鐘 良 董 凱 孫偉棟 譚 冰
(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司,江蘇 徐州 221008)
油氣管道在確保國(guó)家能源安全、保障國(guó)計(jì)民生等方面發(fā)揮了重要作用,但隨著能源、交通等行業(yè)的迅猛發(fā)展,雜散電流干擾源逐漸增多,而埋地油氣管道大部分為鋼質(zhì)金屬管道、且多數(shù)管道均存在不同程度的外防腐層破損,因此受到的雜散電流干擾也越來(lái)越嚴(yán)重,導(dǎo)致管道遭受腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)增加,影響管道安全運(yùn)行,2019年,江蘇省境內(nèi)某原油管道通過內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管壁減薄超過50%的達(dá)292處,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)雜散電流腐蝕坑多處,經(jīng)檢測(cè)、分析,確認(rèn)部分位置存在交流腐蝕。
過去,人們普遍認(rèn)為交流干擾的危害主要是被干擾結(jié)構(gòu)電壓升高而危及人身安全,并不太關(guān)注由此造成的被干擾結(jié)構(gòu)的腐蝕問題且以前交流干擾造成的腐蝕較直流干擾腐蝕輕很多,隨著交流高壓輸電線的電壓等級(jí)越來(lái)越高(目前最高達(dá)1000kV),交流干擾腐蝕也越來(lái)越嚴(yán)重,促使人們更加重視這類問題。
隨著交流雜散電流對(duì)管道的危害日益突出,越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)管理單位都更加重視雜散電流檢測(cè)、評(píng)價(jià)工作,因?yàn)闄z測(cè)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)結(jié)論是做好干擾防護(hù)(排流)工作的基礎(chǔ),但是,由于雜散電流干擾及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性,有時(shí)要得到準(zhǔn)確、有效的結(jié)論并非易事,本文旨在結(jié)合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行較全面的論述,以期為后續(xù)的防護(hù)(排流)工作提供指導(dǎo)。
交流干擾檢測(cè)的主要參數(shù)為交流電壓及電流密度,核心參數(shù)是電流密度,關(guān)于交流電流密度,除了直接測(cè)量,GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 50698)提供了公式進(jìn)行計(jì)算,使用該公式需要測(cè)量交流電壓、測(cè)量防腐層破損點(diǎn)(漏點(diǎn))位置的土壤電阻并計(jì)算電阻率,但是公式中的V值有時(shí)難以準(zhǔn)確測(cè)量,計(jì)算ρ值需要先獲取土壤電阻R值,但有時(shí)難以準(zhǔn)確獲取R值。
檢測(cè)位置附近管體的外防腐層有如果存在大面積破損點(diǎn)、存在排流接地或未知電氣接地,由于裸露面積增大,電壓場(chǎng)范圍增大,此時(shí)附近土壤中的地電場(chǎng)電勢(shì)已不為零,這種情況下如果參比電極或接地鋼釬仍然置于破損點(diǎn)管道上方,測(cè)量的交流電壓將會(huì)存在誤差,此種情況宜采用遠(yuǎn)參比法,雖然標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0032-2000已作廢,但其規(guī)定的參比電極與管道垂直距離大于等于10m的測(cè)法沒有任何問題,不管管道防腐層有無(wú)破損點(diǎn)—遠(yuǎn)參比法都是準(zhǔn)確有效的方法,但是使用遠(yuǎn)參比法牽涉到測(cè)試導(dǎo)線的放線、收線等,總體工作效率相對(duì)偏低一些,如果一條管線防腐層質(zhì)量良好(比如新建的剛竣工驗(yàn)收過的管線),則無(wú)需采用遠(yuǎn)參比法,管道外防腐層質(zhì)量良好時(shí)通過遠(yuǎn)、近參比法測(cè)量交流電壓實(shí)例如表1所示,由表1可知:對(duì)于外防腐層質(zhì)量良好的管道,遠(yuǎn)、近參比測(cè)得的交流電壓值相差很小。
