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油氣管道的雜散電流腐蝕與防護(hù)

文檔作者：曹阿林１２朱慶軍２侯保榮２張勝濤１文檔來源：１．重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院２．中國科學(xué)院海洋研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年04月29日
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基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院與中國海洋石油總公司科技合作項(xiàng)目（０８０６１００６）
油氣管道的雜散電流腐蝕與防護(hù)
曹阿林１、２，　朱慶軍２，　侯保榮２，　張勝濤１
（１．重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶４０００３０；２．中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島２６６０７１）
　　摘　要：　闡述了雜散電流對油氣管道腐蝕的基本原理、特點(diǎn)，針對雜散電流的特點(diǎn)，提出了防
止雜散電流對油氣管道腐蝕的措施。
　　關(guān)鍵詞：　雜散電流；　油氣管道；　排流保護(hù)
中圖分類號：ＴＵ９９６；ＴＤ６１１　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ　文章編號：１０００－４４１６（２００９）０３－０Ｂ０６－０４
ＳｔｒａｙＣｕｒｒｅｎｔＣｏｒｒｏｓｉｏｎｏｎＯｉｌａｎｄＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅａｎｄＩｔｓＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ＣＡＯＡｌｉｎ，?。冢龋眨眩椋睿绐玻辏酰?，?。龋希眨拢幔铼玻颍铮睿?，　ＺＨＡＮＧＳｈｅｎｇｔａｏ
　?。粒猓螅簦颍幔悖簦骸。裕瑁澹猓幔螅椋悖穑颍椋睿悖椋穑欤澹幔睿洌悖瑁幔颍幔悖簦澹颍椋螅簦椋悖螅铮妫螅簦颍幔悖酰颍颍澹睿簦悖铮颍颍铮螅椋铮睿铮睿铮椋欤幔睿洌纾幔螅穑椋穑澹欤椋睿?
ａｒｅｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｒａｙｃｕｒｒｅｎｔ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｆｏｒｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｏｉｌａｎｄｇａｓｐｉｐｅ
ｌｉｎｅｆｒｏｍｓｔｒａｙｃｕｒｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．
　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：?。螅簦颍幔悖酰颍颍澹睿?；?。铮椋欤幔睿洌纾幔螅穑椋穑澹欤椋睿?；?。澹欤澹悖簦颍椋悖幔欤洌颍幔椋睿幔纾澹穑颍铮簦澹悖簦椋铮?
　　隨著我國能源和交通工業(yè)的發(fā)展，我國油氣管
道與電力線路、電氣化鐵路的里程迅速增加。由于
地理位置的限制，在油氣管道與電力線路、電氣化鐵
路的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中不可避免地出現(xiàn)了并行敷設(shè)
的情況。由電力線路、電氣化鐵路產(chǎn)生的雜散電流
會對油氣管道產(chǎn)生巨大的危害。遼河油田到鞍山化
肥廠的天然氣管道在投產(chǎn)１４個月后就出現(xiàn)多起雜
散電流引起的腐蝕穿孔事故，被迫長時間停產(chǎn)，開挖
大修。鄭州煤氣公司在某電廠附近的一段輸氣管道
受電廠雜散電流的影響，也多次出現(xiàn)穿孔泄漏，嚴(yán)重
威脅管道和人身的安全。由此可見，雜散電流對油
氣管道會產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕作用。因此，開展雜散電流
引起的油氣管道的腐蝕與防護(hù)研究，對保障油氣管
道的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。
１　雜散電流的形成
雜散電流是指在規(guī)定電路或意圖電路之外流動
的電流，又稱迷走電流［１］。雜散電流主要表現(xiàn)為直
流電流、交流電流和大地中自然存在的地電流３種
狀態(tài)，且各自具有不同的特點(diǎn)。直流雜散電流主要
