隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)油氣管道、電力線路和動(dòng)力牽引系統(tǒng)(包括電氣化鐵路)的里程與日俱增。但受地理位置的限制,油氣管道與電力線路、動(dòng)力牽引系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)并行敷設(shè)的情況,彼此會(huì)產(chǎn)生干擾和影響[1-4]。尤其是在列車(chē)加速和剎車(chē)階段,地電位梯度明顯超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值[5-6],電氣化鐵路產(chǎn)生的雜散電流可使管道電化學(xué)腐蝕速率達(dá)到自然腐蝕速率的幾倍到十幾倍[7-8],易引發(fā)管道泄漏[9],具有極大的危害性,日益引起人們的重視[10]。 

針對(duì)直流雜散電流干擾的判斷和評(píng)價(jià)方法,多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都做了相關(guān)規(guī)定,即管道斷電電位應(yīng)達(dá)到陰極保護(hù)準(zhǔn)則[11-13],但對(duì)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾情況下管道陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,各標(biāo)準(zhǔn)均沒(méi)有涉及[14]。在RPRCI的一份報(bào)告中曾經(jīng)討論了采用－850 mV通電電位評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性[15],但該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不能用于動(dòng)態(tài)雜散電流干擾情況。持續(xù)波動(dòng)的直流雜散電流會(huì)對(duì)管道/土壤界面雙電層產(chǎn)生充放電效果,而且在受到嚴(yán)重干擾的地區(qū),很難從日常測(cè)試中獲得準(zhǔn)確的斷電電位[16],因此難以評(píng)價(jià)管道實(shí)際受保護(hù)狀態(tài)。業(yè)內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的檢測(cè)與評(píng)價(jià)已進(jìn)行了大量研究,但至今仍無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾影響因素及干擾強(qiáng)度與管道腐蝕嚴(yán)重程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[17]。 

埋設(shè)檢查片是評(píng)價(jià)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)最直接的辦法[18-19]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,陰極保護(hù)度與管道真實(shí)保護(hù)電位之間有一定相關(guān)性[20]。為此,作者在部分管道沿線埋設(shè)了自腐蝕檢查片和陰極保護(hù)檢查片,并測(cè)試埋設(shè)點(diǎn)的土壤環(huán)境情況和陰極保護(hù)電位,以探索管道實(shí)際受保護(hù)狀態(tài)的評(píng)價(jià)方法。 

1.   試驗(yàn)

按照SY/T 0029－2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》選取50 mm×100 mm規(guī)格的檢查片。檢查片材料為管道工程用X70鋼,將線切割加工后檢查片表面磨光,采用中號(hào)鋼字模對(duì)檢查片打碼編號(hào)。將檢查片用丙酮脫脂-無(wú)水乙醇脫水清洗,吹干再放入干燥器內(nèi)干燥24 h后稱(chēng)量。安裝絕緣導(dǎo)線、掛編號(hào)牌。用易清除的耐水密封材料覆蓋檢查片編號(hào)、導(dǎo)線連接處和多余的裸露面,使得試片的裸露面積為2 cm×5 cm。 

檢查片包括自腐蝕檢查片和陰極保護(hù)檢查片各3片,將其分別埋設(shè)在華南某管道測(cè)試樁附近管道兩側(cè),裸露面背向管道,在檢查片上部設(shè)置銅/硫酸銅參比電極(CSE)。埋設(shè)24 h后測(cè)量檢查片的自腐蝕電位；采用數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)量陰極保護(hù)檢查片的通/斷電電位(Eon/Eoff),每秒測(cè)試一個(gè)電位值,測(cè)量時(shí)間為5 min；使用ZC-8土壤電阻測(cè)試儀測(cè)量管道附近的土壤電阻率。1 a后將檢查片挖出,觀察腐蝕形貌,稱(chēng)量,并計(jì)算其腐蝕速率。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   管道沿線土壤腐蝕性

完成自腐蝕檢查片和陰極保護(hù)檢查片埋設(shè)后,對(duì)其自腐蝕電位進(jìn)行記錄,在檢查片開(kāi)挖前,再次對(duì)自腐蝕檢查片的自腐蝕電位進(jìn)行記錄,并測(cè)試土壤電阻率。自腐蝕檢查片的自腐蝕電位(Ecorr)、腐蝕速率(vcorr)和土壤電阻率(ρ)如表1所示。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 21447－2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》和GB/T 50568－2019《油氣田及管道巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》,分別以土壤電阻率和檢查片腐蝕速率為指標(biāo)判斷管道沿線土壤腐蝕性。 

