地磁感应电流对管道影响研究现状

李家龙，胡黎花，王培金

(天津海洋数码科技有限公司 天津 300456)

科技评论

地磁感应电流对管道影响研究现状

李家龙，胡黎花，王培金

(天津海洋数码科技有限公司 天津 300456)

磁暴是太阳活动引起空间天气异常时导致地面磁场发生剧烈变化的现象，是地磁场对太阳活动的一种剧烈响应。磁暴经常发生，也引起了学者关注。由于磁暴的发生，埋地石油和天然气金属管道中会感应出地磁感应电流(Geomagnetically Induced Currents，GIC)。GIC会干扰阴极保护装置，加速管道腐蚀或造成泄漏，对管道安全产生威胁，管道腐蚀关系到管道能否安全运行，因此探索评估 GIC对管道的影响意义重大。由于目前国内对管道 GIC研究甚少，总结了GIC的研究现状，旨在为后续研究提供依据。

地磁感应电流 腐蚀 管道

0 引 言

磁暴是太阳活动引起空间天气异常时地面磁场发生剧烈变化的现象，是地磁场对太阳活动的一种剧烈响应。根据法拉第电磁感应定律，在闭合导体回路中，磁通量变化时，就会在该回路上产生感应电流和电势，在埋地石油和天然气管道及其涂层与大地所构成的分布式闭合导体回路内产生的感应电流，即：地磁感应电流(GIC)。GIC对管道的腐蚀和保护问题已得到石油和石化行业专家甚至国家有关部门的重视。

据统计，我国东北原油管道系统的两千多千米的埋地管道中，受到电流干扰的管段约为5%,，近20年中发生的40多起腐蚀穿孔事件中，有80%,是由电流干扰导致的。电流干扰对管道腐蚀的影响是巨大的，干扰电流对管道的腐蚀已不容忽视。

1 管道GIC研究现状

1.1 GIC对管道影响研究现状

GIC自 1873年在管道中被首次发现后，一直吸引着学者的关注。俄罗斯、法国、芬兰、挪威等国家也开始了各自的空间天气行动计划，这些国家均把空间天气作为一项重要研究内容。[1-4]

Varley等人早在 1873年就发现了管道中的GIC，[5]从此管道 GIC引起了学者们的广泛关注。GIC对管道的影响主要有：①引起阴极保护系统中的电压波动，导致保护电位处于安全范围以外，特别是在磁暴发生期间，可能导致某段时间管道处于非保护状态，从而减少管道的使用寿命。②损坏管道设备，例如会击穿绝缘法兰、烧穿管道、造成管道腐蚀穿孔等。[6]③GIC会干扰腐蚀控制系统，使系统达不到理想防腐蚀控制效果。R．A．Gummow[7]等人指出，GIC会使管道控制系统不能正常工作。④在 GIC爆发期间，管道工程师的设计也会遇到一些新问题。比如管道中的流量表会显示错误的流量信息、管道折缝处的腐蚀程度明显增加。如果不考虑磁暴的影响，将会造成很大的经济损失。

1.2 管道GIC特性研究现状

管道 GIC的特征与管道导电体参数是有关系的。在金属管道中形成的 GIC的频率与直流频率(0,Hz)接近，可以近似为直流。有研究称，GIC有准直流[8]特性和方向性等特点。监测管道 GIC显示该电流变化频率主要是1～10,mHz，接近于直流信号的频率。GIC在管道中持续的时间长达几分钟甚至数小时。[9]

目前有关 GIC非线性特性的研究处于起步阶段，Remanan Remya[10]等人证实了星际磁场具有混沌特性；K．Unnikrishnan[11]等人采用 GPS-TEC时间序列证实了电离层的混沌特性；牛超[12]等对电磁场 Z分量的混沌特性进行了研究。目前尚未检索到 GIC混沌特性研究的报告。

国外对管道GIC的研究始于20世纪40年代，此后做了大量工作，特别是在高纬度国家，如美国、加拿大、芬兰等。GIC现象的发现和早期的观测、GIC的理论研究与预测都是在这些国家进行的。他们相继建立了管道 GIC监测系统，监测输油管道中的GIC。[13]通过监测，获得了许多宝贵的数据，并基于太阳爆发活动对强 GIC事件进行了统计分析。Campbell[14]等人在 1978年对阿拉斯加管道 GIC进行监测，发现在 1978年8月4日，阿拉斯加管道的监测GIC值最大达到100,A；芬兰气象所[15]于1998年开始在曼查拉管道中监测GIC，发现在 2003年10月29日，曼查拉管道中监测GIC的值最大达到60,A。

国内关于 GIC的研究起步较晚，主要集中在电网 GIC，对管道 GIC的研究几乎空白，主要是探索GIC产生机制，且研究成果多处于理论研究阶段，没有开展检测GIC的装置研究。

2 埋地管道腐蚀机理研究现状

金属管道的腐蚀问题是值得关注的重要问题。[16]据有关调查显示：中原油田仅1993—1999年6年间就发生过 28,012次腐蚀穿孔事件，造成管道破裂泄漏，发生漏油事件，直接经济损失 5.7亿元。龙虎泡油田也发生过多次腐蚀事件，仅2009年就有约12条管道腐蚀严重，造成了很大的经济损失。2012年11月，管道公司南京处管线腐蚀穿孔。可见管道腐蚀危害极大，研究埋地管道金属的腐蚀行为和腐蚀机理对于石油石化行业非常重要。腐蚀机理主要有以下几种：

