交流架空线路下埋地金属管道腐蚀风险模型

刘 凯，张建华，徐海霞，李后英

（1.国网重庆市电力公司物资分公司，重庆 401121；2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030）

0 引言

近年来随着“西电东送”和“西气东输”的开展，架空输电线路和埋地金属管道在路线规划上均遵循路权优先的原则[1]，导致“公共走廊”现象攀升，使得交流干扰问题日益突出。当管道上的交流干扰电压超过相关阈值时，不但使人身安全受到威胁，还会产生交流干扰腐蚀风险，严重情况下更会导致管道阴极保护系统运行出现故障，管道涂层随之受到危害进而导致泄漏事故发生。因此迫切需要开展干扰情况下埋地金属管道的腐蚀风险评估工作，以便能及时采取修复措施，降低事故发生率，从而保护社会财产及人身安全。

目前，国外在燃气管道风险评估技术方面发展较为成熟。20世纪90年代初期，W.Kent.Muhlbauer针对管道风险评估模型的搭建和评估方法的应用在《管道风险管理手册》中均有详细描述，并得到了研究人士的认可[2]。美国许多油气管道均参照其风险管理技术并出台了相关风险评估规程和标准，如AS 2832.2—2004、API PR581[3]等。文献[4]也提出了一种基于ELECTRE TRI方法和效用理论的多准则模型，用于评估天然气管道中的风险并根据风险类别将管道段分类。国内风险评价方法主要应用于管道剩余寿命预测、复杂环境下管道可靠性分析、半定量条件下的管道风险评估等[5-7]，如文献[8]结合自身国情，对Kent评分法进行改进并结合关联因素权重分配和历史缺陷数据，建立了新的城市燃气埋地钢管基于可靠性的腐蚀失效可能性评估模型。从所查阅的文献来看，均未涉及到交流架空输电线路干扰下埋地金属管道腐蚀风险研究。

提出以金属腐蚀速率为标准的风险等级评定原则，并将风险程度划分为5种情况。在输电线路对埋地金属管道的干扰分析中，综合考虑了各种因素对交流干扰的影响。最终，通过对数据分析得到了在特定腐蚀速率下交流电流密度和阴极保护电流密度的影响关系，以此得到管道的腐蚀风险程度。

1 管道腐蚀风险状态影响因素及状态划分

1.1 管道腐蚀风险状态影响因素

1.1.1 交流电流密度

输电线路对埋地管道的干扰程度以管道交流电流密度为指标。在交流干扰下，埋地金属构筑物上会流过杂散电流，则其在无杂散电流下所保持的承受渗透压与溶解压的平衡状态就会被打破，从而发生电化学腐蚀。因为杂散电流多为局部集中的剧烈腐蚀，会形成快速的局部腐蚀甚至发生管线腐蚀穿孔，严重威胁着管道的安全运行。

1.1.2 管道交流干扰电压

高压交流架空输电线在正常运行状况下与埋地金属管道之间主要存在电感耦合的影响。由于周期性的变化电流从而产生了交变的磁场，其磁力线切割与之平行的埋地金属管道，导致埋地金属管道上产生纵向感应电动势，即管道交流感应电压。纵向电动势接着又对管道与大地形成的回路产生电磁影响，从而在回路中产生纵向电流和泄漏电流，同时会在管道防腐层两侧产生涂层电压。考虑到大地电屏蔽作用，故可以忽略与埋地金属管道间电容耦合的影响[9]。

在交流架空输电线路对埋地金属管道的干扰方面，有很多因素都起着不可忽视的作用。主要包括输电线的电压等级、负载大小，两者间的并行长度、相隔间距以及交叉跨越时的夹角大小等。如并行长度增加，管道交流干扰电压会增大并最终趋于稳定；交叉跨越角度增大，管道干扰会减小。

