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抚顺地区管道直流杂散电流干扰腐蚀及防护的探讨

文档作者：陈敬和何悟忠李绍忠文档来源：东北输油管理局􀀁		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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抚顺地区管道直流
杂散电流干扰腐蚀及防护的探讨
陈敬和􀀁 何悟忠􀀁 李绍忠
东北输油管理局􀀁 沈阳市􀀁 110031
􀀁 􀀁 􀀂摘要 介绍了抚顺地区管道直流杂散电流干扰概
况, 较系统地阐述了直流杂散电流干扰腐蚀的原理、特
点和规律, 对防护方法和措施也进行了较全面地介绍。
文中提到的接地排流、综合治理措施对解决直流杂散
电流干扰具有独到之处, 并在抚顺地区取得了连续十
八年无干扰腐蚀漏油事故的成绩。
关键词: 埋地管道􀀁 杂散电流􀀁 干扰腐蚀􀀁 防腐
1 􀀁 前􀀁 言
抚顺地区是我国的重工业基地, 地下管道纵横交
错, 电气设备众多, 直流电气化铁路沿东西方向横贯市
区。地下的直流杂散电流对埋地钢质管道造成了严重
的干扰腐蚀。东北输油管网处于该地区杂散电流影响
范围的管道有铁抚、抚前、抚鞍、抚计四线计70 余公里
( 本文所述及的管道如无特殊说明均指此部分管道) 。
投产以来, 由于受到杂散电流干扰腐蚀, 该地区输油管
道多次发生腐蚀穿孔漏油事故, 严重影响了输油生产
的正常进行。因此, 该地区管道的排流保护历来是东
北输油管网防腐保护的重点。管道管理部门多次组织
现场调查和测试分析, 并根据不同管道的实际情况采
取了一系列排流保护措施, 取得了显著的效果。本文
将根据多年来对抚顺地区管道杂散电流干扰腐蚀的观
测和排流保护实践, 对该地区管道直流杂散电流干扰
腐蚀的特点、规律及防护措施进行探讨。
2 􀀁 直流杂散电流干扰腐蚀原理
杂散电流是指沿规定回路以外流动的电流。直流
杂散电流的主要来源是直流电气化铁路、直流电解设
备接地极、阴极保护系统中的阳极地床和阴极管道等。
下面以直流电气化铁路引起的杂散电流干扰腐蚀为
例, 说明直流杂散电流腐蚀原理。
直流电气化铁路的电车供电系统由供电所、馈电
线、电车、铁轨等组成, 其馈电方式一般是以负极接铁
轨, 正极接馈电网, 如图1 所示。
图1 􀀁 直流电气化铁路引起的杂散电流干扰腐蚀原理示意图
在电车运行时, 负荷电流一般应经铁轨返回电源
( 称轨回流) 。但当铁轨间连接电阻较大且铁轨与地面
绝缘不良时, 部分负荷电流就会从铁轨与地面绝缘不
良处流入大地( 称地回流) , 成为杂散电流。若管道正
处于此杂散电流的影响范围内, 则杂散电流就会从管
道防腐层的破损处流人管道, 然后从距电车供电系统
负回归线相对而言较近的防腐层破损处流出, 返回铁
轨。
在杂散电流的上述流动过程中, 形成了两个腐蚀
电池。一个是电流流出铁轨进入管道处, 在这里, 铁轨
是腐蚀电池的阳极, 发生腐蚀, 管道为阴极, 不腐蚀; 另
一个是电流流出管道返回铁轨处, 在这里, 管道是腐蚀
电池的阳极, 发生腐蚀, 铁轨则是阴极, 不腐蚀。
在作为阳极的管道处发生的腐蚀实质上是电解腐
蚀, 这是因为外加的杂散电流参与了腐蚀过程, 管道金
属与土壤介质间进行的是电解反应。正因为如此, 杂
散电流干扰腐蚀比一般的土壤腐蚀要剧烈得多。
在分折管道杂散电流干扰状况时, 一般将管道分
为下述三个区域:
( 1) 阴极区: 即杂散电流流人管道的部位。处在该
区域的管道一般不发生腐蚀。
( 2) 阳极区: 即杂散电流流出管道的部位。处在该
区域的管道发生电解腐蚀。
( 3) 交变区: 即阴极区和阳极区间的过渡区域。处
在这一区域的管道电位状况常常很不稳定。
杂散电流的方向和强度与电车的分布状况、电车
的负载情况、铁轨间的接触电阻、铁轨与地面间的绝缘
状况、管道防腐层状况以及土壤电阻等多种因素有关。
第6 期 !施工与维护! 􀀁 􀀁 13
这些因素中的一个或多个发生变化时, 杂散电流的分
布也会发生相应的变化, 反映在管道上, 即表现为管道
的阴极区、阳极区和交变区的分布及杂散电流干扰的
强度也是经常变化的, 有时变化得还相当剧烈。
3 􀀁 抚顺地区直流杂散电流干扰腐蚀的特点和
