城镇燃气管道动态直流杂散电流检测与防护措施研究

卢俊文 王肖逸 周璐璐 湛立宁 陈 敏

（河北省特种设备监督检验研究院唐山分院 唐山 063000）

随着我国城镇化率的不断提高及燃气取代煤燃料的项目普及，城镇燃气管道数量快速增长，截至2019年全国城镇燃气管网长度已达78.3 万km，且主次干线均为埋地钢制管道，随着管道服役时间的增长，其腐蚀问题是影响管道安全运行的主要因素[1]。由于电气化铁路等公共设施均遵循路权优先设计原则，导致埋地管道与电气化铁路等杂散电流干扰源距离较近[2]，干扰源产生的杂散电流优先从管道某部位流入管道。如果管道外防腐层破损，杂散电流将从破损处流回到土壤中，管道破损点作为阳极失电子被腐蚀，统称为杂散电流腐蚀，埋地金属管道腐蚀泄漏事故的50%以上是由杂散电流造成的。动态直流杂散电流是3 种形态杂散电流（交流、直流、地电流）之一，主要来自直流电气化铁路[3]。本文通过对某燃气公司城镇燃气管道的检验，分析了动态直流杂散电流的检测方法及有效防腐措施。

1 杂散电流腐蚀机理

动态杂散电流是来自其他动态电流设备的干扰电流，如直流电气铁路泄漏到土壤中的杂散电流。铁路变电所将电流输送到供电网上，列车在运行时通过受电弓与供电网接触，将电流传送到列车的用电系统，最后通过车轮流到铁轨并传回铁路变电所，在电流传输过程中，支撑轨道的枕木与大地无法做到彻底绝缘，导致电流泄漏到土壤中形成杂散电流[4]。

当轨道附近有金属管道并行或交叉时，杂散电流势必通过某一个低电阻部位流入埋地金属管道，在其中传播一定距离后从防腐层破损点流出，流出部位形成电化学反应的阳极失去电子被腐蚀，而土壤是一种特殊电解质，电化学反应过程遵循法拉第定律[5]，见式（1）：

式中：

m——消耗金属质量，g；

K—— — 消耗金属化学当量，g／（A·h)， 铁取1.047 g／（A·h)；

I—— —反应电流强度，A；

t—— —电化学反应时间，h。

按式（1）计算：在1 年时间内，杂散电流为1 A 时，即有9.17 kg 铁金属发生反应被腐蚀掉，实际情况是干扰电流强度远大于1 A。如图1 所示为直流电气化铁路对埋地管道腐蚀示意图。

图1 直流电气化铁路对管道腐蚀示意图

2 杂散电流的检测方法与评价指标

2.1 杂散电流检测方法

●2.1.1 土壤表面电位梯度测量

电位梯度法是检测杂散电流的一种简单方法，采用A、B、C、D 4 只便携式硫酸铜参比电极，2 个测量电极之间的距离为100 m，其中A、B 电极连线垂直于被测管道，C、D 电极连线平行于被测管道，用电压表测量A 与B 电极间、C 与D 电极间的电位差。A、B 连线与C、D 连线组成直角坐标系，计算出被测2 个电极之间电压与距离比值，标注出直角坐标系中2个方向的电位梯度，其矢量和数值即为该点的地电位梯度[5]，如图2 所示为土壤表面电位梯度测量方法。

图2 土壤表面电位梯度测量方法

●2.1.2 管地电位正向偏移测试

在埋地管道的测试桩附近插入硫酸铜参比电极，采用近参比法测量，使参比电极尽量靠近埋地金属管道，电压表一端连接参比电极，另一端通过测试桩连接待测管道，所测数值表示管道与参比电极的相对电位差。由于参比电极存在自然本体电位，再用直流电压表连接参比电极与自然腐蚀试片，即可测出参比电极的自然本体电位，相对电位差再加上参比电极的自然电位，即可得出管道的自然电位偏移量。或者临时断开管道的阴极保护系统，测量的管地电位与管道本身的自然腐蚀电位比对，也可得出管地电位偏移值。也可以在测试回路中串接1 个电位数字记录仪，长时间监测管地电位的变化情况，如图3 所示为管地电位正向偏移测试图。

图3 管地电位正向偏移测试图

2.2 杂散电流评价标准

当埋地金属管道中有直流杂散电流通过时，管地电位偏移最小值应大于20 mV，或土壤电位梯度最小值大于0.5 mV／m；当干扰电流程度达到必须采取排流措施时，管地电位正向偏移最小值＞100 mV，或者土壤电位梯度最小值＞2.5 mV／m[5]，动态直流干扰判断标准见表1。

表1 动态直流干扰判断标准

3 杂散电流腐蚀防护措施

3.1 排流保护

●3.1.1 接地排流法

接地排流法是增加1 个埋地辅助阳极，排流电缆直接和辅助阳极连接，将杂散电流排入接地辅助阳极，然后再排向大地，防止了埋地管道本身作为阳极的腐蚀，电流疏散后自然流回到铁轨上，避免了其他与铁轨直接相连的排流方法对铁轨的腐蚀和铁路信号的干扰，在国内是一种常见的排流方式，如图4 所示为接地排流法结构图。

图4 接地排流法结构图

●3.1.2 直接排流法

直接排流法是将埋地金属管道直接与铁轨或负回归线连接，直接将管道中的直流杂散电流排向铁路干扰源，在国外是一种常用的排流方法。在排流回路中串联可调电阻等控制元件来控制排流量的大小，预防排流量过大导致管道防腐层老化剥离[6]。只有在管道对地电位高于铁轨对地电位时才能采用直排法，否则将导致干扰电流再次由铁轨流向低电位的管道中。另外，直排法和铁路干扰源直接连接，必须征得铁路部门同意才能采用，实行难度较大。

