干扰的程度可按表1规定进行判定。

表1 交流干扰程度的判断指标Tab. 1 Evaluation indicators for the degree of communication interference

当交流干扰程度判定为“强”时,应采取交流干扰防护措施;判定为“中”时,宜采取交流干扰防护措施;判定为“弱”时,可不采取交流干扰防护措施。

ISO 18086-2019 标准中关于交流干扰的要求如下:阴极保护系统的设计、安装、维护应确保交流电压水平不会引起交流腐蚀。具体要求如下:首先交流电压应该降低到15 V以下。该电压数值为某时间段内测量值的平均值;其次,为了有效控制交流腐蚀,要满足15589-1:2015表1中的阴极保护电位要求,且在1 cm2试片或探针上测量得到的有代表性时间段内(如24 h)的平均交流电流密度低于30 A/m2,若交流电流密度大于30 A/m2,在1 cm2试片或探针上测量得到的有代表性时间段内的平均直流电流密度低于应1 A/m2,或在代表性时间段内交流电流密度与直流电流密度之比低于5。

SY/T 0087.6-2021《钢质管道及储罐腐蚀评价标准 第6部分:埋地钢质管道交流干扰腐蚀评价》对于交流腐蚀评价的指标规定如下:管道的交流腐蚀评价宜采用腐蚀速率评价指标,也可采用交直流综合评价指标。腐蚀速率宜按照表2指标进行评价,在满足管道阴极保护电位准则的前提下,可接受的腐蚀速率指标应为“低”。采用交直流综合指标评价时,应符合表3要求。一般来说,在高土壤电阻率(>100Ω·m)、高温(>40℃)和硫酸盐还原菌(SRB)等特殊环境中,宜采用腐蚀速率指标。

表2 基于腐蚀速率的交流腐蚀等级评价指标Tab. 2 AC corrosion level evaluation index based on corrosion rate

表3 交直流综合评价指标Tab. 3 Comprehensive evaluation indicators for AC and DC

GB/T 40377-2021《金属和合金的腐蚀 交流腐蚀的测定 防护准则》对于可接受的干扰水平规定与SY/T 0087.6-2021标准一致:即首先管道平均交流电压应降低至15 V以下,其次为了实现有效的交流腐蚀缓解,要符合ISO15589-1标准中阴极保护电位要求,且满足平均交流电流密度低于30 A/m2,或在平均直流电流密度低于1 A/m2或极化电位正于-1.15 V(相对于铜硫酸铜参比电极,CSE,文中电位若无特指均相对于CSE),且极化电位负于-0.90 VCSE时,平均交流电流密度大于等于30 A/m2,且小于100 A/m2这两项条件中的任意一项。

2 结果与讨论

2.1 阴极保护有效性

库鄯线沿线有4套阴极保护系统,分别位于库尔勒原油站、4号阀室、马兰中间站、1号阴极保护站,如图1所示。

图1 库鄯线阴极保护站的分布示意Fig. 1 Distribution diagram of cathodic protection stations on the Kushan Line

4台恒电位仪实际输出电流、输出电压、参比电位与面板显示基本一致,恒电位仪均正常,具体参数见表4。

表4 库鄯线沿线阴极保护系统的各项参数Tab. 4 Various parameters of cathodic protection system along the Kushan Line

2.1.1 测试桩的通电电位

在开展交流干扰的调查前,先对管道的阴极保护情况及直流干扰情况进行测试。使用万用表和铜/饱和硫酸铜参比电极对管道的通电电位进行普测,测量5 min内的最大值、最小值及平均值。

由图2可见:管道的通电电位为-1.506～-0.950 V,大部分测试桩处的通电电位波动幅度小于200 mV。

图2 库鄯线部分区域的通电电位测试结果Fig. 2 Test results of electrification potential in some areas of the Kushan Line

2.1.2 直流干扰情况

根据通电电位的普测结果,选取通电电位波动大于200 mV和疑似存在直流干扰的位置进行直流干扰详细测试(管道72 h通/断电电位监测),具体过程如下:

(1) 首先将极化试片或测试探头埋在管道附近,试片的面积为6.5 cm2,试片安装于管道中心线以下,距离管道100～300 mm,将试片与管道用电缆相连,并充分极化(24 h);

(2) 试片充分极化后,在管道与试片的中间安装数据记录仪,见图3;

图3 干扰测试接线图Fig. 3 Wiring diagram for interference testing

(3)通断周期的设置为通电10s,断电1s;

(4) 万用表和数据记录仪直流通道的正极连接极化试片,万用表和数据记录仪直流通道的负极连接参比电极;交流通道一端连接管道,另外一端连接参比电极。若万用表和数据记录仪数据一致,则可摘除万用表。