根據(jù)土壤電阻率數(shù)據(jù),可以判定管道沿線大部分土壤的腐蝕性為微、弱,少數(shù)幾處土壤腐蝕性為中。當(dāng)以腐蝕速率為指標(biāo)時(shí),根據(jù)GB/T 21447－2018標(biāo)準(zhǔn),各測(cè)點(diǎn)土壤腐蝕性在弱到中之間；根據(jù)GB/T 50568－2019標(biāo)準(zhǔn),各測(cè)點(diǎn)土壤腐蝕性在微到強(qiáng)之間,差異較大。依據(jù)兩種標(biāo)準(zhǔn),以腐蝕速率為指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果總體高于以土壤電阻率為指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。由計(jì)算可知,腐蝕速率與土壤電阻率和自腐蝕電位之間的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)分別僅為0.26和0.22,相關(guān)性非常低。 

2.2   波動(dòng)電流對(duì)腐蝕速率的影響

陰極保護(hù)檢查片開(kāi)挖前測(cè)試并記錄檢查片的通/斷電電位。由于管道受到強(qiáng)烈的直流干擾,所以通電電位劇烈波動(dòng)。通電電位的變化會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生極化或去極化效應(yīng),導(dǎo)致斷電電位也發(fā)生變化,如圖1和圖2所示。由極化原理可知,斷電電位的影響因素不僅包括通電電位偏離平均值的大小,還包括通電電位在某個(gè)方向上持續(xù)偏離時(shí)間的長(zhǎng)短,通電電位在某個(gè)方向上持續(xù)偏離時(shí)間越長(zhǎng),則斷電電位變化越大。各測(cè)點(diǎn)通電電位波動(dòng)情況差異較大,對(duì)斷電電位造成的影響也不同,因此需要一種方法評(píng)價(jià)通電電位波動(dòng)對(duì)陰極保護(hù)有效性的影響。 

圖  1  通電電位波動(dòng)幅度大、波動(dòng)周期短,斷電電位基本穩(wěn)定

Figure  1.  Switch-on potential with large amplitude and short cycle, and stable switch-off potential

圖  2  通電電位波動(dòng)幅度大、波動(dòng)周期長(zhǎng),斷電電位波動(dòng)幅度大

Figure  2.  Switch-on potential with large amplitude and long cycle, and switch-off potential with larger amplitude

地鐵雜散電流引起管道電位的動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征是一種普遍現(xiàn)象,各地雜散電流的波動(dòng)幅度和周期特征相似又不盡相同[21]。對(duì)于這種動(dòng)態(tài)變化的參數(shù),合適的處理方式是采用統(tǒng)計(jì)工具求數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。 

當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)中存在長(zhǎng)周期波動(dòng)時(shí),通電電位測(cè)試曲線與其平均值交點(diǎn)的數(shù)量較少,因此根據(jù)一段時(shí)間的通電電位測(cè)試曲線與平均值的交點(diǎn)數(shù)量可以計(jì)算電位波動(dòng)的平均周期。 

當(dāng)通電電位測(cè)試曲線與其平均值相交時(shí),交點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)試值xi和xi+1有如下關(guān)系： 

式中：為通電電位平均值。 

當(dāng)通電電位測(cè)試曲線與其平均值不相交時(shí),兩相鄰測(cè)試值有如下關(guān)系： 

采用數(shù)據(jù)處理軟件中的邏輯函數(shù)可以篩選出通電電位測(cè)試曲線與其平均值交點(diǎn),采用邏輯函數(shù)對(duì)得到的交點(diǎn)進(jìn)行相鄰交點(diǎn)合并,這樣可以排除大部分短周期數(shù)據(jù),得到反映長(zhǎng)周期的有效交點(diǎn)數(shù)量Ni。一段時(shí)間中,Ni越小,說(shuō)明通電電位波動(dòng)周期越長(zhǎng),則其波動(dòng)對(duì)斷電電位的影響就越大。 

設(shè)該段時(shí)間內(nèi)固定取樣時(shí)間間隔,得到測(cè)試的總數(shù)據(jù)量為N。通過(guò)t=N/Ni可以表征通電電位波動(dòng)的平均半周期。t越大說(shuō)明通電電位波動(dòng)周期越長(zhǎng)；用標(biāo)準(zhǔn)差S表示通電電位偏離平均值的程度,S越大,對(duì)斷電電位的影響越大。 

斷電電位衰減曲線由歐姆電壓降和斷電后試片表面雙電層電容放電衰減兩部分組成。電容放電符合以下規(guī)律[16]: 

式中：E為放電后的電位；E0為初始電位；t為放電時(shí)間；τ為時(shí)間常數(shù)。 

由電位的相對(duì)性可知,放電過(guò)程也可看作由某個(gè)通電電位變化的差值引起的極化曲線,如圖3所示。這時(shí)管道初始電位為E0,該通電電位長(zhǎng)期極化的最終電位為Eend。自t0時(shí)刻開(kāi)始通電,管道電位由E0向Eend電位極化,由t0至t時(shí)刻產(chǎn)生的電位差Et為： 