表1 遠(yuǎn)、近參比法測(cè)量交流電壓實(shí)例數(shù)據(jù)(防腐層質(zhì)量良好時(shí))
管道外防腐層質(zhì)量較差時(shí)通過遠(yuǎn)、近參比法測(cè)量交流電壓實(shí)例如表2所示,由表2可知:對(duì)于外防腐層質(zhì)量較差的管道,遠(yuǎn)、近參比法測(cè)得的交流電壓值有一定差距。
表2 遠(yuǎn)、近參比測(cè)量交流電壓實(shí)例數(shù)據(jù)(防腐層質(zhì)量較差時(shí))
由于有時(shí)外防腐層破損點(diǎn)面積遠(yuǎn)大于1cm2,計(jì)算交流電流密度時(shí),要使用實(shí)際的裸露面積以及遠(yuǎn)參比測(cè)量到的交流電壓,不能仍然假設(shè)破損點(diǎn)面積為1 cm2即公式中的d值不能再取0.0113。另外,如果存在大面積破損點(diǎn),管體接地電阻降低,將起到一定的“自我”排流作用,此時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià)的干擾程度很可能弱于防腐層修復(fù)好之后(如果干擾源無(wú)明顯變化)。
因此,在實(shí)際檢測(cè)評(píng)價(jià)工作中,如果想使用公式進(jìn)行計(jì)算出準(zhǔn)確的交流密度值,應(yīng)先進(jìn)行外防腐層質(zhì)量檢測(cè),對(duì)于存在大面積破損點(diǎn)或接地體的位置、在交流干擾參數(shù)檢測(cè)時(shí)需注意上述問題。
土壤電阻R的測(cè)量通常采用Wenner四電極法,電極等間距布設(shè),間距大小等于埋深,通過外檢測(cè)手段獲取的管道埋深通常是地表到管頂?shù)闹本€距離或到管中心的直線距離,并非地表到破損點(diǎn)位置處的距離,當(dāng)然,如果破損點(diǎn)正好位于管頂或者3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘位置、可以獲取準(zhǔn)確埋深,但這種情況畢竟是少數(shù),而且管徑越大,破損點(diǎn)埋深誤差也越大。
Wenner四極法所測(cè)量的電阻是測(cè)深范圍內(nèi)土壤的平均電阻,并非外防腐層破損點(diǎn)所在位置附近的土壤電阻,如果土壤電阻均勻,則測(cè)量的電阻為外防腐層破損點(diǎn)所在位置的土壤電阻或比較接近真實(shí)值,如果土壤出現(xiàn)分層(電阻不均勻)或者Ca2+、Mg2+等離子在缺陷處沉積、則電阻測(cè)量值與真實(shí)值之間將出現(xiàn)偏差。電阻率計(jì)算公式ρ=2πaR中,a為電極間距即管道埋深,由于多數(shù)時(shí)候無(wú)法獲取準(zhǔn)確的a值,有時(shí)還難以獲取準(zhǔn)確的R值,如果二者的值都不夠準(zhǔn)確,計(jì)算所得的ρ值將產(chǎn)生誤差。
因此,雖然從原則上來(lái)說——電流密度可以通過擴(kuò)散電阻(防腐層破損點(diǎn)或試片裸露金屬表面對(duì)地的歐姆電阻,在給定直流或交流電壓時(shí),該電阻控制著流通的交流或直流電流大?。?、防腐層破損的形狀大小以及交流電壓計(jì)算得到,但該計(jì)算值通常與試片,因?yàn)榉栏瘜尤毕菪螤钜约八谋砻娣e一般是不確定的,實(shí)際檢測(cè)中通過開挖(坑檢)進(jìn)行防腐層缺陷檢測(cè)的畢竟是少數(shù),此外,陰極保護(hù)的應(yīng)用也會(huì)改變擴(kuò)散電阻以及給定電壓下的電流密度。