2.1 直流杂散电流腐蚀机理

Schwalm等人在 20世纪 60年代就发现了直流杂散电流对于埋地金属管道的腐蚀作用，其本质上是电化学的电解作用，属于局部腐蚀，是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。由于直流杂散电流的影响会形成局部腐蚀电池，处于腐蚀电池阳极区的管道很容易被腐蚀，长期积累就会形成腐蚀穿孔，对埋地管道造成巨大危害。

2.2 交流杂散电流管道腐蚀机理

目前关于交流杂散电流腐蚀机理众说纷纭。[17]交流腐蚀机理可以划分成两种不同类型：强电场诱导模型腐蚀机理和电化学模型腐蚀机理。

强电场诱导模型是管道金属在变化的电场强度下，增大了一些电化学反应发生的可能性和反应速度，改变了金属内部电化学腐蚀的过程而发生点蚀。现场管道在交流干扰下的腐蚀金属表面存在黑色粉末状焦化物，且腐蚀坑比较光滑，有被高温熔化的迹象，这为强电场诱导模型提供了有力证据，说明“强电场诱导模型”具有合理性。强电场诱导模型虽然能够揭示交流腐蚀破坏现象，但只是在表面上进行的揭示，并没有反映出交流腐蚀的本质。

交流电化学模型腐蚀机理模型主要是“整流模型”和“金属界面的振荡模型”。Mccollum 和Ahlborn提出了整流说，Kulma也认为整流是交流电诱导腐蚀的重要因素。Bosch等利用活化控制下的动力学极化理论，在一系列的假设和简化基础上建立了叠加交流后电极极化行为的数学模型，发现在交流影响下，腐蚀电流密度总是增大。但该数学模型没有考虑频率对腐蚀速率的影响，且在某些体系下，交流电流对腐蚀速率和电位的影响不再符合上述模型中的规律。

交流腐蚀过程是一个多因素、多控制步骤的过程，比直流杂散电流腐蚀机理更为复杂。目前对于交流腐蚀问题观察到的现象虽多，但缺乏定量计算和数学描述。

3 电流对管道腐蚀影响的研究现状

3.1 直流杂散电流对管道腐蚀影响的研究

直流杂散电流的大小随时间变化。对于埋地管道，杂散电流的流动产生了两个由外加电势差形成的腐蚀电池，加速了埋地管道的腐蚀速率，造成腐蚀。在有杂散电流存在时，金属的腐蚀要比无杂散电流时严重。李言涛[18]等人对管道杂散电流进行了监测，经过研究发现，管道在没有杂散电流的情况下，由金属腐蚀产生的电池的两极电位差仅 0.35,V左右。当管道存在杂散电流的情况下，电位差能够达到近 9,V，直流杂散电流对管道的安全威胁很大，比自然腐蚀要严重很多，杂散电流对管道破坏性比较强，腐蚀速度也比较快。

3.2 交流杂散电流对管道腐蚀影响的研究

交流杂散电流干扰所造成的管道腐蚀没有直流杂散电流干扰所造成的腐蚀严重，但当高压输电线路敷设的走向与埋地管道的走向相同时，将会在埋地管道上感应出交变电压和交变电流，这种情况对管道危害较大，在管道上产生特别高的干扰电位，危及作业人员人生安全，损坏管道上的设备；[19]交流干扰会使电极表面去极化，对管道金属造成腐蚀；使管道外围包裹的绝缘层加速老化，造成防腐层的脱落；交流干扰还会造成阴极保护无法在可控电位范围内正常进行，降低电源效率，甚至逆转牺牲阳极极性。交流杂散干扰腐蚀比自然腐蚀严重，Lalvani[20]经过研究也发现，交流干扰腐蚀的作用范围比自然腐蚀的作用更广泛，腐蚀更严重，随机性更强。

丁海涛等人通过大量的实验，发现无论杂散电流是哪种形式，管道的腐蚀情况都和电流密度的大小相关，杂散电流越大，腐蚀越严重，大致成线性关系，并且遵循法拉第电解定律。

3.3 磁暴引起的GIC对管道腐蚀影响的研究现状

目前GIC对管道的影响研究较少，管道GIC在管道中流动时，在管道缝隙处容易形成腐蚀电池，引起管道腐蚀。GIC对埋地管道的影响取决于地磁暴是否发生，磁暴未发生时腐蚀影响是很轻微的，而发生时很容易发生宏观电池腐蚀，危及管道安全。由于管道所处的环境极其复杂，研究也有一定难度。

4 结 语

研究 GIC对管道的影响具有重要的科学意义和实际工程价值，但对目前GIC研究较少，也存在很大难度，GIC动力学特性、腐蚀物理机制及模型等问题有待研究。本文对GIC研究现状进行了详细论述，具有很强的科学指导意义，可为以后的研究提供理论依据。■

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Effect of GIC on Buried Pipelines：A Review of Current Research Status

LI Jialong，HU Lihua，WANG Peijin
(Tianjin Ocean Data Technology Co.，LTD，Tianjin 300456，China)

Geomagnetic storm is caused by solar activity anomaly．When a storm happens，the earth magnetic field will change．This is a kind of intense geomagnetic field of solar activity response．As geomagnetic storm occurs frequently，it has caused public concerns．Due to magnetic storms，Geomagnetically Induced Currents(GIC)will be produced in buried oil and gas pipelines．GIC interferes with cathodic protection，and will accelerate the corrosion of the pipelines or cause leakage，which is a major problem for safe operation. It is of significant importance to explore and evaluate characteristics of GIC and its influence on pipeline，but current domestic researches on pipeline GIC are very few. Research status of GIC both at home and abroad were summed up to provide reference for follow-up studies in the paper.

Geomagnetically Induced Currents(GIC)；corrosion；pipeline

TM74

：A

1006-8945(2016)07-0005-04

2016-06-03