抚顺地区管道直流杂散电流干扰腐蚀及防护的探讨

抚顺地区管道直流
杂散电流干扰腐蚀及防护的探讨
陈敬和 何悟忠 李绍忠东北输油管理局 沈阳市 110031
摘要 介绍了抚顺地区管道直流杂散电流干扰概况,较系统地阐述了直流杂散电流干扰腐蚀的原理、特点和规律,对防护方法和措施也进行了较全面地介绍。

文中提到的接地排流、综合治理措施对解决直流杂散电流干扰具有独到之处,并在抚顺地区取得了连续十八年无干扰腐蚀漏油事故的成绩。

关键词:埋地管道 杂散电流 干扰腐蚀 防腐
1 前 言
抚顺地区是我国的重工业基地,地下管道纵横交错,电气设备众多,直流电气化铁路沿东西方向横贯市区。

地下的直流杂散电流对埋地钢质管道造成了严重的干扰腐蚀。

东北输油管网处于该地区杂散电流影响范围的管道有铁抚、抚前、抚鞍、抚计四线计70余公里(本文所述及的管道如无特殊说明均指此部分管道)。

投产以来,由于受到杂散电流干扰腐蚀,该地区输油管道多次发生腐蚀穿孔漏油事故,严重影响了输油生产的正常进行。

因此,该地区管道的排流保护历来是东北输油管网防腐保护的重点。

管道管理部门多次组织现场调查和测试分析,并根据不同管道的实际情况采取了一系列排流保护措施,取得了显著的效果。

本文将根据多年来对抚顺地区管道杂散电流干扰腐蚀的观测和排流保护实践,对该地区管道直流杂散电流干扰腐蚀的特点、规律及防护措施进行探讨。

2 直流杂散电流干扰腐蚀原理
杂散电流是指沿规定回路以外流动的电流。

直流
杂散电流的主要来源是直流电气化铁路、直流电解设备接地极、阴极保护系统中的阳极地床和阴极管道等。

下面以直流电气化铁路引起的杂散电流干扰腐蚀为例,说明直流杂散电流腐蚀原理。

直流电气化铁路的电车供电系统由供电所、馈电线、电车、铁轨等组成,其馈电方式一般是以负极接铁
轨,正极接馈电网,如图1所示。

图1 直流电气化铁路引起的杂散电流干扰腐蚀原理示意图
在电车运行时,负荷电流一般应经铁轨返回电源
(称轨回流)。

但当铁轨间连接电阻较大且铁轨与地面绝缘不良时,部分负荷电流就会从铁轨与地面绝缘不
良处流入大地(称地回流),成为杂散电流。

若管道正处于此杂散电流的影响范围内,则杂散电流就会从管道防腐层的破损处流人管道,然后从距电车供电系统负回归线相对而言较近的防腐层破损处流出,返回铁轨。

在杂散电流的上述流动过程中,形成了两个腐蚀电池。

一个是电流流出铁轨进入管道处,在这里,铁轨是腐蚀电池的阳极,发生腐蚀,管道为阴极,不腐蚀;另一个是电流流出管道返回铁轨处,在这里,管道是腐蚀电池的阳极,发生腐蚀,铁轨则是阴极,不腐蚀。

在作为阳极的管道处发生的腐蚀实质上是电解腐蚀,这是因为外加的杂散电流参与了腐蚀过程,管道金属与土壤介质间进行的是电解反应。

正因为如此,杂散电流干扰腐蚀比一般的土壤腐蚀要剧烈得多。

在分折管道杂散电流干扰状况时,一般将管道分为下述三个区域:
(1)阴极区:即杂散电流流人管道的部位。

处在该区域的管道一般不发生腐蚀。

(2)阳极区:即杂散电流流出管道的部位。

处在该区域的管道发生电解腐蚀。

(3)交变区:即阴极区和阳极区间的过渡区域。

处在这一区域的管道电位状况常常很不稳定。

杂散电流的方向和强度与电车的分布状况、电车的负载情况、铁轨间的接触电阻、铁轨与地面间的绝缘状况、管道防腐层状况以及土壤电阻等多种因素有关。

这些因素中的一个或多个发生变化时,杂散电流的分布也会发生相应的变化,反映在管道上,即表现为管道的阴极区、阳极区和交变区的分布及杂散电流干扰的强度也是经常变化的,有时变化得还相当剧烈。