綜上,使用公式計(jì)算的交流電流密度值和實(shí)測(cè)值有時(shí)接近,有時(shí)會(huì)有差異,因此,交流電流密度數(shù)據(jù)的獲取宜盡量以試片直接測(cè)量法為主,公式計(jì)算為輔。公式計(jì)算可以對(duì)試片測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,如果二者一致或接近,則證明試片檢測(cè)結(jié)果可靠,如果二者存在差別,則以試片測(cè)量結(jié)果為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。
1.2.1 交流電壓
采用交流電壓作為交流干擾程度的的判斷,其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試方便容易,缺點(diǎn)是判斷依據(jù)不甚嚴(yán)謹(jǐn),因?yàn)榻涣鞲g的影響因素不僅僅是交流電壓,因此,現(xiàn)在通常用交流電壓來(lái)進(jìn)行輔助評(píng)價(jià)或評(píng)估。
英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DD CEN/TS 15280-2006《Evaluation of a.c.corrosion likelihood of buried pipelines-Application to cathodically protected pipelines》(以下簡(jiǎn)稱CEN/TS 15280)中指出[1]:土壤電阻率大于25Ω·m 時(shí),交流電壓不應(yīng)超過10V,土壤電阻率小于25Ω·m 時(shí),交流電壓不應(yīng)超過4V,這也是GB/T 50698中規(guī)定“當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí),可不采取交流干擾防護(hù)措施”的依據(jù)來(lái)源。
如果假設(shè)交流電壓為9 V(未超過10V)、土壤電阻率為26Ω·m(大于25Ω·m)時(shí),通過公式計(jì)算的交流電流密度為78A/m2,但CEN/TS 15280指出:當(dāng)交流電流密度在30A/m2~100A/m2之間時(shí),腐蝕可能性為中等。
交流電流密度是評(píng)價(jià)交流干擾程度的主要參數(shù),舊標(biāo)準(zhǔn) GB/T21447-2008、SY/T 0087.1-2006都采用交流電壓來(lái)評(píng)價(jià)干擾程度,但這種指標(biāo)存在一定不嚴(yán)謹(jǐn)性和局限性,因?yàn)橛锌赡艹霈F(xiàn)交流電壓高、電流密度低或者交流電壓低、電流密度大的情況,這主要受擴(kuò)散電阻控制,擴(kuò)散電阻主要受土壤電阻和缺陷處金屬氧化物(比如鐵銹)、Ca2+、Mg2+等離子及生成的不溶或難溶沉積物(比如CaCO3、Mg(OH)2)影響。在擴(kuò)散電阻較大時(shí),可能出現(xiàn)“電壓高、電流密度低”的現(xiàn)象,反之,則可能出現(xiàn)“電壓低、電流密度高”的情況。土壤電阻率對(duì)交流電流密度的影響實(shí)例如表3所示,表3中序號(hào)1、2皆在南方水網(wǎng)地區(qū)檢測(cè),土壤電阻率低,出現(xiàn)了“交流電壓低、電流密度高”的現(xiàn)象,序號(hào)3、4在北方砂土干燥地區(qū)檢測(cè),出現(xiàn)“交流電壓高、電流密度低”的情況。
由表3可知:土壤電阻率越低的區(qū)域,交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)可能越高,因?yàn)檫@種情況下,較低的交流電壓即可產(chǎn)生較高的交流電密度,之所以說“可能”,是因?yàn)镚B/T 50698條文說明指出:對(duì)一些低土壤電阻率區(qū)域,采用單一交流電流密度來(lái)評(píng)估存在局限性,但是,當(dāng)交流電流密度較高時(shí),也不能完全忽視交流腐蝕的可能性,CEN/TS 15280指出:土壤電阻率小于25Ω·m 時(shí),交流電壓不應(yīng)超過4V,否則存在交流腐蝕的可能。如表3序號(hào)2—干擾電壓已大于4V,該位置土壤電阻率小,存在交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)性與可能性。
