埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿离s散電流腐蝕的測試與防護(hù)
摘要：介紹了雜散電流的類型。結(jié)合深圳市某測點(diǎn)的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿朗茈s散電流干擾的調(diào)查和測試數(shù)據(jù)，分析了該管道雜散電流的主要來源。介紹了國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對雜散電流控制的要求、國外雜散電流防護(hù)工作的情況，提出了雜散電流腐蝕防護(hù)的措施。
1 概述
雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕不容忽視。 GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出了雜散電流的定義，雜散電流是指在非指定回路中流動的電流。它可能是由直流電或交流電造成的：直流雜散電流主要來源于直流電氣化鐵路、高壓直流輸電系統(tǒng)、電解裝置、陰極保護(hù)裝置(強(qiáng)制電流設(shè)備、雜散電流排流設(shè)施)等；交流雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路及交流輸電線路等。研究表明[，鐵在交流電流密度20A/m2下將造成0.1mm/a的腐蝕速率，只有高于50A/m2的交流電流密度才是嚴(yán)重的。另外，由于地球磁場變化產(chǎn)生的地雜散電流，一般情況下與前述直流、交流雜散電流相比強(qiáng)度很小，不會產(chǎn)生腐蝕危險。因此，本文的研究重點(diǎn)是直流雜散電流(以下簡稱雜散電流)。
埋地鋼質(zhì)管道雜散電流干擾腐蝕原理見圖1。由于鐵軌對地絕緣不充分，機(jī)車的牽引電流除了在鐵軌上流動外，還會從鐵軌絕緣不良處泄漏到大地，形成雜散電流。由于埋地鋼管對地絕緣并不充分，則部分雜散電流將流入附近的鋼管，并在鋼管中流動，然后從遠(yuǎn)處的某點(diǎn)流出鋼管進(jìn)入大地，返回供電所負(fù)極。鋼管會在雜散電流流出部位發(fā)生腐蝕，此種現(xiàn)象稱為雜散電流干擾腐蝕。
理論上，當(dāng)鋼鐵受到雜散電流干擾腐蝕時，金屬腐蝕量滿足法拉第定律。依據(jù)法拉第定律，1A的直流電流1年可使鋼鐵腐蝕大約9.1kg[4]。雜散電流干擾腐蝕通常發(fā)生在管道防腐層破損處，即集中在局部，因而容易引起坑蝕，導(dǎo)致穿孔。實際案例中[6]，東北撫順地區(qū)受雜散電流干擾影響的輸油管道約有50km，占東北輸油管網(wǎng)的2%，而因雜散電流干擾腐蝕造成的穿孔次數(shù)，占該地區(qū)管網(wǎng)腐蝕穿孔總次數(shù)的60%以上。該地區(qū)的雜散電流高達(dá)500A，管道埋地半年就能腐蝕穿孔，腐蝕速率為10～15mm/a。
2 燃?xì)夤艿朗茈s散電流干擾的調(diào)查和測試
在測試工具方面，我們應(yīng)用了儲存式的自動數(shù)據(jù)記錄儀和雜散電流檢測儀(Stray Current Mapping，以下簡稱SCM)進(jìn)行測試。該自動數(shù)據(jù)記錄儀采集數(shù)據(jù)的速度可達(dá)約100個/s，可用于連續(xù)記錄并自動儲存數(shù)據(jù)。SCM檢測儀是目前世界上最先進(jìn)的一種雜散電流測試儀器，可以沿著管道檢測任何雜散電流的大小和方向，能夠快速地評價從地表至管道間的雜散電流，精確確定雜散電流的流入、流出點(diǎn)，分辨雜散電流的頻率和方向，十分方便。
對于干擾源側(cè)，主要調(diào)查了地鐵供電所的位置、運(yùn)行狀況等，還與有關(guān)機(jī)構(gòu)對鐵軌對地電位等數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合測試。
3 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對雜散電流防護(hù)的要求
鑒于雜散電流對鋼質(zhì)管道等設(shè)備的干擾腐蝕影響，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對雜散電流的防護(hù)和控制有具體的技術(shù)要求。
城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)目前的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 21447—2008《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》、SY/T 0017—2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》等。上述標(biāo)準(zhǔn)對于雜散電流強(qiáng)弱的判斷指標(biāo)見表1。