來源于直流電解設(shè)備、電焊機(jī)、直流輸電線路；交流
雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路、輸配電線路
系統(tǒng)，通過阻性、感性和容性耦合在相鄰的管道或金
屬體中產(chǎn)生交流雜散電流，但交流雜散電流對鐵腐
蝕較輕微，一般為直流腐蝕量的１％；由于地磁場的
變化感應(yīng)出來的地雜散電流，一般情況下只有約２
μＡ／ｍ２，從腐蝕角度看并不重要。以電氣化鐵路車
輛直流供電牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的直流雜散電流是造成油
氣管道雜散電流腐蝕的主要原因。
在電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統(tǒng)中，列車
所需要的電流由牽引變電所提供，通過架空線向列
車供電，然后經(jīng)行走軌回流至牽引變電所。理想情
況下行走軌電阻為０，行走軌對大地的泄漏電阻無
窮大，此時經(jīng)行走軌回流的電流等于牽引電流，即所
有的電流都經(jīng)行走軌回流至牽引變電所。但實(shí)際上
行走軌的電阻不為０，當(dāng)有電流通過時就形成了電
位差，并且行走軌對大地的泄漏電阻也不會為無窮
·Ｂ０６·
第２９卷　第３期
２００９年３月
煤氣與熱力
ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ
Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．３
Ｍａｒ．２００９
萬方數(shù)據(jù)
大，這就不可避免地造成了部分電流不經(jīng)行走軌回
流，而是流入大地，然后通過大地回流至牽引變電
所。若鐵路附近有導(dǎo)電性能較好的埋地金屬管道
（燃?xì)夤艿?、輸油管道、供水管道等），則部分電流會
選擇電阻率較低的埋地金屬管道作為電流回流路
徑，從牽引變電所附近的管道中流出流回牽引變電
所。雜散電流形成原理見圖１，雜散電流形成原理
等效電路見圖２。
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圖１　雜散電流形成原理
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圖２　雜散電流形成原理等效電路
由圖２可知：
　　?。桑?
＝ Ｉｔ
Ｒｒ Ｒｒ＋Ｒｔ＋Ｒｓ＋Ｒ （１）
　　?。遥溅眩?
Ａ （２）
式中　Ｉｓ
———雜散電流，Ａ
Ｉｔ
———牽引電流，Ａ
Ｒｒ——— 行走軌電阻，Ω
Ｒｔ———負(fù)荷端與大地之間的泄漏電阻，Ω
Ｒｓ———變電所與大地之間的泄漏電阻，Ω
Ｒ———土壤的橫向電阻，Ω
ρ———土壤電阻率，Ω·ｍ
ｌ———負(fù)荷端與變電所之間的距離，ｍ
Ａ———土壤的橫向面積，ｍ２
由于Ａ趨向無窮大，因此Ｒ趨向于零。
則式（１）可以簡化為：
　　?。桑?
＝ ＩｔＲｒ Ｒｒ＋Ｒｔ＋Ｒｓ
（３）
由式（３）可知，在牽引電流一定的情況下，雜散
電流隨著行走軌電阻的增大而增大，隨著泄漏電阻
的增大而減小。
雜散電流流入土壤以后就會產(chǎn)生地電場，土壤
中不同地電位之間便有電流流動，兩個不同區(qū)域之
間電位差越大，電流就越大。當(dāng)土壤全部都是均勻
的介質(zhì)時，電流分布也相對均勻。如果土壤中埋置
有油氣管道時，管道中的雜散電流密度與土壤中的
雜散電流密度之比見式（４）［２、３］：
　　?。辏埃?
＝４δρ
Ｄρ０
（４）
式中　ｊ０
———管道中的雜散電流密度，ｍＡ／ｍ２
ｊ———土壤中的雜散電流密度，ｍＡ／ｍ２
δ———管壁厚度，ｍｍ
Ｄ———管道內(nèi)徑，ｍｍ
ρ０———管道電阻率，Ω·ｍ
因?yàn)棣眩荆睛眩?，所以雜散電流基本上沿油氣管道
流動，不再流經(jīng)土壤。
２　雜散電流的腐蝕原理
雜散電流進(jìn)入金屬管道的地方帶負(fù)電，這一區(qū)
域稱為陰極區(qū)，處于陰極區(qū)的管道一般不會受影響，
若陰極區(qū)的電位值過大時，管道表面會析出氫，而造
成防腐層脫落。當(dāng)雜散電流經(jīng)金屬管道回流至變電
所時，金屬管道帶正電，成為陽極區(qū)，金屬以離子的
形式溶于周圍介質(zhì)中而造成金屬體的電化學(xué)腐蝕。
因此雜散電流的危害主要是對金屬管道、混凝土管
道的結(jié)構(gòu)鋼筋、電纜等產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，其電化學(xué)腐
蝕過程發(fā)生如下反應(yīng)：
①　析氫腐蝕
陽極反應(yīng)：
　　?。玻疲澹仭玻疲澹玻矗澹?
