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埋地油氣管道雜散電流檢測與防護

文檔作者：李明王曉霖蒲宏斌李天成楊靜陳天佐文檔來源： 1．中國石化撫順石油化工研究院 2．中國石化天然氣分公司 3．中國石化天然氣分公司榆濟管道公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月30日
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第22卷第4期
2014年12月
北京石油化工學院學報
Journal of Beijing Institute of
Petro—chemical Technology
Vo1．22 No．4
Dee．2014
埋地油氣管道雜散電流檢測與防護
李 明 ，王曉霖 ，蒲宏斌 ，李天成。，楊靜 ，陳天佐
(1．中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；2．中國石化天然氣分公司，
北京100011；3．中國石化天然氣分公司榆濟管道公司，山東濟南250000)
摘要：隨著我國長輸油氣管道里程的不斷增長，雜散電流引起的管道腐蝕問題越來越被人們所關
注。基于國內外雜散電流的研究成果，分析了雜散電流的腐蝕機理，介紹了常見的雜散電流干擾源及其
可能造成的嚴重危害，闡述了油氣管道雜散電流判據(jù)和常用的工程測試方法，總結了雜散電流防護措
施。通過工程實例分析了油氣管道雜散電流的判斷、檢測、排流改造及效果。通過對雜散電流進行研究
分析，找出主要問題，探索解決方案，降低雜散電流影響。
關鍵詞：埋地油氣管道；雜散電流腐蝕；雜散電流檢測；雜散電流防護
中圖分類號：TE973；TE88 文獻標志碼：A
近年我國在能源、電力以及交通領域取得
了飛速發(fā)展，這也使得鋪設埋地油氣管道極易
與高壓輸電網(wǎng)、機動軌車等產(chǎn)生平行或交叉，部
分區(qū)段甚至出現(xiàn)了輸電線路、鐵路和埋地油氣
管道集中的走廊現(xiàn)象，由此造成的埋地油氣管
道雜散電流干擾越來越嚴重。如果埋地油氣管
道防腐層出現(xiàn)破損，雜散電流會流人管道通路
并引起管道腐蝕，同時干擾管道陰極保護系統(tǒng)，
從而造成經(jīng)濟損失甚至引發(fā)嚴重的安全事故和
環(huán)境污染。
常規(guī)檢測技術無法較好地檢測油氣管道的
雜散電流，而盲目選擇干擾防護不僅無法起到
積極的減緩作用，還有可能加速腐蝕。因此，針
對埋地油氣管道雜散電流干擾檢測與防護開展
研究是當前管道保護的重要課題之一。
1 雜散電流腐蝕
1．1 雜散電流腐蝕機理及其危害
雜散電流指流動在規(guī)定或設計電路之外的
電流，其流出于規(guī)定回路某處，通過大地、水等
媒介傳輸至其他地方后流回規(guī)定電路口]。如果
收稿日期：2014—05—18
基金項目：中國石油化工集團公司資助項目(313042)。
作者簡介：李明(1982一)，男，博士，工程師，研究方向為金屬
腐蝕檢測與防護，E—mail：upclmm@126．corn。
油氣管道位于雜散電流流動的地方，由于金屬
相比于媒介電阻較小，雜散電流會流過管道通
路。雜散電流流過管道時由于電位差會形成腐
蝕電池，從而在電流流入處形成陰極區(qū)并發(fā)生
陰極反應，而在電流流出處形成陽極區(qū)并發(fā)生
陽極反應。陽極反應即為管道金屬失去電子被
氧化而發(fā)生腐蝕，即雜散電流腐蝕，而陰極反應
通常隨管道外界環(huán)境而有所不同心]。
管道雜散電流腐蝕歸屬于電化學反應中的
電解作用 ]。為了從本質上分析雜散電流腐蝕
的機理，國內外學者提出了許多理論，如尼爾森
提出了交流雜散電流堿化機理和振動模型[4 ]，
但這些理論只能解釋特定條件下的雜散電流腐
蝕行為，無法詮釋普遍現(xiàn)象。
雜散電流的流動過程形成了2個由外加電
位差建立的腐蝕電池，從而加速了金屬管道的
腐蝕。雜散電流正電荷從土壤進入金屬管道的
區(qū)域，其電位較高，屬于腐蝕電池的陰極區(qū)，陰