表3 土壤電阻率對(duì)交流電流密度產(chǎn)生影響的實(shí)例
總之,較高的交流電壓可能意味著較高的交流電流密度和較高的干擾風(fēng)險(xiǎn),但二者并非絕對(duì)的成正比關(guān)系。W.V.貝克曼《陰極保護(hù)手冊(cè)》中指出:當(dāng)交流電流密度大于50A/m2時(shí),腐蝕才是嚴(yán)重的[2]。
綜上所述,僅用交流電壓進(jìn)行評(píng)價(jià)是有局限性的,不能只采用交流電壓一個(gè)參數(shù)進(jìn)行交流雜散電流干擾程度評(píng)價(jià)和交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。2008版的GB/T 21447、2006版的SY/0087.1都列舉了交流干擾電壓判斷指標(biāo),在最新的2018版中均已刪除。
另外,GB/T 50698在條文說明中又指出“對(duì)一些低土壤電阻率區(qū)域,采用單一交流電流密度來(lái)評(píng)估存在局限性,同樣對(duì)一些高土壤電阻率區(qū)域采用單一電壓指標(biāo)也存在局限性”,這樣描述造成可操作性不強(qiáng),建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)給出高、低土壤電阻率的具體值或取值范圍,即適合采用交流電壓(或以之為主要指標(biāo))的土壤電阻率范圍、適合采用交流電流密度(或以之為主要指標(biāo))的土壤電阻率范圍。
1.2.2 交、直流電流密度比
高的直流電流密度導(dǎo)致陰極保護(hù)水平更高以及管道表面高pH值的形成,然而,在同時(shí)存在交流干擾時(shí),高pH值的形成、擴(kuò)散電阻的降低以及表面氧化層的還原可以導(dǎo)致腐蝕速率的加速,因此,高的直流電流密度可能導(dǎo)致較高的交流腐蝕速率,但是,一個(gè)足夠高的直流電流密度可以防止任何陽(yáng)極性金屬氧化,由此防止交流腐蝕的發(fā)生,因此,當(dāng)直流電密度非常高時(shí),能起到對(duì)交流腐蝕的抑制作用,這取決于交流電流密度的高低,由此,兩種電流密度的比值可以用來(lái)評(píng)價(jià)腐蝕可能性,只要該比例低于某臨界值,不會(huì)出現(xiàn)交流腐蝕,因?yàn)榻涣麝?yáng)極性半波的金屬腐蝕已被阻止。利用該比例作為交流腐蝕可能性的指標(biāo)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是關(guān)于金屬表面的不確定性被排除掉了,計(jì)算時(shí)不需要金屬表面精確的面積。
CEN/TS 15280中給出了使用交直流電流密度比(Jac/Jdc)判斷交流干擾的標(biāo)準(zhǔn):Jac/Jdc<5,交流腐蝕可能性低;Jac/Jdc介于5~10之間,可能發(fā)生交流腐蝕;Jac/Jdc>10,交流腐蝕可能性很高,需要采取緩解措施,ISO18086:2019《Corrosion of metals and alloys—Determination of AC corrosion—Protection criteria》(以下簡(jiǎn)稱ISO 18086)也有相同的規(guī)定,并進(jìn)一步指出:電流密度比值介于3和5之間表明交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)很小,然后,為了將腐蝕風(fēng)險(xiǎn)降低到最小,比3更小的電流密度比值是更優(yōu)的[3]。
圖1為某檢測(cè)實(shí)例,該位置的交流電流密度最大值183.41A/m2、平均值155.83A/m2,交、直流電密度比值在26.2~36.0之間,因此,該位置及附近交流腐蝕可能性很高,需采取排流措施。