规律
􀀁 􀀁 为了解抚顺地区直流杂散电流干扰腐蚀的特点和
规律, 管道管理部门从70 年代开始, 先后多次进行了
该地区管道直流杂散电流干扰腐蚀的调查与测试。调
查和测试的项目包括:
管道沿线杂散电流的方向和电位梯度; 管道中流
动的杂散电流; 管道防腐层绝缘电阻; 管道沿线土壤电
阻率; 管道自然电位; 管道保护电位; 轨地电位; 管轨电
压; 管间电压; 排流及阴极保护状况; 电气化铁路( 以下
简称电铁) 运行状况等。
除上述项目外, 为了解杂散电流昼夜变化规律, 对
管道的典型区段, 还进行了24 小时连续测试。
通过调查和测试, 共取得各类原始数据数万余个。
经过对这些数据的整理和分析, 对抚顺地区直流杂散
电流干扰腐蚀的特点和规律有了一个基本的了解。考
虑到数据的时效性, 本文以距现在最近的一次测试结
果为主进行讨论。
3. 1 􀀁 主要的杂散电流源
对抚顺地区杂散电流的多次调查和测试均证明,
影响该地区地下管道的主要杂散电流源为横贯市区的
电铁。该电铁始建于本世纪初, 至今已有80 余年历
史。共有干支线近300km。形成网状分布, 其主要走
向为东西走向。现有车站40 座, 机车130 余台, 年运
输量为2000 万吨。该铁路为直流电气化铁路, 干线机
车驱动电源为直流1500V, 最大牵引电流达6 00A。
在每一区间( 两供电所之间) 一般有几十台机车运行,
平均车隔为3. 5 分钟。机车运行方式为随机加速, 无
规律性。
由于该电铁运行年限长, 轨道与大地间无良好绝
缘, 加上机车驱动电压高, 所以经铁轨泄人大地的电流
量很大。该电铁是抚顺地区的一条运输大动脉, 机车
运行频繁, 因而在大地中形成了复杂的地电场。根据
测试结果分折, 对该地区管道影响较大的电铁有三段,
即三宝屯电铁、大官屯电铁和石油二厂附近电铁。此
三段电铁分别与输油管道的不同管段相邻、相近或交
叉( 电铁与管道分布示意图见图2) , 由此对相关管道
产生直接或间接的影响( 见表1) 。
􀀁 􀀁 从表1 可以看出, 每条管道不仅受到相距较近的
杂散电流源的影响, 而且还会通过相邻管道接受相距
较远的杂散电流源的影响。
表1 􀀁 电铁不同区段及受影响的管道
电铁区
段名称
与管道相对位置
直接受影
响的管道
间接受影响的管道
三宝屯电铁电铁与抚鞍线中段交叉抚鞍线铁抚线、抚计线
大官屯电铁电铁与抚计线末端相邻抚计线
铁抚线、抚鞍线、抚
前线
石油二厂
附近电铁
电铁与抚前线末端较近抚前线
图2 􀀁 抚顺地区管道与电铁分布示意图
3􀀁2 􀀁 管道阴极区、阳极区和交变区的分布
各管道阴、阳极区及交变区分布见表2。从表2
中可以看出, 该地区管道交变区的范围很大, 即使是阳
极区的管道, 在某些时段仍表现出一定的交变特性, 这
是该地区杂散电流干扰腐蚀的一个重要特点。
表2 􀀁 各管道阴、阳极区及交变区分布
线别阴极区范围阳极区范围交变区范围
铁抚线129# ~ 148# 148# ~ 149# + 200m
抚前线3# ~ 15# 0# ~ 2# 、16# ~ 20#
抚鞍线0# ~ 2# 3# ~ 20#
抚计线0# ~ 7# 11# ~ 12#
3. 3 􀀁 杂散电流干扰腐蚀的强度
表3、表4 和表5 分别列出了该地区管道自然电
位的最大值和三宝屯电铁轨地电位、管轨电压的最大
值。从表中数据可见, 该地区杂散电流对管道的干扰
腐蚀强度很大。1989 年, 在抚前线18# + 800m 处曾
发现一个带状蚀坑群, 蚀坑共8 个, 最深已达5mm,
( 蚀坑周围无腐蚀) 属典型的电解腐蚀。由此可见杂散
电流腐蚀能力很强。
表3􀀁 管道自然电位的最大值
线别正电位最大值( V) 负电位最大值( V)
铁抚线4. 000 - 2. 230
铁前线2. 050 - 6. 200
抚鞍线5. 000 - 7. 000
抚计线1. 555 - 5. 700
14 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 管道技术与设备1999 年
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表4􀀁 三宝屯电铁轨地电位最大值
正电位最大值( V) 负电位最大值( V)
48. 30 - 12. 21