1.1.3 土壤电阻率

土壤是由土粒、土壤溶液、土壤气体、有机物、无机物、带电胶体和非胶体粗粒等在内的多种成分构成的极为复杂的不均匀多相体系。不同土壤的腐蚀性差异很大，由于土壤的组成和性质的不均匀性，很容易形成氧浓差电池，故易造成埋地金属管道产生严重的局部腐蚀。影响土壤腐蚀的因素很多，如含水量、温度、土壤电阻率、pH等。考虑到其他因素的影响作用较土壤电阻率而言不够明显，故在此将土壤电阻率作为判断土壤腐蚀性的重要指标之一。

1.1.4 涂层破损面积

埋地金属管道的表面一般都会敷设防腐层以此防止腐蚀介质和金属管道直接接触，从而减小金属管道的电化学腐蚀。目前涂层主要分有机涂层和无机涂层两种。其中，有机涂层中应用较广泛的是聚乙烯防腐层，具有良好的耐剥离性能和抗透湿性能；无机涂层的出现弥补了有机涂层因老化导致寿命有限的缺陷，其主要有陶瓷涂层、玻璃涂层等。由于涂层种类繁多，故一般采用涂层电阻率反映管道的防腐能力。埋地金属管在服役期间，由于所处环境复杂，周围各种因素的组合作用使得管道在保护作用下仍能发生腐蚀。随着时间的增长，在日积月累下管道会出现局部的破损，直至涂层被击穿，引发爆炸等危险。

1.1.5 阴极保护电流密度

阴极保护系统在管道涂有防腐层的基础上可进一步的抑制所在缺陷处的腐蚀。即通过向被保护的埋地金属管道通以足够的阴极电流（直流电流）的情况下，可减小或消除因土壤腐蚀造成的各种原电池的电极电位差，使腐蚀电流趋近于零，从而达到阻止腐蚀的目的。保护电流密度指的是被保护构筑物单位面积上所需要的保护电流，其值的大小主要依据于管道防腐层状况及干扰影响。阴极保护电位同理也受交流干扰和土壤环境影响，容易产生波动，使得评估结果不准确。因此在交流干扰环境中，阴极保护电流密度更适合于衡量阴极保护水平。

1.2 管道腐蚀风险状态划分

现有的管道腐蚀风险评估模型对其状态等级的划分没有统一标准，参考《管道防腐蚀手册》[10]中金属耐腐蚀性能标准，同时结合现有标准《石油天然气工业》[11]在管道运输系统的阴极保护第一部分中陆地管线相关规定：地下金属构筑物腐蚀速率＜0.1 mm/a时可满足管道的设计寿命要求，将管道腐蚀风险程度划分为极低、低、中等、高和极高等5种状态，如表1所示。由于局部腐蚀，如孔蚀、选择性腐蚀等在测量及预测方面仍存在很多困难，故在受交流干扰的埋地金属管段采用均匀腐蚀速率来大致衡量腐蚀程度。

表1 管道腐蚀风险判定标准

2 状态评估指标及量化方法

2.1 评估指标选取

可靠且全面的状态信息是开展状态评估的基础，国内目前主要采用石油行业SY/T 0032-2000标准，以干扰电压为衡量参数进行判断[12]，即在不同土壤环境下确定了具体限值：弱碱性土壤下最高不能超过10 V，中性土壤条件下不能超过8 V，酸性或盐碱性土壤条件下则为6 V。但大量工程实例表明在管道服役年限期间，即使交流干扰电压超出标准值，管道最终腐蚀程度也不会超出5%壁厚。此外，国外也针对干扰电压进行研究表明，管道最大干扰电压处所测量的管道腐蚀速率不为最大值[13]。因此以交流干扰电压值作为腐蚀风险评判标准可能存在误判的情况。

为弥补干扰电压评判的不足，随后提出了综合干扰电压和土壤腐蚀性的交流电流密度为腐蚀风险评判依据，ISO也认同将30 A/m2作为管道交流腐蚀风险的临界点[11]。通过查阅相关文献[14]，管道腐蚀速率也受阴极保护水平的影响，即当阴极保护程度一定时，管道腐蚀速率才能和交流电流密度呈一定的函数关系。考虑到埋地金属管道的阴极保护水平参差不齐，避免用交流电流密度评判带来的局限性，故采用交、直流电流密度作为衡量参数。即，主要从管道受杂散电流（环境）干扰和管道自身保护措施两方面构建风险评估指标体系（图1）。以此保证评估指标能多角度、多方位的反映埋地金属管道的腐蚀风险程度，