極區(qū)一般不會受到影響，當陰極區(qū)電位過大時，
管道會發(fā)生消耗電子的陰極還原反應，表面會
析氫。雜散電流流出管道經(jīng)土壤返回電流源
時，管道流出電流的區(qū)域電位相對較低，屬于腐
蝕電池的陽極區(qū)，發(fā)生金屬原子放出電子轉變
成離子態(tài)的陽極氧化反應。
陽極極化階段主要發(fā)生Fe的陽極溶解
5O 北京石油化工學院學報 2014年第22卷
反應：
Fe—} Fe。 + 2e
在中性或堿性土壤中，F(xiàn)e 和OH一生成
Fe(OH)2：
Fe2++ O H — Fe(OH)2
Fe(OH)。在0。和H。O 的作用下將生成
難溶的Fe(OH)。：
4Fe(OH)2 4-O2 4-2H 2O —+ 4Fe(OH)3
Fe(OH)。不穩(wěn)定，會發(fā)生以下轉化：
Fe(OH)3一FeOOH
Fe(OH)3+ Fe2O3·3H2O — Fe2O3+ 3H 2O
其中，F(xiàn)eOOH為赤色腐蝕產(chǎn)物，F(xiàn) O。·3H。O
則呈黑色，經(jīng)干燥脫水后轉化為黃褐色
的Fe OI 。
無雜散電流時，土壤腐蝕電池兩極的電位
差僅為0．35 V，而有雜散電流時管地電位會高
達8～9 Vl7]，使得雜散電流腐蝕強度高且速度
快，對埋地油氣管道的使用壽命和安全運行產(chǎn)
生很大影響。雜散電流腐蝕的嚴重程度遵循法
拉第定律(與流出的雜散電流量成正比，與金屬
材料的電化學當量成正比，與金屬材料的電化
學當量成正比)，即：
NIt
m 一
式中 優(yōu)—— 雜散電流造成的金屬腐蝕量，g；
N— — 管道金屬的原子質量；
— — 雜散電流強度，A；
— — 雜散電流對受影響管道的作用時
間(流出的時問)，S；
F—— 法拉第常數(shù)。
雜散電流在單位面積的管體上產(chǎn)生腐蝕的
速度表示為：
V 一 一 I
因此，可以計算理論上1 A 的雜散電流在
一年內可以腐蝕溶解鋼鐵大約9 kg，但實際土
壤中在管道上引起的雜散電流也可達數(shù)十甚至
數(shù)百安培，當流出的面積較小時，管道局部雜散
電流腐蝕速度非常迅猛，因而壁厚達7～8 mm
的鋼管在數(shù)月內即可導致腐蝕穿孔。如果埋地
油氣管道的外涂層發(fā)生破損，涂層破損處的管
道接地阻抗會急劇下降，所以雜散電流腐蝕經(jīng)
常集中于埋地管道涂層缺陷處。
此外，雜散電流也會影響管道的陰極保護
效率。埋地油氣管道在無雜散電流干擾時，可
以使用傳統(tǒng)的～850 mV(CSE，以下相同)極化
電位判據(jù)和一100 mV極化判據(jù)評判其陰極保
護系統(tǒng)，但若存在雜散電流干擾，則保護電流密
度和腐蝕電流密度都會大幅增加，進而對陰極
保護系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響。研究表明，埋
地管道受到交流雜散電流干擾時，盡管其管地
電位滿足傳統(tǒng)的一850 mV 準則，仍會發(fā)生交
流腐蝕 j。
1．2 雜散電流的分類和主要來源
雜散電流干擾來源較多，依據(jù)干擾電流性
質可歸類為交流電流干擾、直流電流干擾和地
電流干擾Ⅲ9]。交流電流干擾通常是由交流電流
的傳輸、感應和接地引發(fā)，如交流電氣鐵路、高
壓輸電線路等。直流電流干擾通常發(fā)生于工作
電路或電力設備中需要多處接地的境況，如直
流電氣鐵路、陰極保護系統(tǒng)以及其他直流用電
器等。地電流干擾主要是由地磁場變化感生
出；此外，大氣中離子轉移產(chǎn)生的空地電流、地
中的物質和溫度不均勻引起的電動勢以及各種
宏電池形成的電位差等均可引發(fā)自然地電
流[9j。地電流對埋地油氣管道的干擾變化較
大，通常地磁場變動引發(fā)的地電流約為2 uA／
m 左右，對管道腐蝕危害相對較小，但不同的
宏電池可產(chǎn)生0．2～0．4 V 的電位差，應當給與
相應的重視。
依據(jù)造成電流干擾的類型，雜散電流分為
靜態(tài)電流干擾和動態(tài)電流干擾 ]。靜態(tài)電流干