總之,交流電流密度和直流電流密度控制了交流腐蝕過程和陰極保護(hù)水平,因此用它們來(lái)評(píng)價(jià)交流腐蝕可能性比使用通電電位或交流電壓更可靠。
1.2.3 土壤電阻率
土壤電阻率越小,雜散電流干擾程度加重及腐蝕風(fēng)險(xiǎn)升高的可能性越大,對(duì)于交流、直流干擾均是如此,因?yàn)檫@意味著雜散電流流出的阻力(擴(kuò)散電阻)越小。ISO 18086指出:土壤電阻率低于25Ω·m時(shí),存在非常高的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),介于25~100Ω·m時(shí),存在高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
1.2.4 腐蝕產(chǎn)物
GB/T 50698指出:對(duì)于鋼質(zhì)管道,其交流腐蝕的特征產(chǎn)物是Fe3O4,因此,搜集腐蝕產(chǎn)物并分析檢測(cè)其化學(xué)成分,有助于更準(zhǔn)確地判斷交流腐蝕。
1.2.5 其它特征
對(duì)于交流腐蝕,比較顯著的判斷特征還有:
(1)如果管道腐蝕位置的陰極保護(hù)良好,pH值較高(典型情況大于10),則是交流腐蝕的可能性很大;
(2)如果有產(chǎn)物有CaCO3或Mg(OH)2沉積(白色粉末),則應(yīng)懷疑有交流腐蝕,沉積物的出現(xiàn)是因?yàn)殛帢O保護(hù)電流密度足夠大,發(fā)生陰極反應(yīng)形成的,表明管道陰極保護(hù)效果良好,主要化學(xué)反應(yīng)式如下:
GB/T 50698規(guī)定:在土壤電阻率小于25Ω·m的地方、交流電壓小于4V為合格,在土壤電阻率大于25Ω·m的地方、電流密度小于60A/m2為合格。由于有些位置或區(qū)域的土壤電阻分布不均,可能在幾十米范圍內(nèi)土壤電阻率都不盡相同;筆者在某原油管道安裝了排流裝置的某個(gè)位置附近進(jìn)行了土壤電阻測(cè)量,然后選擇與第一個(gè)測(cè)點(diǎn)相距僅約30m另一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行同樣測(cè)量,經(jīng)測(cè)量、計(jì)算,第一個(gè)點(diǎn)的土壤電阻率為21.10Ω·m,第二個(gè)點(diǎn)為27.76Ω·m,由此可見,有時(shí)土壤電阻率分布并不均勻,因此,宜盡量同時(shí)滿足“交流電壓小于4V、電流密度小于60A/m2”。
在遭受雜散電流干擾或可能存在干擾風(fēng)險(xiǎn)的位置埋設(shè)腐蝕速率探頭、已經(jīng)采取防護(hù)(排流)措施的位置亦可安裝,定期采集、計(jì)算腐蝕速率,如果腐蝕速率未超標(biāo),則認(rèn)為雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較低或防護(hù)(排流)效果較好,ISO 18086也指出:有效的交流腐蝕控制也可通過測(cè)量腐蝕速率來(lái)證實(shí)。對(duì)于直流干擾程度或防護(hù)(排流)效果評(píng)估,也可采用腐蝕探頭。
(1)采用試片測(cè)量時(shí)需注意:試片表面應(yīng)打磨除銹,盡量在不改變土壤電阻的條件下測(cè)量,試片埋設(shè)處通常不宜澆水,除非土壤很干燥時(shí)可適當(dāng)澆少量水。有人認(rèn)為澆水時(shí)測(cè)量的交流電流密度可認(rèn)為是降雨土壤潮濕時(shí)的值,但在降雨時(shí),土壤電阻率也發(fā)生了變化,而土壤電阻率是影響交流電壓的因素之一;
(2)由于Fe3O4在潮濕的空氣中易氧化成三氧化二鐵,采集腐蝕產(chǎn)物時(shí)需注意,管道開挖后應(yīng)立即采集,取樣瓶取樣后立即密封、必要時(shí)注氮;