(5) 数据记录仪的采集为1 s采集1个数据。

对35号～249号管段56个测试桩进行直流杂散电流干扰详细检测。由图4可见:36号测试桩处电位出现频繁的正负向波动,断电电位随着通电电位向正、负向波动。231号测试桩处通电电位为-1.231～-0.899 V,断电电位为-1.196～-0.966 V,通电电位的波动较小,断电电位均负于-0.85 V,直流杂散电流干扰程度较小。

(a) 36号测试桩

(b) 231号测试桩图4 库鄯线部分测试桩处的72 h的通断电电位监测结果Fig. 4 72 hour on/off potential monitoring results at some test piles along the Kushan Line

由图5可见:库鄯线的通电电位为-2.111～-0.193 V,断电电位皆负于-0.85 V。依据国家标准GB 50991-2014,管道均处于有效保护状态。

(a) 通电电位

(b) 断电电位图5 库鄯线的72 h电位监测结果Fig. 5 72 hour potential monitoring results of Kushan Line

2.2 交流干扰情况

2.2.1 交流干扰源

现场调查发现,库鄯线共与27条输电线路交叉并行,与输电线路交叉26次,与1条电气化铁路交叉并行,与电气化铁路交叉1次。

2.2.2 交流干扰普查结果

用万用表采用地表参比法测量管道每个测试桩处的交流感应电压,记录5 min内的最大、最小及平均值。

由图6可见:管道交流电压为0～15.5V,其中36～180号和238～250号测试桩处的交流干扰电压高于4 V。管段在遭受干扰时,交流电压波动较大,对以上管段及附近有交流干扰源的管道进行进一步的交流干扰专项检测。

图6 库鄯线的交流电压普查结果Fig. 6 Survey results of AC voltage on the Kushan Line

2.2.3 交流干扰详测结果

根据普查结果,对35～197号和230～249号测试桩位置管段进行交流杂散电流干扰专项检测。检测内容包括:72 h的交流干扰电压和交流电流密度。

由图7可见:测试管段的交流电压为0～71.9 V,8处位置的交流电压高于33 V,36处交流电压大于15 V,管道的最大交流电流密度达到705.60 A/m2,其中有2处位置的交流电流密度平均值大于100 A/m2,分别是150号和234号测试桩处,参考标准GB/T 50698-2011,交流干扰程度评价为“强”,应采取交流干扰防护措施;其中有19处交流电流密度的平均值为30～100 A/m2,交流干扰程度评价为“中”,宜采取交流干扰防护措施;其余41处电流密度平均值小于30 A/m2,交流干扰程度评价为“弱”。交流电压高于33 V的管段主要为138～152号测试桩。

(a) 交流电压

(b) 交流电流密度图7 库鄯线部分测试桩处的交流电压及交流电流密度测试结果Fig. 7 Test results of AC voltage (a) and AC current density (b) at some test piles along the Kushan Line

由图8可见:管道的交流电压和交流电流密度不断波动,部分时间点,交流电压和交流电流密度会有明显的上升,然后再下降,判断为电气化铁路造成的干扰,在铁路上有列出经过时,交流电压和交流电流密度迅速上升,列车经过后,管道交流电压和交流电流密度又降低到较小水平。

图8 库鄯线36#测试桩管道交流电压和交流电流密度72 h监测结果(2020年)Fig. 8 72 hour monitoring results of AC voltage and AC current density of the 36# test pile pipeline on the Kushan Line (2020 year)

本次检测评价的库鄯线输油管道共约有70 km管道与电气化铁路并行,该段管道受到由交流牵引铁路引起的强烈的交流干扰。基于国内外现有的交流干扰评价标准,该管道的交流干扰电压和交流电流密度都较大,具有较高的交流腐蚀风险。然而,目前现有的交流干扰评价标准都是基于较稳定的交流干扰而研究和制订的,对于交流牵引铁路造成的冲击式干扰,现有标准的适用性存在问题。这可能是未来交流干扰和交流腐蚀研究方面的一个重点方向。

3 结论

(1) 本次检测的库鄯线管段的阴极保护处于有效状态,管段受到电气化铁路造成的动态交流杂散电流干扰,管道的交流电压为0～71.9 V,8处交流电压高于33 V,36处交流电压大于15 V,管道的最大交流电流密度达到705.60 A/m2,其中有2处交流电流密度平均值大于100 A/m2,交流干扰程度评价为“强”;有19处交流电流密度的平均值为30～100 A/m2,交流干扰程度评价为“中”。

(2) 电气化铁路对管道造成的交流干扰为冲击式干扰,当列车临近时干扰增大,列车远离后干扰逐步降低。

(3) 目前,国内外的关于交流干扰的评价指标均建立在稳态交流干扰的基础上,对于库鄯线这种由电气化铁路引起的冲击式干扰,目前尚无成熟的

评价方法;在未来可以通过埋设交流腐蚀试片或对管道外防腐层破损点进行开挖验证,核实管道发生交流腐蚀的严重程度。

(4) 建议业界开展电气化铁路对管道的干扰影响及对管道造成的腐蚀影响研究。