擾往往是因為遭受到外界其他電流的干擾而產(chǎn)
生，如陽極地床、輸配電系統(tǒng)等；動態(tài)電流干擾
多來自軌道輸運系統(tǒng)，如電氣軌車。
2 雜散電流判據(jù)及其檢測
2．1 雜散電流的判斷標準
管道雜散電流干擾首先可通過腐蝕發(fā)生處
的腐蝕形貌和產(chǎn)物以及土壤環(huán)境來進行判別。
管道發(fā)生雜散電流腐蝕時，腐蝕表面較為平滑
且邊緣齊整，腐蝕產(chǎn)物呈炭黑色細粉形，而自然
腐蝕銹層疏松，表面較粗糙且邊緣不齊整；同時
雜散電流腐蝕在較高土壤電阻率環(huán)境中
(>10 000 Q·cm)難以發(fā)生，而自然腐蝕幾乎
在所有土壤環(huán)境中均可發(fā)生。
對直流雜散電流腐蝕，歐洲標準BS EN
50162-2004{直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的
第4期 李明等．埋地油氣管道雜散電流檢測與防護 51
防護》中指出可以依據(jù)管地電位偏移、管地電位
波動、管中電流以及地電位梯度方法進行評判。
其中對管地電位偏移，不同國家標準規(guī)定亦不
同：英國規(guī)定埋地管道的管地電位正向偏移2O
mV為存在干擾，德國采用埋地管道管地電位
正向偏移100 mV，而日本則規(guī)定埋地管道管地
電位正向偏移50 mV。我國石油天然氣行業(yè)標
準中對通過管地電位偏移和地電位梯度指標對
直流雜散電流腐蝕判別進行了規(guī)定l1 ，若管道
管地電位相比于其自然電位正向偏移超過
20 mV或者管道附近地電位梯度大于0．5 mV／
In，可以認定有直流干擾；而當管道管地電位正
向偏移超過100 mV或管道附近地電位梯度大
于2．5 mV／m 時，應及時采取排流等防護
措施。
對交流雜散電流腐蝕，目前國外主要從人身
安全與管道腐蝕2個角度進行研究。德國標準
DIN CEN／TS 15280-2006 地下管道交流腐蝕
概率的評定一應用于陰極防護管道中規(guī)定，安裝
有陰極保護系統(tǒng)的埋地管線，當陰保電位符合保
護電位要求時，可以通過交流電流與陰保電流的
比值來評判管道是否存在交流雜散電流腐蝕危
害，如表1所示，同時還可以計算交流電流密度
來判斷交流干擾的程度，如表2所示。我國對交
流排流保護的石油天然氣行業(yè)標準要求管道實
施排流后，干擾電流電位在堿性土壤中不大于
10 V，中性土壤中不大于8 V，酸性土壤不大于
6 V口 ，國內新制定的國家標準也采用了交流電
流密度作為評價交流干擾大小指標，其中規(guī)定當
管道上任意一點的交流干擾電壓都小于4 V時，
可以不實施交流干擾防護；高于4 V時應當利用
交流電流密度對其評估口 。
表1 交直流電流密度比與交流干擾可能性關系
交流干擾可能性 ／AC／IDC
發(fā)生交流腐蝕的可能性很小 <5
可能發(fā)生交流腐蝕，需要進一步研究確定 5～ 10
應該采取減囂輕交 流腐蝕的措施 > ～。
表2 交流干擾程度指標
交流干擾程度
弱
自
強
交流電流密度／(A ·m )
< 30
30～ 100
> 100
2．2 雜散電流檢測方法
雜散電流檢測主要包括雜散電流確認測試
和干擾源定位測試。傳統(tǒng)的雜散電流測試方法
包括管地電位偏移測試法、管地電位波動連續(xù)
監(jiān)測、地電位梯度測試、電壓和電流檢查及腐蝕
掛片測量等多種手段。
現(xiàn)代雜散電流測試技術已向智能化測試發(fā)
展。目前，使用較多且較先進的雜散電流干擾
測試儀是英國雷迪公司研制的雜散電流智能測
試儀(Stray Current Mapper，SCM)l1 。他可
以實現(xiàn)管道電流流入點、流出點的準確定位，干
擾防護效果確定，管道陰保電流分布檢測，管地
電位和干擾電流同步檢測，動、靜態(tài)雜散電流干
擾測量，評價雜散電流干擾而為排流防護提供
依據(jù)等多項功能_】 。相比其他雜散電流干擾
測試技術，SCM 在動、靜態(tài)雜散干擾上具有巨
大的優(yōu)勢，但SCM 儀器目前在現(xiàn)場應用時還