在無氧酸性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
　　?。矗龋矗澹仭玻龋病?
在無氧中性、堿性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
　　?。矗龋玻希矗澹仭矗希龋玻龋病?
②　吸氧腐蝕
陽極反應(yīng)：２Ｆｅ→２Ｆｅ２＋＋４ｅ－
在有氧酸性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
　　?。希玻矗龋矗澹仭玻龋玻?
在有氧中性、堿性環(huán)境中的陰極反應(yīng)：
　　?。希玻玻龋玻希矗澹仭矗希龋?
當(dāng)油氣管道受到雜散電流電化學(xué)腐蝕時，金屬
腐蝕量和電量之間符合法拉第定律［４］：
　　?。恚剑耍桑?（５）
·Ｂ０７·
ｗｗｗ．ｇａｓａｎｄｈｅａｔ．ｃｏｍ 曹阿林，等：油氣管道的雜散電流腐蝕與防護(hù)　第２９卷　第３期
萬方數(shù)據(jù)
式中　ｍ———金屬腐蝕量，ｇ
Ｋ———金屬的電化學(xué)當(dāng)量，ｇ／（Ａ· ｈ），鐵取
１．０４７ｇ／（Ａ·ｈ）
Ｉ———雜散電流，Ａ
ｔ———時間，ｈ
利用式（５）可以對雜散電流的危害作出大概的
估計(jì)。經(jīng)計(jì)算，１Ａ的雜散電流可以在１年內(nèi)腐蝕
掉９．１３ｋｇ的鋼鐵。
雜散電流腐蝕具有局部集中特征，當(dāng)雜散電流
通過油氣管道防腐層的缺陷點(diǎn)或漏鐵點(diǎn)流出時，在
該部位管道將產(chǎn)生激烈的電化學(xué)腐蝕，短期內(nèi)就可
以造成油氣管道的穿孔事故。防腐層的缺陷點(diǎn)或漏
鐵點(diǎn)愈小，相應(yīng)的電流密度愈大，雜散電流的局部集
中效應(yīng)愈突出，腐蝕速度愈快。
３　雜散電流的防護(hù)
由于雜散電流對油氣管道的安全存在著極大威
脅，因此必須采取相應(yīng)的措施對雜散電流進(jìn)行防護(hù)。
對雜散電流的防護(hù)應(yīng)從以下兩個方面著手：從源頭
上控制雜散電流的形成，減小雜散電流；對已產(chǎn)生的
雜散電流采取排流或者其他方法降低雜散電流對油
氣管道的腐蝕危害。
３．１　從源頭上控制雜散電流的形成
由于行走軌本身具有電阻，當(dāng)有電流流過時，就
會產(chǎn)生電位差，而且行走軌對地的泄漏電阻不可能
無窮大，因此會產(chǎn)生雜散電流。由式（１）可知，當(dāng)牽
引電流一定時，雜散電流隨著行走軌電阻的增大而
增大，隨著泄漏電阻的增大而減小，因此要從源頭上
控制雜散電流的形成，必須減小行走軌電阻、增大泄
漏電阻，可以采取以下幾種方法：
①　增加單根行走軌的長度，減少行走軌間的
電阻。單根行走軌越長，行走軌之間的接頭越少，行
走軌的電阻就越小，從行走軌向外流失的雜散電流
就越少。
②　各段行走軌之間都應(yīng)有暢通的電氣連接，
以減少行走軌之間的接縫電阻，保證低電阻的回流
路徑。
③　縮短供電半徑，增設(shè)變電所。當(dāng)供電半徑
縮短以后，供電網(wǎng)絡(luò)的電壓降隨之而降低，行走軌上
的電位差也隨之而降低，因此流過油氣管道的雜散
電流就會減少。
④　增加行走軌對地的泄漏電阻。枕木的端面
和道釘必須經(jīng)過絕緣處理或設(shè)置專門的絕緣層，行
走軌采用點(diǎn)支撐。
⑤　增大油氣管道的電阻。油氣管道外部的覆
蓋層要求完整無針孔，與金屬管道結(jié)合牢固，增大管
道的電阻，減小雜散電流的流入量。
３．２　排流防護(hù)措施［５］
把油氣管道中流動的雜散電流直接流回至電氣
化鐵路的行走軌，需要將油氣管道與鐵路的行走軌
用導(dǎo)線做電氣上的連接，這一做法稱為排流法。利
用排流法保護(hù)油氣管道不受雜散電流的危害，稱為