3 抚顺地区直流杂散电流干扰腐蚀的特点和
规律
为了解抚顺地区直流杂散电流干扰腐蚀的特点和规律,管道管理部门从70年代开始,先后多次进行了该地区管道直流杂散电流干扰腐蚀的调查与测试。

调查和测试的项目包括:
管道沿线杂散电流的方向和电位梯度;管道中流动的杂散电流;管道防腐层绝缘电阻;管道沿线土壤电阻率;管道自然电位;管道保护电位;轨地电位;管轨电压;管间电压;排流及阴极保护状况;电气化铁路(以下简称电铁)运行状况等。

除上述项目外,为了解杂散电流昼夜变化规律,对管道的典型区段,还进行了24小时连续测试。

通过调查和测试,共取得各类原始数据数万余个。

经过对这些数据的整理和分析,对抚顺地区直流杂散电流干扰腐蚀的特点和规律有了一个基本的了解。

考虑到数据的时效性,本文以距现在最近的一次测试结果为主进行讨论。

3.1 主要的杂散电流源
对抚顺地区杂散电流的多次调查和测试均证明,影响该地区地下管道的主要杂散电流源为横贯市区的电铁。

该电铁始建于本世纪初,至今已有80余年历史。

共有干支线近300km 。

形成网状分布,其主要走向为东西走向。

现有车站40座,机车130余台,年运输量为2000万吨。

该铁路为直流电气化铁路,干线机车驱动电源为直流1500V,最大牵引电流达600A 。

在每一区间(两供电所之间)一般有几十台机车运行,平均车隔为3.5分钟。

机车运行方式为随机加速,无规律性。

由于该电铁运行年限长,轨道与大地间无良好绝缘,加上机车驱动电压高,所以经铁轨泄人大地的电流量很大。

该电铁是抚顺地区的一条运输大动脉,机车运行频繁,因而在大地中形成了复杂的地电场。

根据测试结果分折,对该地区管道影响较大的电铁有三段,即三宝屯电铁、大官屯电铁和石油二厂附近电铁。

此三段电铁分别与输油管道的不同管段相邻、相近或交叉(电铁与管道分布示意图见图2),由此对相关管道
产生直接或间接的影响(见表1)。

从表1可以看出,每条管道不仅受到相距较近的杂散电流源的影响,而且还会通过相邻管道接受相距较远的杂散电流源的影响。

表1 电铁不同区段及受影响的管道
电铁区段名称
与管道相对位置
直接受影响的管道间接受影响的管道三宝屯电铁电铁与抚鞍线中段交叉抚鞍线铁抚线、抚计线大官屯电铁电铁与抚计线末端相邻抚计线
铁抚线、抚鞍线、抚前线石油二厂
附近电铁
电铁与抚前线末端较近
抚前线
图2 抚顺地区管道与电铁分布示意图
3 2 管道阴极区、阳极区和交变区的分布
各管道阴、阳极区及交变区分布见表2。

从表2中可以看出,该地区管道交变区的范围很大,即使是阳极区的管道,在某些时段仍表现出一定的交变特性,这是该地区杂散电流干扰腐蚀的一个重要特点。

表2 各管道阴、阳极区及交变区分布
线别阴极区范围阳极区范围
交变区范围铁抚线129#~148#148#~149#+200m 抚前线3#~15#
0#~2#、16#~20#
抚鞍线0#~2#3#~20#
抚计线
0#~7#11#~12#3.3 杂散电流干扰腐蚀的强度
表3、表4和表5分别列出了该地区管道自然电
位的最大值和三宝屯电铁轨地电位、管轨电压的最大值。