圖  3  極化/去極化示意圖

Figure  3.  Polarization/depolarization schematic diagram

動(dòng)態(tài)直流雜散電流波動(dòng)導(dǎo)致管道上某一次充/放電足夠長(zhǎng)時(shí)間后的最終極化電位無(wú)法獲知,以通電電位波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差代替電流進(jìn)出引起的最終電位變化(Eend－E0)。綜合通電電位偏離平均值的程度和偏離持續(xù)時(shí)間,可以定義一個(gè)評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)直流雜散電流波動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)If: 

式中：S是通電電位標(biāo)準(zhǔn)差；t為通電電位波動(dòng)平均半周期；τ為時(shí)間常數(shù)。 

If和電位的量綱相同,包含了通電電位偏離平均值的程度和持續(xù)時(shí)間特征。由數(shù)據(jù)擬合可以消除S代替(Eend－E0)產(chǎn)生的偏差。 

表2為試驗(yàn)管道陰極保護(hù)狀況,包括通電電位的平均值(Eon)、通電電位波動(dòng)平均半周期(t)、直流雜散電流波動(dòng)強(qiáng)度(If)、斷電電位(Eoff)、極化電位差(ΔE)和陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率(vcorr)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到時(shí)間常數(shù)τ=2 s。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的動(dòng)態(tài)直流干擾下通電電位平均波動(dòng)半周期在8~31 s,此時(shí)e－t/2≈0,因此If≈S。 

以－0.85 V斷電電位和100 mV極化準(zhǔn)則評(píng)價(jià)雜散電流干擾區(qū)段的陰極保護(hù)有效性。由表2可見(jiàn),1#測(cè)點(diǎn)電位發(fā)生正向極化,2#測(cè)點(diǎn)雜散電流波動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)If最大,12#、14#、18#測(cè)點(diǎn)陰極保護(hù)斷電電位正于－0.85 V,檢查片腐蝕速率也低于0.01 mm/a。在干擾嚴(yán)重的管段,3#測(cè)點(diǎn)陰極保護(hù)達(dá)標(biāo),其腐蝕速率也高于0.01 mm/a,但低于NACE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.0254 mm/a。這說(shuō)明對(duì)于雜散電流干擾小的區(qū)域,單純依據(jù)－0.85 V斷電電位和100 mV極化準(zhǔn)則評(píng)價(jià)陰極保護(hù)偏于保守,而對(duì)于雜散電流干擾較大的區(qū)域,陰極保護(hù)可能不足。 

綜合考慮管道極化電位差ΔE和直流雜散電流干擾波動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)If,對(duì)管道極化電位E進(jìn)行修正,即在極化電位差ΔE的基礎(chǔ)上加0.06倍If,得到E=ΔE+0.06If。管道極化電位越負(fù),腐蝕電流越小。對(duì)于埋地碳鋼而言,陰極保護(hù)范圍為極化曲線塔菲爾區(qū)。根據(jù)塔菲爾公式E=a+bln|i|,當(dāng)以自腐蝕電位為基準(zhǔn)時(shí)(a=0),則E=ΔE+0.06If=blnie。所以,腐蝕電流密度ie=exp[(ΔE+0.06If)/b]。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示,當(dāng)b=0.15 V時(shí),總腐蝕電流密度ie與陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率的相關(guān)性系數(shù)最大為0.97。對(duì)于未經(jīng)If修正的極化電位差ΔE,其對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)腐蝕電流密度io[io=exp(ΔE/0.18)]與陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率的相關(guān)性系數(shù)最大為0.92。 

為比較陰極保護(hù)檢查片的腐蝕速率、修正前后極化電位差對(duì)應(yīng)的腐蝕電流、修正后極化電位的變化趨勢(shì),對(duì)其作圖,如圖4所示。為了將數(shù)據(jù)放入同一張圖中比較,把腐蝕速率乘以倍數(shù)10,對(duì)io和ie分別乘以0.2的系數(shù)。由圖4可見(jiàn),當(dāng)參數(shù)If比較小時(shí),ie與io曲線比較接近,而在參數(shù)If比較大的2#、3#、4#、58#樁位置,ie曲線偏離io,這說(shuō)明雜散電流波動(dòng)強(qiáng)度增大會(huì)導(dǎo)致腐蝕速率增高,ie曲線與陰極保護(hù)檢查片的腐蝕速率曲線有更高的一致性?？梢?jiàn)參數(shù)If可以用于評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)雜散電流波動(dòng)對(duì)陰極保護(hù)有效性的影響。其中8#、15#、16#閥室腐蝕速率與ie變化的幅度稍不成比例,這是因?yàn)樵撊齻€(gè)測(cè)點(diǎn)的腐蝕速率已經(jīng)非常低,強(qiáng)陰極極化也難以進(jìn)一步降低其腐蝕速率。只有19#閥室陰極保護(hù)達(dá)標(biāo)且修正后極化電位(ΔE+0.06If)小于－0.1 V,但其腐蝕速率略高于0.01 mm/a,這可能與19#閥室自腐蝕速率較高有關(guān),也可能是測(cè)量偏差所致。 