表5􀀁 三宝屯电铁管轨电压最大值
正电位最大值( V) 负电位最大值( V)
11. 25 - 52. 43
3. 4 􀀁 管道之间的相互干扰
抚顺地区四条管道在抚顺康乐输油站交汇。多次
测试均表明, 此四条管线之间存在明显的相互干扰, 管
道间形成不稳定的宏腐蚀电池, 加速了各管线相邻管
段的腐蚀。不仅如此, 上述部分管道与该地区东北输
油管网之外的其它管道( 以下称网外管道) 之间也存在
相互干扰。例如抚计线与石油三厂输油管道交叉, 与
石油一厂输油管道相邻; 抚前线与石油二厂输油管道
相邻。因这些网外管道与电铁相距很近, 有的管道还
与电铁交叉, 其所受杂散电流干扰很强, 对与之接近的
东北管网在该地区的管道产生很大影响。
3. 5 管道的防腐层状况
管道防腐层不仅是管道防腐的有效手段, 也是排
流和阴极保护的基础。管道防腐层状况一般通过防腐
层绝缘电阻来判断。1995 年对该地区管道防腐层绝
缘电阻进行了全面测试, 结果表明该地区管道防腐层
状况不佳, 其中抚前线和抚计线管道防腐层质量最差,
抚鞍线和铁抚线防腐层质量稍好些, 但其技术等级也
较低( 多数管段防腐层技术状态等级仅为∀ 可级#) 。这
种状况对管道的排流保护十分不利。
4 􀀁 采取的排流保护措施
自管道投产以来, 管道管理部门为防止杂散电流
对管道的干扰腐蚀, 先后采取了多项排流保护措施。
特别是自80 年代中期以来, 在总结国内外直流排流保
护经验的基础上, 经过不断的研究、探索, 逐步形成了
一套杂散电流干扰腐蚀综合治理的方法。所谓杂散电
流干扰腐蚀综合治理是指在采取排流保护措施前, 对
影响管道排流保护的诸因素进行全面细致的调查; 在
采取排流保护措施时, 根据不同地域、不同管道、不同
管段的具体情况, 采取具有互补作用的多种排流保护
措施; 在排流保护措施实施后, 强化对管道排流保护系
统的监测和管理, 并根据杂散电流干扰状况的变化及
时调整管道排流保护系统的运行。这套方法包括如下
措施:
4. 1 􀀁 排流保护调查和测试
排流保护调查和测试是有效进行管道排流保护的
前提。70 年代以来, 管道管理部门先后组织了四次大
规模的管道排流保护调查和测试, 其间还进行了一些
小规模的测试, 通过这些调查测试, 取得了丰富的原始
数据。经过对原始数据的分析, 对抚顺地区直流杂散
电流干扰腐蚀的特点和规律有了基本的了解, 在此基
础上制定了相应的排流保护方案。
4. 2 􀀁 排流器排流
排流器排流一般分为四种方式: 直接排流、极性排
流、强制排流和接地排流。根据抚顺地区管道干扰腐
蚀的特点, 适用于该地区管道的排流方式只有极性排
流和接地排流。
4. 2. 1 􀀁 极性排流
抚计线末端位于大官屯电铁密集区, 适于极性排
流。因此, 在该管段安装了一套大功率极性排流系统。
该系统运行后, 最大排流电流达100A 以上, 不仅有效
地消除了抚计线杂散电流的干扰腐蚀, 而且改善了抚
顺地区管道沿线杂散电流的分布状况, 缓解了其余三
条管道的杂散电流腐蚀。
4. 2. 2 􀀁 接地排流
因抚顺地区管道绝大多数管段均不在电铁附近,
难以采取直接排流和极性排流等措施, 故只能采用接
地排流方式。自1990 年以来在该地区安装了多套接
地排流系统( 见表6) 。
表6􀀁 已安装的接地排流系统
线别埋设地点埋设时间
铁抚线136# 1990 年
铁抚线149# 1998 年
抚前线0# 北侧1991 年
抚前线0# 南侧1991 年
抚前线5# 1998 年
抚前线7# 1993 年
抚前线19# 1990 年
抚计线11# 1993 年
􀀁 􀀁 这些接地排流系统均设在管道杂散电流干扰的阳
极区及干扰腐蚀重的管段( 铁抚线136# 桩原为阳极
区, 在第四次调查测试时发现杂散电流分布状况发生
了较大变化, 该段管道已变为阴极区) , 对缓解和消除
管道杂散电流干扰腐蚀起到了很大的作用。接地排流
具有适应性强, 受环境影响小, 对相邻管段干扰小和施
工简便等优点, 这种排流方式的大量采用是抚顺地区
管道排流保护的一大特点。
4. 3 􀀁 阴极保护
杂散电流是随时间不断变化的, 在很多时间段, 杂
散电流表现得不十分明显, 这时, 管道的自然腐蚀仍会
第6 期 !施工与维护! 􀀁 􀀁 15