从表中数据可见,该地区杂散电流对管道的干扰腐蚀强度很大。

1989年,在抚前线18#+800m 处曾发现一个带状蚀坑群,蚀坑共8个,最深已达5mm,(蚀坑周围无腐蚀)属典型的电解腐蚀。

由此可见杂散电流腐蚀能力很强。

表3 管道自然电位的最大值
线别正电位最大值(V)
负电位最大值(V)
铁抚线 4.000-2.230铁前线 2.050-6.200抚鞍线 5.000-7.000
表4 三宝屯电铁轨地电位最大值
正电位最大值(V)负电位最大值(V)
48.30-12.21
表5 三宝屯电铁管轨电压最大值
正电位最大值(V)负电位最大值(V)
11.25-52.43
3.4 管道之间的相互干扰
抚顺地区四条管道在抚顺康乐输油站交汇。

多次测试均表明,此四条管线之间存在明显的相互干扰,管道间形成不稳定的宏腐蚀电池,加速了各管线相邻管段的腐蚀。

不仅如此,上述部分管道与该地区东北输油管网之外的其它管道(以下称网外管道)之间也存在相互干扰。

例如抚计线与石油三厂输油管道交叉,与石油一厂输油管道相邻;抚前线与石油二厂输油管道相邻。

因这些网外管道与电铁相距很近,有的管道还与电铁交叉,其所受杂散电流干扰很强,对与之接近的东北管网在该地区的管道产生很大影响。

3.5管道的防腐层状况
管道防腐层不仅是管道防腐的有效手段,也是排流和阴极保护的基础。

管道防腐层状况一般通过防腐层绝缘电阻来判断。

1995年对该地区管道防腐层绝缘电阻进行了全面测试,结果表明该地区管道防腐层状况不佳,其中抚前线和抚计线管道防腐层质量最差,抚鞍线和铁抚线防腐层质量稍好些,但其技术等级也较低(多数管段防腐层技术状态等级仅为∀可级#)。

这种状况对管道的排流保护十分不利。

4 采取的排流保护措施
自管道投产以来,管道管理部门为防止杂散电流对管道的干扰腐蚀,先后采取了多项排流保护措施。

特别是自80年代中期以来,在总结国内外直流排流保护经验的基础上,经过不断的研究、探索,逐步形成了一套杂散电流干扰腐蚀综合治理的方法。

所谓杂散电流干扰腐蚀综合治理是指在采取排流保护措施前,对影响管道排流保护的诸因素进行全面细致的调查;在采取排流保护措施时,根据不同地域、不同管道、不同管段的具体情况,采取具有互补作用的多种排流保护措施;在排流保护措施实施后,强化对管道排流保护系统的监测和管理,并根据杂散电流干扰状况的变化及时调整管道排流保护系统的运行。

这套方法包括如下措施:
4.1 排流保护调查和测试
排流保护调查和测试是有效进行管道排流保护的前提。

70年代以来,管道管理部门先后组织了四次大规模的管道排流保护调查和测试,其间还进行了一些小规模的测试,通过这些调查测试,取得了丰富的原始数据。

经过对原始数据的分析,对抚顺地区直流杂散电流干扰腐蚀的特点和规律有了基本的了解,在此基础上制定了相应的排流保护方案。

4.2 排流器排流
排流器排流一般分为四种方式:直接排流、极性排流、强制排流和接地排流。

根据抚顺地区管道干扰腐蚀的特点,适用于该地区管道的排流方式只有极性排流和接地排流。

4.2.1 极性排流
抚计线末端位于大官屯电铁密集区,适于极性排流。

因此,在该管段安装了一套大功率极性排流系统。

该系统运行后,最大排流电流达100A以上,不仅有效地消除了抚计线杂散电流的干扰腐蚀,而且改善了抚顺地区管道沿线杂散电流的分布状况,缓解了其余三条管道的杂散电流腐蚀。

4.2.2 接地排流
因抚顺地区管道绝大多数管段均不在电铁附近,难以采取直接排流和极性排流等措施,故只能采用接地排流方式。

自1990年以来在该地区安装了多套接地排流系统(见表6)。

表6 已安装的接地排流系统
线别埋设地点埋设时间
铁抚线136#1990年
铁抚线149#1998年
抚前线0#北侧1991年
抚前线0#南侧1991年
抚前线5#1998年
抚前线7#1993年
抚前线19#1990年
抚计线11#1993年
这些接地排流系统均设在管道杂散电流干扰的阳极区及干扰腐蚀重的管段(铁抚线136#桩原为阳极区,在第四次调查测试时发现杂散电流分布状况发生了较大变化,该段管道已变为阴极区),对缓解和消除管道杂散电流干扰腐蚀起到了很大的作用。