排流防護(hù)措施。排流保護(hù)法可以分為直接排流法、
極性排流法、強(qiáng)制排流法和接地排流法。
①　直接排流法。把油氣管道與電氣化鐵路的
負(fù)極或行走軌用導(dǎo)線直接連接起來。這種方法不需
要排流設(shè)備，簡單，造價低，排流效果好。但當(dāng)管道
的對地電位低于行走軌對地電位時，行走軌電流將
流入管道內(nèi)而產(chǎn)生逆流。因此這種排流方法只適合
管地電位永遠(yuǎn)高于軌地電位、不會產(chǎn)生逆流的場所，
而這種機(jī)會不多，限制了該方法的應(yīng)用。
②　極性排流法。由于負(fù)荷的變動，變電所負(fù)
荷分配的變化等，管地電位低于軌地電位而產(chǎn)生逆
流的現(xiàn)象比較普遍。為防止逆流，使雜散電流只能
由管道流入行走軌，必須在排流線路中設(shè)置單向?qū)?
通的二極管整流器、逆電壓繼電器等裝置，這種裝置
稱為排流器，這種防止逆流的排流法稱為極性排流
法。極性排流法安裝方便，應(yīng)用廣泛。
③　強(qiáng)制排流法。就是在油氣管道和行走軌的
電氣接線中加入直流電流，促進(jìn)排流的方法。在管
地電位正負(fù)極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)
時，可以采用此防護(hù)措施。通過強(qiáng)制排流器將管道
和行走軌連通，雜散電流通過強(qiáng)制排流器的整流環(huán)
排放到行走軌上，當(dāng)無雜散電流時，強(qiáng)制排流器給管
道提供一個陰極保護(hù)電流，使管道處于陰極保護(hù)狀
態(tài)。強(qiáng)制排流法防護(hù)范圍大，鐵路停運(yùn)時可對油氣
管道提供陰極保護(hù)，但對行走軌的電位分布有影響，
需要外加電源。
④　接地排流法。此法與前３種排流方法不盡
相同。管道上的排流電纜并不是直接連接到行走軌
上，而是連接到一個埋地輔助陽極上，將雜散電流從
管道上排出至輔助陽極上，經(jīng)過土壤再返回到行走
軌上。接地排流法使用方便，但效果不顯著，需要輔
助陽極，還要定期更換輔助陽極。
·Ｂ０８·
第２９卷　第３期　煤氣與熱力ｗｗｗ．ｇａｓａｎｄｈｅａｔ．ｃｏｍ
萬方數(shù)據(jù)
４　結(jié)語
雜散電流會對油氣管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕危害，
嚴(yán)重威脅到油氣管道的運(yùn)行安全，縮短油氣管道的
使用壽命，因此必須采取防護(hù)措施對雜散電流產(chǎn)生
的電化學(xué)腐蝕進(jìn)行控制，減少對油氣管道的危害。
首先，要從源頭上控制雜散電流的形成，減小雜散電
流；其次，對油氣管道采用合適的排流方法進(jìn)行排
流。雖然雜散電流對油氣管道帶來了很多危害，但
是只要采取合理有效的防護(hù)措施，就能減少其對油
氣管道的危害，達(dá)到防護(hù)與治理的目的。
參考文獻(xiàn)：
［１］　唐明華．油氣管道陰極保護(hù)［Ｍ］．北京：石油工業(yè)出
版社，１９８６．
［２］　馬洪儒．北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護(hù)［Ｊ］．
城市軌道交通，１９９０，（１）：１１－１９．
［３］　朱孝信．地鐵的雜散電流腐蝕與防治［Ｊ］．材料開發(fā)
與應(yīng)用，１９９７，１２（５）：４０－９７．
［４］　俞蓉蓉．地下金屬管道的腐蝕與防護(hù)［Ｍ］．北京：石
油工業(yè)出版社，１９９８．
［５］　程善勝，張力君，楊安輝．地鐵直流雜散電流對埋地金
屬管道的腐蝕［Ｊ］．煤氣與熱力，２００３，２３（７）：４３５－
４３７．
作者簡介：曹阿林（１９７７－?。?，河南柘城人，博士生，主