缺乏相應的評價標準給與支撐，檢測人員較多
都依靠測量管地電位和干擾電流的波動大小來
判斷干擾程度，因此檢測過程對檢測人員要求
較高，同時該儀器價格較為昂貴。國內近些年
也對雜散電流智能測試技術進行了大量的研
發(fā)，如中國科學院金屬研究所研制的SCM一
4200型智能雜散電流測量儀等¨1 ，盡管這些
儀器部分程度的可以滿足實際需求，但還需要
做大量的實踐檢驗和完善工作。目前國外檢測
儀器的價格整體較高，而國產(chǎn)儀器尚無法完全
滿足實際應用需求，因此現(xiàn)場仍較多采用傳統(tǒng)
方法進行雜散電流測試，效果不是很理想。
3 管道雜散電流腐蝕防護
3．1 避開干擾源
管道在勘察設計階段就應做好雜散電流防
護工作，即在滿足設計的安全要求前提下避開可
能的電流干擾源，如工廠、輸電線網(wǎng)、鐵路等；對
已經(jīng)遭受電流干擾的管段應當加設絕緣法蘭等
裝置，從而將干擾段管與其他管段分隔。輸氣管
道工程設計標準中規(guī)定 引，除管道專用的隧道
和橋梁外，線路嚴禁通過鐵路和公路的隧道、橋
梁、大型客運站和變電所等；交流排流保護行業(yè)
標準中規(guī)定l1 ，管道與10 kV或35 kV高壓輸電
線排流點距離2．5 m，而與I10 kV和220 kV的
高壓輸電線排流點距離15 m和30 m。
3．2 排流保護
排流保護是利用排流設備將管道上的雜散
電流引回電氣設備或引至接地極，從而改變管
52 北京石油化工學院學報 2014年第22卷
道極性來達到保護目的。排流保護根據(jù)電氣回
路的連接方式可分為直接排流、極性排流、強制
排流和接地排流。排流施工完成后可通過排流
前后管道正電位平均值的變化來判斷管道排流
效果，平均值計算時取點不少于3個且應包含
排流點、干擾最大點和最小點口 。
3．3 陰極保護
陰極保護法是利用電化學方法原理來使被
保護的管道處于陰極電位。陰極保護法可以采
用犧牲陽極或者強制電流2種方式。陰極保護
法適用范圍較為廣泛，如埋地管道、梁橋、熱交
換器等均可適用。
3．4 雜散電流監(jiān)測
必須長期對管道進行雜散電流監(jiān)測，隨時
掌握油氣管道雜散電流變化，根據(jù)監(jiān)測結果及
時調整和更新防護措施。
4 工程實例
(1)某輸氣管道與110 kV高壓輸電線路近
距離伴行約6 km，其中間距最近處只有5 m。
管道日常檢測中發(fā)現(xiàn)該段陰保電位異常，懷疑
存在交流干擾。依據(jù)管道交流干擾防護國家標
準對該管段進行交流干擾測試l】 。測試結果
表明，極化電位滿足管道陰保電位要求，但管地
交流電位全部超過4 V，最高達到27 V；交流電
流密度計算表明，個別測試樁交流電流密度高
于100 A／m ，交流干擾程度為“強”，必須采取
相應交流干擾防護措施；部分測試樁的交流電
流密度大于3O A／m ，依據(jù)標準其交流干擾程
度為“中”，宜采取相應的防護措施。
為確保管道安全正常運行，對已確認受到
交流干擾影響和危害的管段采取了排流防護措
施。通過在干擾段管段測試樁處敷設水平鋅
帶，并將鋅帶通過固態(tài)去耦合器連接至管道的
方式進行了排流防護。排流防護施工結束后進
行雜散電流檢測，管地交流電位顯著下降并滿
足相關技術標準，同時交流電流密度亦滿足技
術要求，達到排流防護要求，很好地解決了干擾
段管道的交流干擾問題。
(2)某輸氣管道H常檢測發(fā)現(xiàn)管道的管地
電位長期波動很大，推斷管道受到較強的雜散
電流干擾，進而影響管道陰極保護系統(tǒng)的正常
運行?，F(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)該輸氣管道與一成品油管
道同溝敷設并通過均壓線進行聯(lián)合保護，同時
輸氣管道與另一燃氣管道存在交叉和并行。此
外，該輸氣管道與高鐵并行，間距6O～200 m，
在此區(qū)段內管道還與地鐵線路存在平行，間距
約2．4 km，平行范圍約3 km。管地電位監(jiān)測
發(fā)現(xiàn)地鐵運營時間段內，管道保護電位波動較
大，波動范圍為+300～ 一1 500 mV，電位波動