(3)采用前述公式計(jì)算交流電流密度時(shí),GB/T 50698規(guī)定交流電壓取平均值,但最好將最大值(峰值)也代入進(jìn)行一次計(jì)算、評(píng)估,這樣才能對(duì)可能達(dá)到的最大干擾程度(最高干擾風(fēng)險(xiǎn))進(jìn)行評(píng)估;
(4)前文已述:高的直流電流(陰極保護(hù)電流)密度可以導(dǎo)致腐蝕速率的加速,這一點(diǎn)與直流干擾相反,對(duì)于較強(qiáng)的交流干擾,當(dāng)管道陰極保護(hù)水平高時(shí),其腐蝕風(fēng)險(xiǎn)反而更高,因此,陰極保護(hù)電位宜盡量接近-0.85V(厭氧菌存在的環(huán)境中-0.95V),不宜太負(fù)[4]。ISO 18086在“可接受的干擾水平”一章中指出:如果交流電流密度大于30A/m2,在1cm2試片或探針上測(cè)量得到的有代表性時(shí)間段內(nèi)(e.g.24 h.)的平均直流電流密度低于1A/m2,這樣規(guī)定也是為了控制保護(hù)電位、使其不要太負(fù);
(5)交流干擾可接受水平的評(píng)價(jià)/評(píng)估需要考慮陰極保護(hù)電位,包括比較負(fù)的和比較正的陰極保護(hù)電位,比如ISO 18086規(guī)定:在陰極保護(hù)電位較負(fù)時(shí),首選考慮滿足公式(1);
式中Uac為交流電壓,V;Eon為通電電位,V。
而在陰極保護(hù)電位較正時(shí),考慮交流電壓低于15V和交流電流密度低于30A/m2。
(6)雖然一個(gè)足夠高的直流電流密度可以防止任何陽(yáng)極性金屬氧化,由此防止交流腐蝕的發(fā)生,但Helm[5]等人認(rèn)為:陰極保護(hù)電流密度小于250mA/m2時(shí)對(duì)交流腐蝕沒有緩解作用,當(dāng)陰極保護(hù)電流密度達(dá)到4000mA/m2時(shí)才產(chǎn)生緩解作用,但是,通常埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護(hù)電流密度在4.3~16.1mA/m2(中性土壤)或32.3~161mA/m2(高酸性土壤)之間,要達(dá)到4000mA/m2的電流密度,勢(shì)必產(chǎn)生過保護(hù)問題;
(7)經(jīng)驗(yàn)表明:當(dāng)交流電壓大于等于土壤電阻率時(shí),要計(jì)算交流電流密度,確認(rèn)交流腐蝕的可能性[4]。
(1)不論是交流雜散電流干擾程度還是排流效果的檢測(cè)、評(píng)價(jià),有時(shí)使用的指標(biāo)、準(zhǔn)則不止一個(gè),需要根據(jù)具體情況合理選用,多數(shù)時(shí)候需要綜合運(yùn)用;
(2)在進(jìn)行交流雜散電流檢測(cè)、評(píng)價(jià)時(shí),相關(guān)依據(jù)以國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為主,對(duì)于暫未引入國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的一些國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),可作輔助評(píng)價(jià)、評(píng)估或驗(yàn)證之用,當(dāng)采用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在困難時(shí),如果適用性方面滿足條件,可適當(dāng)引用一些國(guó)外標(biāo)準(zhǔn);
(3)近幾年來(lái),國(guó)外發(fā)布了一些交流雜散電流方面的新標(biāo)準(zhǔn),建議國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在修訂升級(jí)時(shí)考慮納入一些新的內(nèi)容尤其是相關(guān)的指標(biāo)、準(zhǔn)則—以更好地指導(dǎo)交流雜散電流的檢測(cè)評(píng)價(jià)工作。