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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)、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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),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(xiàn)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(xiàn)比較接近,而在參數(shù)If比較大的2#、3#、4#、58#樁位置,ie曲線(xiàn)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(xiàn)與陰極保護(hù)檢查片的腐蝕速率曲線(xiàn)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 withioandie

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(xiàn)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(xiàn)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 withioandiein 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?？梢?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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