接地排流具有适应性强,受环境影响小,对相邻管段干扰小和施工简便等优点,这种排流方式的大量采用是抚顺地区管道排流保护的一大特点。

4.3 阴极保护
杂散电流是随时间不断变化的,在很多时间段,杂散电流表现得不十分明显,这时,管道的自然腐蚀仍会
占据主导地位,因此排流保护必须与阴极保护相结合才能有效遏制管道的腐蚀。

抚顺地区管道均设有阴极保护系统,这些系统在管道防腐保护中起着重要的作用。

4.4 防腐层管理
为改善抚顺地区管道防腐层绝缘状况,采取了检、补漏与大修相结合的方式,每年均进行管道防腐层的检漏修补工作,并于1996年对防腐层质量很差的抚前线和抚计线部分管段进行了防腐层大修。

通过这些工作,提高了管道防腐层质量,为有效地进行排流保护打下了较好的基础。

4.5 管道均压
在康乐站四条管道间加设了管道均压装置。

这些装置有助于平衡相邻管道间的电位,缓解管道间的相互干扰。

4.6 排流保护系统的管理和监测
排流保护系统的管理和监测是保证管道排流保护系统正常运行的关键。

近十几年来,该地区管道的排流保护系统管理采取了日常管理和重点监测相结合的方式,对管道排流和阴极保护系统运行的技术参数进行及时的记录和分析,对重点管段的排流保护状况进行重点监测,并针对杂散电流干扰状况的变化及时调整排流保护系统的运行情况。

5 排流保护的效果
抚顺地区管道的排流保护经过多年的努力,取得了显著的成效。

1991年,曾对当时的排流保护效果作过一次全面测试,结果表明,实施排流保护后,各条管道的杂散电流干扰强度均显著降低,其中,铁抚线正电位出现的频次为0,抚前线和抚计线也各仅有不足1km的管道尚有少量正电位出现,抚鞍线因尚未实施大规模排流,正电位出现的频次较多,但也较以前有很大改善。

据资料统计,抚顺地区输油管道长度仅占东北输油管网总长度的2%左右,投产初期,因排流保护不完善,该地区管道因杂散电流干扰腐蚀穿孔漏油9次,占同期东北管网管道腐蚀漏油事故的78%。

抚鞍线康乐站段投产不到半年就因杂散电流腐蚀穿孔漏油2次。

采取排流保护措施特别是实施杂散电流干扰腐蚀综合治理以来,该地区管道的杂散电流干扰腐蚀得到了有效的遏制,自1981年以来,该地区管道末再发生杂散电流腐蚀穿孔漏油事故。

排流保护不仅有效保证了输油管道的安全运行,而且取得了显著的社会效益和经济效益。

6 结论及建议
(1)抚顺地区管道的杂散电流干扰十分严重,具有杂散电流源多,影响范围广,干扰强度高,管道间相互干扰大等特点。

(2)抚顺地区管道排流保护的实践证明,杂散电流干扰腐蚀综合治理是有效的排流保护方法。

(3)管道的排流保护不是一劳永逸的,而是一项长期艰苦的工作。

必须经常观测杂散电流的变化状况,排流保护措施必须及时调整和更新,只有这样,才能保证管道得到有效的保护。

参考文献
1 中华人民共和国石油工业部部标准∃埋地钢质管道直流排
流保护技术标准%SY J17
2 何悟忠,王梦成.管道保护工,北京:石油工业出版社,1998
(收稿日期:1999年6月20日)
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表3 AB、BC及CD管段受力计算结果管段AB管段BC管段CD管段热变形 L(mm)13.8217.7721.10
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Fb=79900.5N
Fc=249280.6N
Fd=374494.
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图4 空调水4#管线
(收稿日期:1999年6月25日)。