最大點處地電位梯度高達3．6 mV／m。由干擾
時間規(guī)律初步判定干擾源來自于地鐵線路。在
干擾段利用SCM 智能雜散電流測試儀進行管
中電流檢測；首先通過檢測電流強度初步判定
雜散電流流人區(qū)域，進一步通過地電位梯度及
雜散電流強度檢測確定準確的雜散電流流人
點，確定出雜散電流是通過高鐵軌道接地極流
入到管道。通過SCM 測試軟件進行電流相似
度分析，確定出干擾源為地鐵供電系統(tǒng)直流電
流。由此得出檢測結果，地鐵線路供電系統(tǒng)直
流電流引起的雜散電流，經(jīng)高鐵路軌長距離傳
輸至輸氣管道附近流出，經(jīng)大地傳輸流入輸氣、
成品油及燃氣管道，對這些管道形成強烈的動
態(tài)雜散電流干擾。由SCM 檢測結果制定出相
應保護措施，即在輸氣管道干擾區(qū)段布置鋅帶，
并將鋅帶連接到管道上形成屏蔽網(wǎng)；屏蔽網(wǎng)要
一同覆蓋成品油管道及燃氣管道，形成全面保
護，從而成功解決了管道的動態(tài)雜散電流干擾。
5 結論
埋地油氣管道雜散電流防護，首先要做好
前期雜散電流源頭控制，其次要綜合利用各類
不同檢測、監(jiān)測的判斷方法，系統(tǒng)分析和考慮導
致雜散電流腐蝕的各種因素并制定防護措施。
因此，采用科學合理的預防措施、有效的檢測和
監(jiān)測技術以及綜合治理方法是解決油氣管道雜
散電流腐蝕的重要手段。管道完整性管理已經(jīng)
成為管道儲運行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是我國
油氣管道建設和管理國際化發(fā)展的必然要求。
管道雜散電流檢測防護的各項技術都要匯入管
道完整性管理技術當中，尤其是管道完整性管
理數(shù)據(jù)庫和相應信息平臺的建立，這樣可使同
一檢測方法在不同時期對同一檢測點的雜散電
流數(shù)據(jù)具有較大的可比性，從而較好的排除檢
測中的一些不確定因素，有助于埋地管道腐蝕
防護分析。
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Abstract：W ith the development of long—distance pipeline，the stray current corrosion of buried
oil—gas pipelines has received increasing attention． Based on the relevant references and
documents，the mechanism of stray current was analyzed，and the common sources and harmful
effect of stray current were introduced．The test method and criterion of stray current for buried
pipelines were summarized．Two cases were presented to illustrate the detection and j udgment
methods，as well as the reduction of stray current on buried oil—gas pipelines．The research and a—
nalysis of stay current were beneficial for addressing of the main issues and solutions to decrease
the stray current．
Key words：buried oil—gas pipeline；stray current corrosion；stray current measurement；stray
CI13 rrent red 1L1ction

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