表1 直流干擾強(qiáng)度的判斷指標(biāo)
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雜散電流程度 |
弱 |
中 |
強(qiáng) |
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管地電位正向偏移值/mV |
＜20 |
20～200 |
＞200 |
按照該標(biāo)準(zhǔn)判斷，上述僑香路測點(diǎn)的雜散電流干擾已經(jīng)屬于強(qiáng)烈干擾，需盡快采取排流保護(hù)等防護(hù)措施。
地鐵目前的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》，該標(biāo)準(zhǔn)中提出了對于地鐵鋼結(jié)構(gòu)，允許泄漏電流密度指標(biāo)為0.15mA/dm2。地鐵需要嚴(yán)格遵守該標(biāo)準(zhǔn)，在建設(shè)和運(yùn)營階段做好雜散電流的防護(hù)工作。
4 其他國家的雜散電流防護(hù)狀況
世界上許多國家都非常重視雜散電流的防控工作。德國電工協(xié)會與德國煤氣與水工工程師協(xié)會組成的聯(lián)合委員會于1910年頒布了防止煤氣管道和輸水管道受到使用鐵軌做導(dǎo)電體的直流有軌電車的有害影響的規(guī)定。隨后，有關(guān)雜散電流的檢測和控制技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步。
美國腐蝕工程師學(xué)會(NACE)于2004年發(fā)表了報告《對干擾管道的雜散電流新的測試技術(shù)》。該報告中提出可以使用SCM檢測儀等方法來檢測干擾管道的雜散電流，并以加拿大多倫多市的某燃?xì)夤艿罏槔M(jìn)行雜散電流測試，分析認(rèn)為干擾源與附近電氣化鐵路的運(yùn)行有關(guān)，該雜散電流來源于電力機(jī)車的運(yùn)行，詳見圖3，圖3中上方的曲線表示隨時間變化的管道雜散電流，下方的曲線表示對應(yīng)的管地電位。
5 城市雜散電流的防護(hù)措施
結(jié)合SY/T 0017—2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和NACE SP0169—2007《埋地或水下金屬管道系統(tǒng)的外腐蝕控制》的要求，提出控制雜散電流干擾腐蝕的原則：統(tǒng)一規(guī)劃，綜合治理，分別實施。即由政府相關(guān)部門牽頭成立跨部門的雜散電流防護(hù)工作協(xié)調(diào)小組，干擾源方、被干擾方、第三方機(jī)構(gòu)和專家等加入工作小組，建立長效的聯(lián)席辦公機(jī)制，統(tǒng)一規(guī)劃雜散電流的防護(hù)工作，開展綜合治理工作，然后由各單位分別實施，尤其是雜散電流的產(chǎn)生單位應(yīng)減少雜散電流向外泄漏。
從技術(shù)角度，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)常用的雜散電流防護(hù)方法如下：
① 排流保護(hù)，即在管道和鐵軌之間設(shè)計并安裝適當(dāng)電阻的電連接，這種連接可以從管道向鐵軌方面排出干擾電流。但是由于鐵路方面擔(dān)心對鐵路的安全運(yùn)行造成影響，因此該方法在實際中較難操作。這時可以直接接地排流，需要埋設(shè)接地床。在接地排流時，如果出現(xiàn)波動電流，可采用固態(tài)去耦合器來解決。
② 犧牲陽極保護(hù)，即在燃?xì)夤艿郎险页鲂孤╇娏鼽c(diǎn)，然后安裝犧牲陽極，向管道施加陰極保護(hù)電流。
③ 調(diào)整管道路由以避開干擾源，或者將鋼質(zhì)管道更換為聚乙烯管道。
④ 在管道中正確設(shè)置絕緣接頭。
⑤ 在吸收電流區(qū)域使用良好的外防腐層。
在完成雜散電流的排流工作后，還應(yīng)進(jìn)行排流效果評定測試，以檢測排流工程的實施效果，同時要加強(qiáng)排流系統(tǒng)的維護(hù)管理工作，使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保護(hù)埋地鋼質(zhì)管道的安全運(yùn)行，保障城市公共安全。
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