●3.1.3 极性排流法

极性排流法是当管道电位低于干扰源电位，防止采用直接排流法产生逆流现象，加装1 个极性排流装置，只允许杂散电流单向流动。当电气化铁轨与管道之间电位差有波动现象时，不影响排流的正常进行；在实施排流操作中，极性排流装置中的二极管正向导电性极好，只产生可以忽略不计的逆向电流，对埋地管道没有二次干扰现象；当发现异常电流时极性排流装置可以自动切断，排除了异常电流损坏设备或再次干扰管道的可能性，可以适用于干扰源波动较大的复杂环境。

●3.1.4 强制排流法

强制排流法就是在埋地管道与铁轨之间，或与接地阳极之间安装1 个整流器，可以实现对电流的控制，当管道与电流接收端有电位差的条件下强制排流，如果接收端为牺牲阳极，就可以和阴极保护系统联合使用。为了达到更好的排流效果，也可以引入智能化阴极保护系统，通过智能测试桩自动测试管地电位数据，并上传到控制终端，控制软件对数据比对后，向管道与接地极之间的整流器发出指令，自动调整补偿电流的大小，将管地电位控制在标准允许的范围内，可达到智能化强制排流目的[6]。

3.2 增加回路电阻

通过增加回路电阻，加大杂散电流进入埋地管道的难度也是一种保护方式[7]。可以在埋地管道上安装绝缘法兰，将管道分成若干段，每段可以单独排流和监控，加大管道内电阻，减缓杂散电流在管道中的流动。经常检查管道外防腐层状态，发现破损点及时修复，减少杂散电流进入管道的突破点，从而阻断或减小杂散电流对管道干扰程度。当管道在运行状态下无法增设排流装置时，例如道路下方的穿越段管道，在管道建设初期应将此段管道设计为3 层加强级防腐，并在穿越道路的进口和出口加装电绝缘装置，阻止杂散电流进入道路下方的穿越段，并在穿越段管道两端埋设辅助阳极，在管道和接地辅助阳极之间加装极性排流器，从而阻断杂散电流的回流再次对管道造成腐蚀。

3.3 阴极保护

牺牲阳极保护在为管道提供保护电流的同时，也可以起到排流作用[8]，同时在排流接地极与管道之间串联1 个极性排流器，可以阻止杂散电流再流回管道[9]。当阴极保护采用强制外加电流方式时，因为动态直流杂散电流随着列车的开停，干扰源电流波动较大，造成管道的管地电位长期处于变化状态，而恒电位仪的输出电流大小不能随时变化，此时应采用智能化阴极保护装置，自动测试埋地管道的断电电位和自然腐蚀电位，通过控制终端软件的数据比对，来判断每个测试桩的阴极保护状态，并优化每个被保护段所需电流数值，传送给远程控制的恒电位仪，来调节保护电流输出值。

4 杂散电流检测与防腐措施的应用

唐山某燃气公司一段19 km 长的埋地燃气管道，其中4.5 km 长的管段与电气化铁路伴行，最近点与铁轨相距50 m。管道设计压力为4.0 MPa、材质为L290M，规格为φ323.9 mm×7.1 mm，铺设时采用了外加电流阴极保护措施，并设置了部分绝缘接头。在管道定期检验时对其进行了杂散电流检测，首先对4.5 km 伴行段管道进行了杂散电流普查，对10 处土壤表面电位梯度进行了检测，其最大值为3.5 mV／m，完成了6 处管地电位的检测，管道电位波动值大于200 mV，说明杂散电流干扰较强，应采取排流保护措施。然后选择距离铁轨最近的0152 号测试桩及相邻的0151 号与0153 号进行了重点检测，采用图3 所示的管地电位测试方法，在测试回路中串接1 个电位数字记录仪，经24 h 连续检测，结果0152 号测试桩管地电位波动最大，波动范围为-1.3 ～1.2 V，0153 号管地电位波动最小，3 个测试点管地电位正向偏移算数平均值V1（+)=0.9 V。

根据检测结果采用了接地排流法，排流点在0151 与0152 测试桩之间距0152 桩130 m 处，并在接地镁阳极和管道之间串接了极性排流器，然后又进行了24 h 监测，结果发现管地电位明显稳定，波动范围为-1.4 ～-0.9 V，管地电位正向偏移算数平均值V2（＋)=0.1 V，排流前后的电位平均值比ηv＞80%，满足了GB／T 19285—2014《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》中规定的直流排流评价效果，如图5 所示为排流前后某时间段管地电位变化曲线。

图5 排流前后某时间段管地电位变化曲线

5 结束语

1）埋地城镇燃气管道的金属腐蚀大部分是杂散电流引起的，尤其是动态杂散电流是腐蚀主要因素，通过测量土壤表面电位梯度、管地电位正向偏移值可以判断干扰电流强度，制定相应防护措施可以消除杂散电流腐蚀。

2）为阻止或减弱杂散电流对埋地金属管道的腐蚀，一般采取合理的排流保护、安装阴极保护设施、增加回路电阻等措施，包括安装电绝缘接头、加强防腐等级、及时修复破损点及对穿越段管道加强特殊处理等。

3）通过对某燃气公司埋地城镇燃气管道的检测，发现土壤表面电位梯度最大值为3.5 mV／m，超出了直流干扰强度的评价标准，采取牺牲阳极加极性排流器的方法，经现场24 h 监测，排流前后管地电位正向偏移平均值比ηv＞80%，达到了直流排流评价效果。