管道地铁杂散电流干扰腐蚀风险评估与防护措施

张梦梦,徐友鹏,胡贵斌,冯德佳,吴广春,杜雪麟,江远超

(1.安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 102200;2.国家管网集团广东运维中心广东分公司,广州 510000;3.国家管网集团西气东输公司厦门输气分公司,厦门 361000)

随着城市的快速发展,城市对交通运输、能源的需求剧增,轨道交通和油气管道规模日益增大。在有限的城市空间内,城市轨道交通与埋地管道分布越发密集,两者在路由中并行、临近或交叉现象不可避免,管道受轨道交通地铁直流杂散电流干扰越来越严重。地铁杂散电流不仅会加速管道的腐蚀[1-3],还会对阴极保护系统恒电位仪运行产生影响[4-5],导致阴极保护系统运行失效,恒电位仪无法恒电位运行,从而进一步加速管道腐蚀[6-8]。目前,关于管道地铁杂散电流干扰的防护方法主要有牺牲阳极+单向导通装置防护和外加电流阴极保护。其中,牺牲阳极+单向导通装置的防护范围窄[9],多用于局部区域的补充干扰防护;外加电流阴极保护具有输出电流大、保护范围广等特点,得到了较广的工程应用[10-12]。

广东地区某天然气管道采用3PE外防腐蚀层与外加电流阴极保护联合保护的方法,管道材料为X65钢。在日常检测中发现,该段管道受地铁直流杂散电流干扰严重,管道电位波动大且存在长时间电位偏正,恒电位仪运行输出波动大,恒电位输出电流长期为零等状况。该管道全线长约150 km,沿线设置了4座阴极保护站(下文简称CP站),10座阀室,管道阴极保护站、阀室及地铁分布见图1。

图1 管道沿线设施及干扰源分布示意

4座阴极保护站存在间断性恒电位失败报警,但设备仍可恒电位运行,运行中设备电位、电流输出波动大,具体运行情况见表1。在日常检测中发现,沿线1～3号阀室、4～10号阀室管道电位波动大,多时刻管道电位均正于-850 mV(相对于铜/硫酸铜参比电极,vs.CSE),管段阴极保护有效性未知。

表1 阴极保护站运行状况

为此,本工作对沿线管道路由土壤电阻率进行了测试,根据GB/T 21448-2017 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》 标准,给出了合适的最小保护电位。同时,为获得管道阴极保护水平和真实干扰情况,对管道进行了24 h的电位监检测,参考QSY SQ 276-2020《动态直流干扰检测评估与防护技术规范》标准,进行了干扰风险评估。基于现场监测结果和风险评估结论,开展了现场馈电测试,测试结果为后续的现场干扰防护设计提供了参考。

1 现场测试方法

参照GB/T 21246-2020 《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》 标准中的土壤管法,在管道处埋设极化试片,待极化充分后进行24 h阴极保护电参数监检测。试片面积为6.5 cm2,埋深不小于0.5 m,监检测项目包括试片通电电位、断电电位。选用cortalk-Udl2 Data Logger型数据记录仪,通断周期为12 s通电、3 s断电,断电电位于断电后200 ms采集,采样频率为1次·s-1,测试方法如图2所示。利用温纳等距四极法于管道电位监检测位置处进行土壤电阻率测试,电极间距(a)为2 m,测试方法如图3所示。

图2 试片电位测试原理示意

图3 土壤电阻率测试示意

馈电测试一方面利用现有的阴极保护站,调整优化恒电位仪输出参数进行馈电;另一方面考虑后续干扰防护整改供电条件因素,在阀室距管道一定间距范围外(约100 m),临时布置角钢作为辅助阳极开展馈电测试,具体馈电工况如表2所示。单次工况馈电测试时长不小于1 h,馈电测试中利用cortalk-Udl2 Data Logger型数据记录仪对管道沿线测试桩试片进行通断电电位同步监检测。

