受地磁干擾的埋地管道腐蝕及陰極保護監(jiān)測評價

侯利濤

（國家管網(wǎng)集團西部管道有限責(zé)任公司獨山子輸油氣分公司，新疆 獨山子 833600 ）

0 引言

地磁場由源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場和源于地球外部的變化磁場組成，變化磁場起源于分布在地表以上的各種空間電流體系，主要位于電離層、磁層和空間。地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場由于磁場穩(wěn)定一般產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流非常微弱，影響有限。然而，變化磁場的存在，特別是太陽活動引起的磁暴期會產(chǎn)生變化幅度較大的地磁感應(yīng)電流，可能對各種人工長距離導(dǎo)電體造成顯著影響。國外（特別是高緯度國家，如加拿大、芬蘭等）對地磁感應(yīng)電流干擾管道的現(xiàn)象開展了長期的觀測、理論研究與預(yù)測。根據(jù)所建立的管道地磁感應(yīng)電流監(jiān)測系統(tǒng)的記錄，當(dāng)?shù)卮艌霭l(fā)生強烈擾動（磁暴）時，感應(yīng)電場強度可以達到每公里幾伏至幾十伏，因而對地下管道產(chǎn)生的雜散電流干擾腐蝕就成為一個不可忽視的因素[1]。我國于2013年2月由中國工程院啟動了復(fù)雜電磁脈沖環(huán)境威脅的戰(zhàn)略研究科技咨詢項目，對電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的地磁暴危害進行了專題研究，獲得了地磁暴侵害西氣東輸一線和陜京二線等管道而引發(fā)管地電位波動的數(shù)據(jù)。目前關(guān)于地磁感應(yīng)電流造成地下管道腐蝕穿孔或有明顯腐蝕發(fā)生的報道較少，但對其干擾影響的研究已經(jīng)被很多部門所重視。

有多個指標可用來描述地磁活動。Kp指數(shù)是由全球地磁臺網(wǎng)中13個地磁臺站的K指數(shù)計算得到，用于表示全球地磁活動性，每3h采集一個值。Kp指數(shù)是基于3小時間隔的算術(shù)平均數(shù)。該指數(shù)是對數(shù)值，范圍從0（靜止）～9（嚴重），Kp指數(shù)超過4的活動被認為是地磁暴。隨著Kp指數(shù)增加，地磁暴發(fā)生的概率對數(shù)地減小。一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴[2]。對于管道而言，Kp指數(shù)是最有用的。

由圖1可知，地磁小擾動頻繁發(fā)生，但嚴重的地磁暴幾乎不發(fā)生。Kp6的地磁暴可能發(fā)生的幾率為2%，可產(chǎn)生平均100mV/km大小的地電場，其電場范圍大致是30～300mV/km。

圖1 不同Kp指數(shù)等級地磁活動的平均發(fā)生率

1 概述

西二線、西三線賽里木湖段管線自投產(chǎn)以來一直受到外界雜散電流干擾，管線電位波動異常，且管線保護電位未達陰極保護準則要求。以西三線102#測試樁自2014年9月～2015年3月的管線通電電位波動曲線為例，如圖2所示?？梢姽艿仉娢婚L期處于波動狀態(tài)，且無規(guī)律，說明管道受到的外界干擾是個持續(xù)的過程。

圖2 西三線102#測試樁通電電位波動曲線

經(jīng)過對新疆烏魯木齊地磁臺（地理經(jīng)度：87°41′48.″E，地理緯度：43°48′56. ″N）和喀什地磁臺（地理經(jīng)度：76.0°E，地理緯度：39.5°N）監(jiān)測的地磁場變化（包括磁偏角、水平強度、垂直強度）調(diào)研，賽里木湖區(qū)域（地理經(jīng)度：81.1°E，地理緯度：44.5°N）與地磁臺位置接近，推測地磁擾動波形應(yīng)相近。地磁場受外界影響，長期處于波動狀態(tài)，同時由于賽里木湖段特殊的地理（近高緯度地區(qū)）及地質(zhì)結(jié)構(gòu)（土壤電阻率較大），該段管線容易受到地磁場的影響，造成管地電位一直處于波動狀態(tài)。

基于以上背景，為了進一步掌握賽里木湖管道受地磁干擾的影響程度及腐蝕風(fēng)險，擬通過對被干擾區(qū)域內(nèi)管道陰極保護系統(tǒng)、管地電位、腐蝕速率等開展連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)采集數(shù)據(jù)掌握陰極保護系統(tǒng)的干擾影響規(guī)律，結(jié)合腐蝕速率數(shù)據(jù)及內(nèi)檢測數(shù)據(jù)評估干擾對管道本體的影響情況，給出影響程度評估。