图1 埋地金属管道腐蚀风险状态评估指标体系

2.2 评估指标量化

2.2.1 交流电流密度

交流电流密度受到涂层破损情况、交流干扰电压以及土壤电阻率等因素影响。故将其作为评价指标可以综合考虑到管道所处环境影响，使得评估结果更为精确、可靠。可以通过式（1）计算得到。

式中 iac——交流电流密度，A/m2

Uac—— —交流干扰电压，V

ρ—— —土壤电阻率，Ω·m2

d—— —破损点直径，m

管道干扰电压主要受输电线的电压等级、负载大小，两者间的并行长度、相隔间距以及交叉跨越时的夹角大小等影响。在实际工程中可以通过商业软件CDEGS仿真得到各条件综合作用下的交流干扰电压值，可利用相关设备进行检测得到。土壤电阻率也可通过相关设备测量得到。针对涂层破损情况，通常认为破损面积在（100～300）mm2时，管道具有最高的腐蚀速率。考虑发生交流腐蚀最严重的情况，取对应100 mm2破损面积下的对应直径，0.0113 m。

2.2.2 阴极保护电流密度

阴极保护电流密度，即为在恒定的保护电位范围内，某一单位的电极表面上流入的电流。在实际工作中，现场测量阴极保护电流密度主要通过测量流入埋地管道的管中阴极保护电流来计算，如式（2）所示。

式中 idc——ab管段中的阴极保护电流密度，A/m2

Ia——测试点a处的保护电流，A

Ib——测试点b处的保护电流，A

D—— —管道外径，m

L—— —ab 管段长度，m

目前，测量管中阴极保护电流的测试方法主要有电位差法、标定法、电流环法等，利用式（2）即可得到特定管段中的阴极保护电流密度。

3 埋地金属管道腐蚀风险评估模型

3.1 各腐蚀速率下交流电流密度计算方法

得到在不同阴极电流密度下对应平均腐蚀速率—交流电流密度数据[15]。结合1.2节所述腐蚀风险状态判定依据，即可收集各临界速率条件下各阴极保护电流密度处的交流电流密度值。

在同一阴极保护电流密度下，管道腐蚀速率与交流电流密度呈正相关的函数关系并满足良好的指数关系；在腐蚀速率一定的条件下，交流电流密度随着阴极保护电流密度的增加而增大。由此表明在较低的阴极保护水平下管道腐蚀风险高，提高阴极保护电流密度可适当降低风险。

故求取腐蚀速率在 0.01 mm/a，0.1 mm/a，1 mm/a，10 mm/a下各阴极保护系统下的交流电流密度值，即可通过曲线拟合得到交流电流密度与阴极保护电流密度共同作用下临界管道腐蚀风险程度。归纳整理得到相关数据如表2所示。