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占据主导地位, 因此排流保护必须与阴极保护相结合
才能有效遏制管道的腐蚀。抚顺地区管道均设有阴极
保护系统, 这些系统在管道防腐保护中起着重要的作
用。
4. 4 􀀁 防腐层管理
为改善抚顺地区管道防腐层绝缘状况, 采取了检、
补漏与大修相结合的方式, 每年均进行管道防腐层的
检漏修补工作, 并于1996 年对防腐层质量很差的抚前
线和抚计线部分管段进行了防腐层大修。通过这些工
作, 提高了管道防腐层质量, 为有效地进行排流保护打
下了较好的基础。
4. 5 􀀁 管道均压
在康乐站四条管道间加设了管道均压装置。这些
装置有助于平衡相邻管道间的电位, 缓解管道间的相
互干扰。
4. 6 􀀁 排流保护系统的管理和监测
排流保护系统的管理和监测是保证管道排流保护
系统正常运行的关键。近十几年来, 该地区管道的排
流保护系统管理采取了日常管理和重点监测相结合的
方式, 对管道排流和阴极保护系统运行的技术参数进
行及时的记录和分析, 对重点管段的排流保护状况进
行重点监测, 并针对杂散电流干扰状况的变化及时调
整排流保护系统的运行情况。
5 􀀁 排流保护的效果
抚顺地区管道的排流保护经过多年的努力, 取得
了显著的成效。
1991 年, 曾对当时的排流保护效果作过一次全面
测试, 结果表明, 实施排流保护后, 各条管道的杂散电
流干扰强度均显著降低, 其中, 铁抚线正电位出现的频
次为0, 抚前线和抚计线也各仅有不足1km 的管道尚
有少量正电位出现, 抚鞍线因尚未实施大规模排流, 正
电位出现的频次较多, 但也较以前有很大改善。
据资料统计, 抚顺地区输油管道长度仅占东北输
油管网总长度的2%左右, 投产初期, 因排流保护不完
善, 该地区管道因杂散电流干扰腐蚀穿孔漏油9 次, 占
同期东北管网管道腐蚀漏油事故的78%。抚鞍线康
乐站段投产不到半年就因杂散电流腐蚀穿孔漏油2
次。采取排流保护措施特别是实施杂散电流干扰腐蚀
综合治理以来, 该地区管道的杂散电流干扰腐蚀得到
了有效的遏制, 自1981 年以来, 该地区管道末再发生
杂散电流腐蚀穿孔漏油事故。排流保护不仅有效保证
了输油管道的安全运行, 而且取得了显著的社会效益
和经济效益。
6 􀀁 结论及建议
( 1) 抚顺地区管道的杂散电流干扰十分严重, 具有
杂散电流源多, 影响范围广, 干扰强度高, 管道间相互
干扰大等特点。
( 2) 抚顺地区管道排流保护的实践证明, 杂散电流
干扰腐蚀综合治理是有效的排流保护方法。
( 3) 管道的排流保护不是一劳永逸的, 而是一项长
期艰苦的工作。必须经常观测杂散电流的变化状况,
排流保护措施必须及时调整和更新, 只有这样, 才能保
证管道得到有效的保护。
参考文献
1 􀀁 中华人民共和国石油工业部部标准∃埋地钢质管道直流排
流保护技术标准%SYJ17
2 􀀁 何悟忠, 王梦成. 管道保护工, 北京: 石油工业出版社, 1998
( 收稿日期: 1999 年6 月20 日)
( 上接第7 页)
表3􀀁 AB、BC 及CD 管段受力计算结果
管段AB 管段BC 管段CD 管段
热变形􀀁L ( mm) 13. 82 17. 77 21. 10
选择膨胀节*
JZ250/ 10- 4,
􀀂x = 28. 1mm
K x = 497N/ mm
JZ350/ 10- 2
􀀂x = 21. 3mm
K x = 1200N/ mm
JZ500/ 16- 2
􀀂x = 21. 1mm
K x = 1296N/ mm
盲板力Fp ( N) 53502. 1 102353. 9 301718. 6
弹性反力Fe ( N) 6868. 5 21324. 0 27345. 6
管段重量W ( N) 9424. 7 22570. 3 45430. 2
支架反力Fa= 60370. 6N
Fb= 79900. 5N
Fc= 249280. 6N
Fd = 374494. 4N
图4 􀀁 空调水4# 管线
( 收稿日期: 1999 年6 月25 日)
16 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 管道技术与设备1999 年

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