2 陰極保護電位監(jiān)測

西二線、西三線霍爾果斯至精河段管道陰極保護監(jiān)測點的位置如圖3所示。

圖3 西二線和西三線賽里木湖段陰極保護監(jiān)測點位置圖

圖4為西三線管道沿線4個監(jiān)測點2021年5月的電位監(jiān)測結(jié)果，可以看出，4個監(jiān)測點的管道通電電位和斷電電位均存在持續(xù)不規(guī)則波動，波動趨勢一致，但均未呈現(xiàn)出明顯的隨時間變化的周期性特點，也無明顯的靜息期。在特定時間段內(nèi)，4個監(jiān)測點的管道電位波動幅度同時增大，如圖中紅框所示5月12日～13日的監(jiān)測結(jié)果，表明地磁干擾在這段時間內(nèi)有所增強。經(jīng)查詢空間環(huán)境預(yù)報中心網(wǎng)站，5月12日20:00～5月13日02:00這段時間內(nèi)發(fā)生Kp=7的大地磁暴事件，因此，管道受到的地磁干擾相較于其他時間明顯增強。

圖4 2021年5月12日大地磁暴時管段沿線智能測試樁電位-時間分布圖及大磁暴事件-空間環(huán)境預(yù)報中心

3 陰極保護效果評估

3.1 評估方法

針對大地電流對埋地管道造成的干擾影響，本報告將借助空間環(huán)境預(yù)報中心網(wǎng)站發(fā)布的地磁暴等級信息，根據(jù)地磁暴等級分類進行陰保效果評估。評估時將計算一段時間（以代表性的整月監(jiān)測數(shù)據(jù)為例）內(nèi)每個智能電位測試樁的通電電位、斷電電位的平均值、最大值、最小值，根據(jù)以上數(shù)據(jù)評估陰極保護的有效性。

3.2 大地磁暴

在2021年5月份數(shù)據(jù)監(jiān)測期間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)5月12日20:00～5月13日02:00這段時間內(nèi)干擾顯著增強，Kp等級達到7級，與空間環(huán)境預(yù)報中心網(wǎng)站發(fā)布的“2021年5月12日發(fā)生大磁暴”事件一致，如圖5所示。

圖5 2021年5月12日大地磁暴時管段沿線智能測試樁電位-時間分布圖及大磁暴事件-空間環(huán)境預(yù)報中心

西二線智能電位測試樁干擾監(jiān)測情況：

在2021.05.01～2021.05.31數(shù)據(jù)監(jiān)測期間內(nèi)，KP77-KP103管段監(jiān)測到明顯的地磁干擾現(xiàn)象，表現(xiàn)為所有監(jiān)測點的通電電位均存在不規(guī)則波動，而且所有監(jiān)測點的通電電位波動趨勢具有相似性。由于管道埋設(shè)的土壤為典型的戈壁干燥環(huán)境，水含量低，氧含量高，因此各監(jiān)測點的試片難以維持穩(wěn)定的極化效果，使得斷電電位表現(xiàn)為對電流響應(yīng)較快的頻繁波動特點，如圖6所示。

圖6 西二線KP7 7-KP103管段斷電電位-里程分布圖

西三線智能電位測試樁干擾監(jiān)測情況：

西三線KP77-KP103管段的地質(zhì)情況與西二線KP77-KP103管段相同，在2021.05.01～2021.05.31數(shù)據(jù)監(jiān)測期間內(nèi)，從試片表面測得的直流電流密度來看，K P 7 7-K P 1 0 3 管段各監(jiān)測點在2021.05.01～2021.05.31期間大多數(shù)時刻以流入電流為主，僅在極少數(shù)的個別時間點電流流出試片。因此整體來講，該管段在地磁干擾情況下，保護電位仍可滿足陰極保護電位準則要求。具體來講，在2021年5月12日，KP77-KP103管段受地磁干擾的強度最大，其中監(jiān)測點KP79的電位波動最大，最正通/斷電電位為3.040V/-0.309V，斷電電位不滿足最小保護電位要求；最負通/斷電電位為-4.104V/-1.322V，斷電電位負于限值臨界電位，如圖7所示。

圖7 西三線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

3.3 中小地磁暴

在2021年9月數(shù)據(jù)監(jiān)測期間內(nèi)，空間環(huán)境預(yù)報中心網(wǎng)站發(fā)布的地磁暴等級為5，為中小地磁暴，相較于5月12日的大地磁暴干擾來看，管道電位及直流電流密度波動大小明顯較小，基本保持穩(wěn)定，并且平均斷電電位滿足陰極保護電位準則要求，即在-0.75～-1.2V之間，如圖8、圖9所示。

