摘要：随着经济和科技水平的快速发展，针对交流干扰对埋地管道阴极保护电位的影响，对现场某实际管道开展了现场交流干扰测试，同时建立了交流干扰下的管道电位测试装置，分析了管道电位在不同条件下的变化规律，明确了交流干扰对管道电位的影响机理。实验结果表明，在CP-CP+AC、CP+AC-AC和AC-OCP转变过程中，在不同的交流干扰下，阴极保护电位为-0.85V(SCE)时管道电位偏移程度及方向与阴极保护电位为-1.0V(SCE)和-1.2V(SCE)时表现出相反的特征规律；上述实验现象可通过交流干扰和阴极保护过程中的电子供应和消耗的平衡关系来解释。
关键词：埋地管道；交流干扰；阴极保护电位；X80钢；电荷转移；电位偏移
引言
随着经济和各行各业的快速发展，相应的基础建设大量增加，使油气管网与高压输电网遍布各地，不可避免地出现了架空的高压交流输电线路或交流供电的电气化铁路与埋地管道共用“公共走廊”现象。高压输电线路和城市地铁交流牵引系统的交流电源会使与其平行的埋地金属管道感应出交流电压，由此而产生交流电流，并诱发交流腐蚀。
1现场测试结果分析
干扰管线地处经济发达地区，主要用于海上LNG气化后天然气远输。线路总长为149km，设计压力为6.3MPa，管道规格Φ508mm×7.1mm，管材为X80高强钢，采用加强级3PE防腐层；管道沿途设置3座阴极保护站。为在稳态交流干扰下、不同阴极保护通/断状态下的管道电位测试示意图。如图中所示，将面积为1cm2的X80钢试片通过测试桩与埋地管道相连接，试片与管道埋深相同，裸露阔面背向管道并与管道轴向平行，两者相距30cm；在管道与试片中间设置中断器，设置中断时间为1min；中断器与试片之间并联电压表，电压表红表笔与管道相连接，黑表笔与参比电极（CSE）相连接，打到直流档记录示数，记录数据顺序为“通2min-断1min-通1min”，每10s记录1次试片电位；同时通过土壤pH计测试试片埋设处的土壤pH值并记录。不同测试点处试片上阴极保护电位的变化曲线。测试点处土壤pH=7.1-7.6，为近中性土壤；其交流干扰电压为2.5-8.9V(CSE)，交流电流密度为14.02-84.06A/m2，土壤电阻率为22.61~40.19Ω·m。从图中可以看出，在第1阶段“通2min”内，试片电位在一定较小的范围内进行波动，其中测试点4和35处的阴极保护电位位于标准所要求的阴极保护电位范围内〔-0.85--1.2V(CSE)〕，而测试点7和30处的阴极保护电位正于要求的-0.85V(CSE)，推测可能是由于阴极保护不足或存在其他交/直流杂散电流导致的，但是在这一个阶段，4个测试位置处的试片电位均保持稳定。当中断器处于“断开”状态时，即在第2阶段“断1min”内，试片电位迅速上升，此时即为在当前环境下X80钢试片的自然电位，可以看出在所考虑的稳态交流干扰下，X80钢试片正向偏移的程度表现出不同的规律，但是在第2阶段，试片电位波动程度也较大。当阴极保护重新连通，即进入第3阶段“通1min”阶段时，试片电位迅速负向偏移，但是在测试时间内，电位仍正于第1阶段内电位，无法迅速达到之前的状态；推测随着第3阶段时间的推移，试片电位均逐渐负向偏移，逐渐趋向于第1阶段的状态
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图3为交流干扰电压和交流电流密度与阴极保护电流正向偏移的关系。从图中可以看出，与交流干扰电压相比，交流电流密度与试片电位正向偏移值呈现更好的线性关系，这是因为交流电流密度体现了直接作用在试片上的干扰大小，而交流干扰电位中包含了土壤、防腐层等因素影响。因此在后续的工作中将采用交流电流密度开展相关实验。
2不同条件下管道电位变化研究
2.1实验设置
在上述现场测试结果分析的基础上，在实验室中建立了不同交流电流密度和阴极保护条件下的管道电位测试实验装置，如图4所示，整个实验装置包含两个回路。