要從事管道腐蝕與防護(hù)研究工作。
電話：１３６１５３２９４２０
Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｌｃａｌ２００５＠１２６．ｃｏｍ
收稿日期：２００８－０７－０９；　修回日期：
櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵
２００８－１０－１７
· 信息·
我國將建設(shè)世界最大天然氣管網(wǎng)
據(jù)悉，圍繞西氣東輸主干線，中石油先后建成多條支線，特別是隨著西氣東輸二線工程的全線開工，以珠
江三角洲為目標(biāo)市場的北氣南送格局將成為現(xiàn)實(shí)，中國由此形成世界最大的天然氣管網(wǎng)，對保障國家能源安
全，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)意義重大。
據(jù)了解，西氣東輸工程于２０００年２月正式啟動，２００４年１２月３０日管道全線投入商業(yè)運(yùn)營，全長近
４０００ｋｍ，以新疆塔里木油氣田為主供氣源，以長江三角洲地區(qū)為主要目標(biāo)市場，形成我國能源橫貫東西的
大動脈。
西氣東輸工程貫通后，中石油按照國家十一五能源規(guī)劃，提出了“加快推進(jìn)東北、西北、西南、海上四大
油氣戰(zhàn)略通道和國內(nèi)油氣骨干管網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)筑多元化的油氣供應(yīng)體系”的目標(biāo)，先后建成了冀寧聯(lián)絡(luò)線、淮
武聯(lián)絡(luò)線，接管了長寧線、蘭銀線，管道總長達(dá)６７２２ｋｍ，西段年輸氣能力達(dá)到１７０×１０８ｍ３／ａ，東段達(dá)到１３０
×１０８ｍ３／ａ。實(shí)現(xiàn)了塔里木、長慶、川渝和柴達(dá)木四大氣區(qū)的聯(lián)網(wǎng)，安全供氣網(wǎng)絡(luò)初步形成。
２００８年２月，西氣東輸二線工程開工建設(shè)。根據(jù)規(guī)劃，西氣東輸二線西起新疆霍爾果斯，主干線西段與
西氣東輸一線工程并行，進(jìn)入河南洛陽分支，一支干線繼續(xù)和一線工程并行東達(dá)上海，另一支干線南下經(jīng)武
漢、南昌送至廣州，管道全長９１０２ｋｍ。
西氣東輸二線主要輸送來自中亞地區(qū)的天然氣。中亞天然氣管道于２００８年６月３０日開工建設(shè)，西起
土烏邊境，穿越烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦，在中國新疆霍爾果斯入境與西氣東輸二線對接。西氣東輸二線
與中亞天然氣管道實(shí)現(xiàn)對接后，總長度逾１×１０４ｋｍ，成為迄今為止世界上距離最長、等級最高的天然氣輸送
管道，將從中亞地區(qū)向中國東部和南部地區(qū)穩(wěn)定輸送天然氣約３００×１０８ｍ３／ａ，其間還將實(shí)現(xiàn)塔里木、準(zhǔn)噶
爾、吐哈和鄂爾多斯盆地天然氣資源聯(lián)網(wǎng)。
據(jù)悉，西氣東輸投產(chǎn)運(yùn)行以來，管網(wǎng)已覆蓋７０多個城市，累計(jì)銷售天然氣４２０×１０８ｍ３，成為我國環(huán)渤
海、長江三角洲兩大經(jīng)濟(jì)圈的主供氣源，為促進(jìn)中東部地區(qū)人民生活水平的提高做出了積極貢獻(xiàn)。
（本刊通訊員　供稿）
·Ｂ０９·
ｗｗｗ．ｇａｓａｎｄｈｅａｔ．ｃｏｍ 曹阿林，等：油氣管道的雜散電流腐蝕與防護(hù)　第２９卷　第３期
萬方數(shù)據(jù)

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