表2 现场馈电试验工况

参照GB/T 21448-2017标准中最小保护电位与土壤电阻率的关系:(1) 一般土壤的阴极保护电位准则为-0.85 V(vs.CSE);(2) 当土壤电阻率大于100 Ω·m且小于1 000 Ω·m时,要求最小保护电位为-0.75 V(vs.CSE),确定管道沿线的最小保护电位。参考中石油西气东输管道公司基于大量腐蚀检查片的电位测试数据,制定了企业标准QSY SQ 276-2020,并对沿线管道地铁腐蚀风险进行了评估。标准QSY SQ 276-2020规定:(1) 当电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的5%,电位正于保护准则+50 mV的时间不应超过测试时间的2%,电位正于保护准则+100 mV的时间不应超过测试时间的0.9%时,管道腐蚀风险等级为“低”,腐蚀速率小于0.01 mm·a-1;(2) 当电位正于保护准则的时间超过测试时间的20%,或电位正于保护准则+50 mV的时间超过测试时间的15%,或电位正于保护准则+100 mV的时间超过测试时间的8%时,管道腐蚀风险等级为“高”,腐蚀速率大于0.1 mm·a-1;(3) 当电位分布介于“低”和“高”管道腐蚀风险等级之间的电位限值时,管道腐蚀风险为“中”,腐蚀速率为0.01～0.1 mm·a-1。当管道腐蚀风险为“中”或“高”时应采取干扰防护措施。

2 结果与讨论

2.1 管道阴极保护电位状况与干扰风险评估

受地铁杂散电流干扰影响,管道电位呈周期性波动,地铁运行期间管道电位波动大,地铁停运期间管道电位相对稳定。如图4所示,受地铁杂散电流干扰影响,SZHB109处管道电位呈周期性波动,管道断电电位存在长时间不满足最小阴极保护电位要求的情况,夜间管道电位波动可能与临近地铁检修基站检修通电有关。由表3可见:管道受到地铁杂散电流干扰,管道通断电电位出现波动,通电电位最大波动范围为7.59～-9.90 V,断电电位最大波动范围为0.84～-1.75 V;1～3号CP站区间多处管段的管道腐蚀风险等级为“中”或“高”,受地铁杂散电流干扰影响,该区段管道腐蚀风险较高,需采取防护措施;3～4号CP站区间管段腐蚀风险小,仅1处管道腐蚀风险等级为“中”,宜调整该区段阴极保护输出,以确保管道腐蚀防护安全。

表3 管道沿线26个测试桩处的土壤电阻率、24 h电位分布统计及干扰风险评估结果

图4 SZHB109测试桩处管道通断电电位24 h监测结果

现场调查发现,1～3号CP站区间管段路由周围存在2条地铁线路(14号线和21号线),其中,SZHA109、SZHA131测试桩处管道距离地铁14号线最近(约5 km),SZHB160测试桩处管道距离地铁21号线最近(约5 km)。由图5可见,管道主要受地铁14号线、21号线两个干扰源影响,管道距地铁线路间距越大,管道干扰电位波动越小;受阴极保护站阴极保护作用,其附近管道电位波动较小;管道腐蚀风险评定结果显示,在阴极保护站附近区域的管道,其腐蚀风险等级为“低”,远离阴极保护站的管道腐蚀风险增大,腐蚀等级升高为“中”或“高”,阴极保护系统保护管道范围有限,需增设干扰防护措施。

图5 管道沿线通电电位分布与腐蚀风险评估结果

2.2 管道馈电测试结果

为确保管道阴极保护有效,分别对首站至2号CP站管段及2～3号CP站管段进行馈电测试。采用cortalk-Udl2 Data Logger型数据记录仪分别对各区间管段测试桩处的试片进行了通断电电位采集,并基于QSY SQ 276-2020干扰评定办法与馈电前同时刻管道保护状况进行了防护效果对比。