圖  4  試驗(yàn)管道腐蝕速率與io及ie的相關(guān)性

Figure  4.  Correlation of corrosion rate of test pipeline under CP with io and ie

由以上分析可知,通電電位劇烈波動(dòng)確實(shí)影響了陰極保護(hù)的有效性。在該管道所受干擾波動(dòng)周期下,通電電位波動(dòng)導(dǎo)致陰極保護(hù)斷電電位波動(dòng),其幅度相當(dāng)于0.06If。在動(dòng)態(tài)直流干擾下通電電位平均波動(dòng)半周期較長(zhǎng)時(shí),If≈S,計(jì)算中也可以直接用S代替If。在管道極化電位小于－0.1 V的測(cè)點(diǎn),陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率基本都在0.01 mm/a以下。 

3.   動(dòng)態(tài)雜散電流嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)方法的適用性

本次測(cè)試的管道沿線土壤電阻率為15~753 Ω·m,腐蝕速率為0.016 5~0.083 5 mm/a,土壤腐蝕性涵蓋了微、弱、中、強(qiáng)各等級(jí)。該評(píng)價(jià)方法給出的結(jié)果與實(shí)測(cè)陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率具有很好的一致性,可見(jiàn)該評(píng)價(jià)方法用于評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾具有相當(dāng)好的普適性。 

將該直流干擾評(píng)價(jià)方法用于華南另一段管道,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,各參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。由于大部分測(cè)點(diǎn)If較小,大量ie、io電流數(shù)據(jù)點(diǎn)重合,只有041#測(cè)點(diǎn)If稍大,ie計(jì)算數(shù)據(jù)明顯大于io。計(jì)算得ie、io與陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率的相關(guān)性系數(shù)分別為0.57和0.60。觀察曲線可知,其相關(guān)性系數(shù)較低主要由If值非常低的4#、5#測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)引起,剔除4#、5#測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)后,兩個(gè)相關(guān)性系數(shù)分別提升為0.84、0.86。當(dāng)If較小時(shí),雜散電流以外的因素在腐蝕中占據(jù)主導(dǎo)地位,這可能是導(dǎo)致ie與腐蝕速率的相關(guān)性降低的主要原因。僅憑表3中的數(shù)據(jù)難以分析4#、5#測(cè)點(diǎn)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)與腐蝕速率相關(guān)性降低的原因。 

圖  5  華南某管道腐蝕速率與io及ie的相關(guān)性

Figure  5.  Correlation of corrosion rate of a pipeline under CP with io and ie in South China

用公式(5)評(píng)價(jià)50 Hz的交流電流干擾,其半周期t為0.01 s,正弦波電位的標(biāo)準(zhǔn)差S等于交流電電位有效值Va,計(jì)算可得If=Va×0.005,即交流電引起的干擾低于相同電位直流電干擾水平的1%。對(duì)于60 Hz的交流電流干擾,計(jì)算可得If=Va×0.004,可見(jiàn)交流電流干擾的影響隨頻率的增加而降低,這與HAYDEN等[22-23]的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。這可能是因?yàn)樵摂?shù)據(jù)處理方法只采用了直流電位動(dòng)態(tài)波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差和半周期,忽略了動(dòng)態(tài)直流電位在平均值上下波動(dòng)的波形與交流正弦波形的差異,所以直流電位動(dòng)態(tài)波動(dòng)在公式(5)中的作用效果與交流正弦波電流相同。可見(jiàn),如果把標(biāo)準(zhǔn)差換成交流電位,公式(5)還可用于評(píng)價(jià)交流電流干擾。由于If具有電位的量綱,該方法對(duì)交直流電流干擾的計(jì)算結(jié)果可以與陰極保護(hù)電位測(cè)量結(jié)果進(jìn)行疊加運(yùn)算,形成一個(gè)量化評(píng)價(jià)受交直流干擾管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的參數(shù)。 

4.   結(jié)論

（1）動(dòng)態(tài)直流雜散電流的劇烈波動(dòng)影響陰極保護(hù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的有效性。 

（2）定義了評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)直流雜散電流波動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)If,If參數(shù)提高了計(jì)算腐蝕電流密度i與陰極保護(hù)下腐蝕速率的相關(guān)性。 

（3）當(dāng)修正后極化電位(E=ΔE+0.06If)小于－0.1 V時(shí),各測(cè)點(diǎn)陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率基本都能降到0.01 mm/a以下。

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