圖8 2021年9月地磁暴強度表-空間環(huán)境預(yù)報中心

圖9 西二線KP77智能測試樁2021年5月與9月電位時間對比圖

西二線智能電位測試樁干擾監(jiān)測情況：

在2021.09.01～2021.09.30數(shù)據(jù)監(jiān)測期間內(nèi)，對西二線KP77-KP103管段監(jiān)測點的電位分布做統(tǒng)計分析，從圖10可知，除無數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)異常監(jiān)測點外：

圖10 西二線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

西三線智能電位測試樁干擾監(jiān)測情況：

在2021.09.01～2021.09.30數(shù)據(jù)監(jiān)測期間內(nèi)，對西三線KP77-KP103管段監(jiān)測點的電位分布做統(tǒng)計分析，從圖11可知，除無數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)異常監(jiān)測點外：

圖11 西三線KP77-KP103管段斷電電位-里程分布圖

4 地磁干擾分析

4.1 評估標準地磁干擾評價準則的確定

國內(nèi)外提到關(guān)于地電流干擾評價的標準主要有澳大利亞標準AS 2832.1-2015[3]和國際標準ISO 21857-2021[4]。

西二線和西三線賽里木湖管段受到明顯的地電流干擾，管道電位存在持續(xù)頻繁的正向和負向波動，表明陽極干擾和陰極干擾密集交替。對比澳大利亞AS 2832.1-2015和國際標準ISO 21857-2021的地電流干擾評價準則后，本項目擬采取以下準則進行干擾評價：

（1）結(jié)合地磁暴強度信息查詢結(jié)果，利用“干擾電位正于標準規(guī)定保護電位（Ep）的時間占比不超過5%”確定干擾是否可以接受；

（2）腐蝕速率低于0.01mm/y。

4.2 地磁干擾的規(guī)律分析

空間環(huán)境預(yù)報中心給出的2020-2021年全年地磁暴等級如表1和圖12所示，Kp=7的大地磁暴1次，Kp=6的中小地磁暴5次、Kp=5的中小地磁暴45次、而Kp≤4的輕度地磁擾動每天都在發(fā)生，每個月的日最大電位差正好是地磁暴等級較大的時候。其中，2021年5月12日地磁暴等級達到2年來最高，為Kp=7，持續(xù)時長6h，僅占一年總時長的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴持續(xù)時長占一年總時長的0.07%～0.14%；Kp=5的中小地磁暴持續(xù)時長占一年總時長的0.51%～1.02%；Kp≤4的輕度地磁擾動持續(xù)時長占一年總時長的98.77%-99.42%，如表1所示。可見，全年Kp≥5的地磁暴干擾總時長占比并不高，絕大部分時間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾，應(yīng)不會造成管體發(fā)生腐蝕/氫脆或者防腐層剝離。

表1 地磁暴等級占比時間-2 020～2021年

圖12 2020-2021年地磁暴等級統(tǒng)計-空間環(huán)境預(yù)報中心

4.3 地磁干擾腐蝕分析

本項目綜合利用失重試片法、 ER腐蝕速率探頭法、內(nèi)檢測對比分析法三種腐蝕速率檢測方法對西二線和西三線賽里木湖受地磁干擾管段的腐蝕風(fēng)險進行評價。

截止目前，在西二線KP87測試樁處通過ER腐蝕速率探頭測得試片腐蝕速率為0.00042mm/y，在西二線KP97測試樁處通過ER腐蝕速率探頭測得試片腐蝕速率為0.0044mm/y，均小于0.01mm/y。這表明，在當(dāng)前的地磁干擾強度下，西二線現(xiàn)有陰極保護水平可有效降低地磁干擾導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險，這與2015年的現(xiàn)場調(diào)研測試得到的結(jié)論一致。

以下通過西二線和西三線的內(nèi)檢測缺陷數(shù)據(jù)對地磁干擾段的腐蝕風(fēng)險進行分析。西二線霍爾果斯-精河段分別在2012年、2015年和2019年進行了三輪漏磁內(nèi)檢測，該檢測區(qū)間內(nèi)的金屬損失缺陷分布對比如圖13所示，由圖可知，在受到地磁干擾的大約里程70～100km管段內(nèi)檢出的外部金屬損失缺陷數(shù)量顯著減少。地磁干擾管段在2012年、2015年和2019年三輪漏磁內(nèi)檢測中檢出的外部金屬損失缺陷總數(shù)量分別為17個、59個和34個，其中深度大于10%的數(shù)量分別為1個（14%wt，里程：90446.4m）、1個（10%wt，里程：93426.45m）和8個（最深為22%wt，里程：93406.152m）。

圖13 西二線三輪漏磁內(nèi)檢測外部金屬損失缺陷的里程對齊結(jié)果圖

西三線霍爾果斯-精河段分別在2015年和2018年進行了兩輪漏磁內(nèi)檢測，該檢測區(qū)間內(nèi)的金屬損失缺陷分布對比如圖14所示，由圖可知，在受到地磁干擾的大約里程70～100km管段內(nèi)檢出的外部金屬損失缺陷數(shù)量顯著減少。地磁干擾管段在2015年和2018年兩輪漏磁內(nèi)檢測中檢出的外部金屬損失缺陷總數(shù)量均為3個，所有缺陷深度均小于10%。