2.2.1 1～2号CP站管段的馈电试验结果

如图6所示,当1号CP站以-1 500 mV恒电位运行时,2号CP站恒电位设置越负,沿线电位正于保护电位准则的比例稍有下降;当1号和2号CP站均以-2 250 mV恒电位运行时,沿线管段电位仍不满足QSY SQ 276-2020保护准则要求,通过调节现有阴保站运行方式实现全管段阴极保护有效是困难的。在调节1号、2号CP站运行参数后,SZHA0087～KP0031段管道电位不满足阴保准则要求,两端管道SZHA0087与KP0031处的保护电位均正于中间位置管道KP0029,可考虑在2号、3号阀室位置新增阴极保护站进行干扰防护。管道距阴极保护站越近,阴极保护电流越大,干扰防护效果越好,但可能存在电位过负导致管道涂层阴极剥离的风险。测试桩KP0029距2号阀室约3 km,断电电位正于阴保准则的比例约为5.25%;为减小涂层剥离风险,优先考虑在3号阀室位置馈电,并在2号阀室补充馈电的防护办法。由图7可见,在阀室处新增CP站后在连续馈电测试下管道断电电位分布监测结果。在3号阀室4 A馈电时,SZHA087、KP0021处管道电位正于保护电位准则比例达11.6%、6.7%,增大3号阀室馈电电流正于保护电位准则比例下降有限;在2号阀室补充2 A馈电时,SZHA087处管道电位正于保护电位比例达约7.6%,接近保护准则要求。此时,1号～2号CP站管段的其余管段电位均满足保护准则要求,管道腐蚀风险等级见表4。

表4 在2号阀室馈电2 A情况下管道干扰风险评估结果

图6 馈电测试中管道沿线断电电位正于标准保护电位的比例 (14号线干扰)

图7 馈电测试中不同位置管道断电电位的监测结果(14号线干扰)

2.2.2 2～3号CP站管段的馈电试验结果

受地铁21号线干扰影响,2～3号CP站管段电位波动大,保护电位长时间正于管道阴极保护准则。为此,对该管段进行了馈电测试,结果如图8所示。在阀室处新增CP站后进行馈电测试,管道电位分布监测结果见图9。调节2号、3号CP站运行参数后,SZHB077+1～SZHB176+32测试桩管段电位正于保护电位准则的比例均大于标准要求,SZHB125测试桩处的最大值约为35.4%;在5号阀室馈电2 A、4 A情况下,SZHB020～SZHB109测试桩管段电位均满足阴保准则要求,5号阀室馈电对SZHB125测试桩处的干扰缓解有限,表现为正于保护电位的比例变化小;在6号阀室馈电1,2,4 A情况下,SZHB148～SZHC055-1+105测试桩管段电位均满足阴保准则要求,SZHB125测试桩管段电位正于保护电位的比例由约22%降低至12%。在6号阀室馈电4 A情况下,管道腐蚀风险等级见表5。

表5 在6号阀室馈电4 A情况下管道干扰风险评估结果

图8 馈电测试中管道沿线断电电位正于标准保护电位的比例(21号线干扰)

图9 馈电测试中不同位置管道断电电位监测结果(21号线干扰)

结合两段管道馈电测试结果,在2号、3号、5号、6号阀室处新增阴极保护站,调整1～2号CP站恒电位-2 250 mV运行,管道全线基本满足标准QSY SQ 276-2020的干扰防护要求。考虑SZHB125测试桩干扰较大,且位于5号与6号阀室之间,为两馈电电流最远端,馈电防护效果相对较差,可考虑在该位置增设镁阳极施以单向导通装置连接进行保护。

3 结论

(1) 通过现场土壤电阻率测试确定了管道最小保护电位,基于企业标准QSY SQ 276-2020和长时间的管道通断电电位监检测结果,对沿线管道地铁腐蚀风险进行了评估。在当前状态下,1～3号CP站管段在地铁杂散电流干扰下的腐蚀风险高,需采取干扰防护措施。

(2) 采用优化阴极保护站输出及现场连续馈电的测试方法,获得了初步的干扰防护措施,即在1号和2号CP站恒电位-2 250 mV运行+3号阀室恒电流4 A运行+2号阀室恒电流2 A运行的情况下,1～2号CP站管段电位满足保护准则要求;在2号和3号CP站恒电位-1 750 mV运行+5号阀室恒电流2 A运行+6号阀室恒电流4 A的情况下,2～3号CP站管段除SZHB125测试桩处管道电位不达标外,其余管段电位均满足保护准则要求,可考虑在SZHB125测试桩处增设镁阳极施以单向导通装置连接进行保护。