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回路1为交流干扰回路，其中交流电流密度通过交流信号源施加，频率设置为与高压交流输电线路相同的工频频率（50Hz），将X80钢试片与交流信号源一极相连接，另一极设置为石墨电极，设置输出为正弦交流电流信号。回路2为阴极保护回路，在本文中，阴极保护通过电化学工作站PARSTAT2263恒电位模式施加，主要以工作电极（WE）X80钢试片（化学成分见表1；裸露面积为1cm2，除留有一个阔面外，其他面通过环氧树脂封装，并在背部焊接一根连接铜导线）与辅助电极（CE）Pt电极形成阴极保护回路，通过电压表V1和参比电极R1监测所施加的阴极保护电位；同时通过电化学工作站本身设置阴极保护的通断。
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为防止两个回路之间的相互干扰，在回路1中串联电容以屏蔽直流信号，在回路2中串联电感以屏蔽交流信号；通过电压表V2和参比电极R2测试不同交流电流密度和阴极保护信号下的X80钢试片的电位。参比电极R1和R2采用饱和甘汞电极（SCE，在本文中忽略SCE和CSE电位的差异，两者的差异约为0.0224V，测得的电位包含IR降）；为了避免测试数据受到电化学工作站（阴极保护输出）的干扰，采用两个参比电极并对其电位进行校正，使得两者差值不超过1mV。实验用土壤模拟溶液采用分析纯NaHCO3和去离子水配置，溶度为0.02mol/L，通过冰醋酸调节溶液pH值为近中性环境，并记录土壤模拟溶液的实际pH值。每组实验设置5个测试阶段，每个阶段300s，每60s记录一次数据：①自然腐蚀阶段OCP；②阴极保护阶段CP；③阴极保护和交流干扰共同作用阶段CP+AC；④交流干扰阶段AC；⑤第2个自然腐蚀阶段OCP。阴极保护电位分别为：-0.85、-1.0和-1.2V(SCE)，交流电流密度分别为10、30、50、100A/m2。
2.2实验结果
不同AC和CP下X80钢试片在不同阶段的电位变化情况（pH=7.1-7.2）。从图中可以看出，在近中性的NaHCO3溶液中，X80钢的自腐蚀电位均约为-0.72V(SCE)。GB/T21448—2008标准中指出，一般情况下，管道的阴极保护电位应处于-0.85~-1.2V(CSE)之间，因此根据上述准则，在本文中选取了-0.85、-1.0和-1.2V(SCE)作为实验条件（忽略CSE和SCE的电位差异）。-①在0-300s范围内，X80钢试片自腐蚀电位基本稳定在-0.72V(SCE)。②当对其施加阴极保护后，试片电位迅速负移至-0.85V(SCE)并在300-600s范围内保持稳定。③在600s时，启动交流干扰源施加4个不同数值的交流电流密度对试片进行干扰，可以看出，试片电位与预想结果不一致：均发生正向偏移或负向偏移；从初始时刻（660s）来看，当IAC=10A/m2和30A/m2时，试片电位正向偏移；而当IAC=50A/m2和100A/m2时，试片电位负向偏移。当IAC=10、30和100A/m2时，在第3阶段（600-900s）范围内，试片电位基本保持稳定，而当IAC=50A/m2时，随着时间的推移，试片电位逐渐正向偏移，最终略正于第2阶段试片的阴极保护电位。④当到达第4阶段时（900-1200s），阴极保护断开，只存在交流干扰，此时试片电位均出现大幅度正向偏移，并且在整个阶段范围内基本保持稳定；同时与第3阶段初始时刻的电位相比，第4阶段初始时刻的电位正向偏移程度随着交流电流密度的增大而减小。
结语
电绝缘性作为管道阴极保护发挥效用的一个必要条件，起着至关重要的作用。在日常情况下，接地系统与金属管道的搭接，在导致管道电绝缘性失效的情形中较为突出，值得引起设计和运行等诸多方面的重视，应从顶层设计、施工组织等多方面开展误搭接清查，尽最大可能在物理上做好管道与接地系统之间的电绝缘。
参考文献：
[1]祝悫智，段沛夏，王红菊，等.全球油气管道建设现状及发展趋势[J].油气储运，2015，34（12）：1262-1266.
[2]严琳，赵云峰，孙鹏，等.全球油气管道分布现状及发展趋势[J].油气储运，2017，36（5）：481-486.
作者简介：
王刚，1985-09-04，高级工程师，发电一次设计，东北电力设计院，人民大街4368号。
李?玮（1970-），女，硕士研究生，正高级工程师，主要从事电气一、二专业技术及管理工作。
赵建宁，1979-11-28，助理工程师，发电厂电气主管，东营市东营港经济开发区大唐东营发电有限公司。