圖14 西三線兩輪漏磁內(nèi)檢測外部金屬損失缺陷的里程對齊結(jié)果圖

不同內(nèi)檢測工具存在性能和精度差異，其檢出缺陷的位置、數(shù)量和尺寸均有差異，相互間難以比較。因此，可以采用全壽命的方法來預(yù)測腐蝕缺陷的增長速率，獲取最深腐蝕缺陷的腐蝕增長率和全部腐蝕缺陷的平均增長率。全壽命腐蝕增長速率應(yīng)用如下公式計算：

式中，GRc表示腐蝕增長速率，mm/y；d2表示最近一次檢測的腐蝕深度，mm；d1表示上一次檢測的腐蝕深度，mm；T2表示最近一次檢測的時間，y；T1表示上一次檢測的時間，如果沒有，表示管道投產(chǎn)的時間，y。

根據(jù)全壽命腐蝕增長速率計算可知：西二線在賽里木湖地磁干擾段的外部金屬損失的平均增長速率為0.1757mm/y。該腐蝕速率遠大于利用ER探頭測得的腐蝕速率值?？紤]到內(nèi)檢測檢出的外部金屬損失可能屬于穩(wěn)定缺陷，而且檢測精度一般為10%wt，因此基于內(nèi)檢測結(jié)果的全壽命腐蝕增長速率值具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦浴?/p>

西三線兩輪內(nèi)檢測缺陷對比結(jié)果表明，在地磁干擾段的3個檢出外部金屬損失缺陷均為穩(wěn)定缺陷，深度未發(fā)生變化。而根據(jù)全壽命腐蝕增長速率計算得到平均增長速率同樣為0.176mm/y。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全年大地磁暴干擾（Kp≥7）次數(shù)極少，僅有1次，持續(xù)時長僅占全年時間的0.07%，而絕大部分時間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾；

（2）當(dāng)發(fā)生大地磁暴時，即Kp≥7，管道受地磁干擾嚴重，管道電位將發(fā)生較大波動，西二線最正通/斷電電位達到3.191V/-0.209V（KP97），最負通/斷電電位達到-5.619V/-1.284V（KP97）；西三線最正通/斷電電位達到3.040V/-0.309V（KP79），最負通/斷電電位達到-4.104V/-1.322V（KP79），斷電電位均不滿足陰極保護電位準則要求；

（3）當(dāng)發(fā)生中小磁暴時，即Kp≤6，管道受地磁干擾程度相較于大地磁暴時明顯減小，西二線和西三線KP77-KP103管段沿線智能電位測試樁的平均斷電電位能保持在-0.75～-1.2V之間，滿足陰極保護電位準則要求；

（4）當(dāng)發(fā)生Kp≥7的大地磁暴事件時，西二線和西三線KP77-KP103管段部分監(jiān)測點的斷電電位相對保護準則正向偏移所對應(yīng)的時間比例超出了標準要求的5%的限值；當(dāng)發(fā)生Kp≤6的中小地磁暴事件時，西二線和西三線KP77-KP103管段所有監(jiān)測點的斷電電位相對保護準則正向偏移所對應(yīng)的時間比例低于標準要求的5%的限值，表明管道受干擾程度可接受；

（5）同一時間段內(nèi)，西二線和西三線KP77-KP103管段沿線所有監(jiān)測點的電位波動方向同步—電位正向偏移，電流流出管道；電位負向偏移，電流流入管道。因此，該管段上并不存在明顯區(qū)分的電流流入段或流出段；

（6）在西二線KP87和KP97測試樁處通過ER腐蝕速率探頭測得試片腐蝕速率均遠小于0.01mm/y，表明在當(dāng)前的地磁干擾強度下，西二線現(xiàn)有陰極保護水平可有效降低地磁干擾導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險。基于內(nèi)檢測結(jié)果得到西二線地磁干擾段的外部金屬損失的平均增長速率為0.1757mm/y，遠大于利用ER探頭測得的腐蝕速率值?？紤]到內(nèi)檢測檢出的外部金屬損失可能屬于穩(wěn)定缺陷，而且檢測精度一般為10%wt，因此全壽命腐蝕增長速率值具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦裕?/p>

（7）西三線兩輪內(nèi)檢測缺陷對比結(jié)果表明，在地磁干擾段的3個檢出外部金屬損失缺陷均為穩(wěn)定缺陷，深度未發(fā)生變化。而根據(jù)全壽命腐蝕增長速率計算得到平均增長速率同樣為0.176mm/y，同樣具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦浴?/p>