表2 各阴极保护电流密度下平均腐蚀速率与交流密度值

应用曲线拟合的方法，得到在不同腐蚀速率情况下拟合曲线如图2所示，曲线拟合程度均达到了0.95以上。

如图2所示拟合曲线，不同腐蚀速率情况下其拟合曲线的函数关系见（3）～（6）式。

图2 临界腐蚀速率下交流电流密度与阴极保护电流密度的拟合曲线

当腐蚀速率为0.01mm/a时，

当腐蚀速率为0.1mm/a时，

当腐蚀速率为1mm/a时，

当腐蚀速率为10mm/a时，

式中 iac1——管道腐蚀速率为0.01mm/a时交流电流密度值

iac2——管道腐蚀速率为0.1mm/a时交流电流密度值

iac3——管道腐蚀速率为1mm/a时交流电流密度值

iac4——管道腐蚀速率为10mm/a时交流电流密度值

idc——阴极保护电流密度值。

3.2 腐蚀风险等级的确定

结合腐蚀风险评估体系和状态划分原则，管道腐蚀风险等级可由式（7）确定。

式中 iac——实际计算得到的交流电流密度值

iac1——实际阴极保护电流密度下使得管道腐蚀速率为0.01 mm/a的交流电流密度值

iac2——实际阴极保护电流密度下使得管道腐蚀速率为0.1 mm/a的交流电流密度值

iac3——实际阴极保护电流密度下使得管道腐蚀速率为1 mm/a的交流电流密度值

iac4——实际阴极保护电流密度下使得管道腐蚀速率为10 mm/a的交流电流密度值

v—— —管道腐蚀速率，mm/a。

为便于理解，埋地金属管道的腐蚀风险的判定情况具体如图3所示。

图3 管道腐蚀风险判定

3.3 评估流程

考虑输电线路或环境干扰与管道保护系统的相互作用，利用定量评价的方法对指标进行评估，可避免模糊综合评价等将指标离散的方法带来的较大误差。管道腐蚀风险评估流程如图4所示。

4 实例分析

针对输电线路正常情况下埋地金属管道的干扰分析，华北地区某输气管道敷设长度达20 km，管道外径为219 mm，厚度为6.4 mm，埋深为2 m。防护层材料为3PE，并符合国家标准《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》。其中3层PE防腐层电阻率为105Ω·m2，相对介电常数为2.3。管道的阴极保护系统采用强制电流的阴极保护方式，阴极保护电流密度为0.014 A/m2。管道两端为分输站，分输站工艺设备、管道和干线管道均由绝缘法兰相连，管道沿线无接地措施。管道与多条交流输电线路临近并行，现场交流干扰检测表明该管线交流干扰严重，最高电压约为40 V，在测量时段内，交流干扰电压读数相对稳定，变化≤0.5 V，数据测量结果见表3（表中干扰电压为测量时段内的平均值）。管道沿线主要为平原，土壤电阻率大约为（80～100）Ω·m，在本文中视其为均匀土壤层。

图4 管道腐蚀风险评估流程

表3 管道交流干扰测试结果

式中 iac——管道管道交流电流密度，A/m2

Uac—— —交流干扰电压，V

d——涂层破损点直径，m

ρ—— —土壤电阻率，Ω·m

将阴极保护电流密度值0.014 A/m2与交流电流密度值代入腐蚀风险判定图大致可得管道处于腐蚀高风险等级，代入式（5）和式（6）中，计算得到 iac3，iac4。见（9）～（11）式。

考虑到3号桩测量得到的干扰电压最大，计算分析具有代表性。故在此主要详细介绍3号桩所对应管段的腐蚀情况，其余管段结果如表4所示。针对管道的破损点，通常认为破损面积在时，管道具有最高的腐蚀速率，故本文考虑发生交流腐蚀最严重的情况，则取对应破损面积下的对应直径，0.0113 m。

则根据式（1）可得到该管道交流电流密度值iac见式（8）。

最后将值与实际计算得到的交流电流密度值进行比较得到如下结果。

故可得到该段埋地金属管道的腐蚀风险程度为高级别，需要采取一定防护措施，以免腐蚀情况加剧而引发安全事故。

从表4可得，管道所处环境复杂，不同环境下腐蚀风险程度相差比较大。同时，风险最大处所受干扰电压值不一定最大，也会受到土壤环境的影响。因此在监察管理过程中，需要加强管道所处恶劣环境（干扰强、土壤电阻率低）下的防护措施。

表4 各管道段腐蚀情况

5 结论

（1）在管道腐蚀风险评估中，输电线路的交流干扰是影响状态评估的重要因素。故考虑环境干扰和自身保护两方面来建立评估指标体系是合理的。

（2）通过曲线拟合方式对管道腐蚀风险状态进行量化评价，可避免模糊综合评判等半定量方法所带来的较大误差。

（3）该方法在理论上是科学合理的，实践表明基于方法所评价得出的结果与实际情况相符合，证明该方法也是有效的。

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