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埋地油气管道杂散电流检测与防护

文档作者：李明王晓霖蒲宏斌李天成杨静陈天佐文档来源： 1．中国石化抚顺石油化工研究院 2．中国石化天然气分公司 3．中国石化天然气分公司榆济管道公司		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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第22卷第4期
2014年12月
北京石油化工学院学报
Journal of Beijing Institute of
Petro—chemical Technology
Vo1．22 No．4
Dee．2014
埋地油气管道杂散电流检测与防护
李 明 ，王晓霖 ，蒲宏斌 ，李天成。，杨静 ，陈天佐
(1．中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001；2．中国石化天然气分公司，
北京100011；3．中国石化天然气分公司榆济管道公司，山东济南250000)
摘要：随着我国长输油气管道里程的不断增长，杂散电流引起的管道腐蚀问题越来越被人们所关
注。基于国内外杂散电流的研究成果，分析了杂散电流的腐蚀机理，介绍了常见的杂散电流干扰源及其
可能造成的严重危害，阐述了油气管道杂散电流判据和常用的工程测试方法，总结了杂散电流防护措
施。通过工程实例分析了油气管道杂散电流的判断、检测、排流改造及效果。通过对杂散电流进行研究
分析，找出主要问题，探索解决方案，降低杂散电流影响。
关键词：埋地油气管道；杂散电流腐蚀；杂散电流检测；杂散电流防护
中图分类号：TE973；TE88 文献标志码：A
近年我国在能源、电力以及交通领域取得
了飞速发展，这也使得铺设埋地油气管道极易
与高压输电网、机动轨车等产生平行或交叉，部
分区段甚至出现了输电线路、铁路和埋地油气
管道集中的走廊现象，由此造成的埋地油气管
道杂散电流干扰越来越严重。如果埋地油气管
道防腐层出现破损，杂散电流会流人管道通路
并引起管道腐蚀，同时干扰管道阴极保护系统，
从而造成经济损失甚至引发严重的安全事故和
环境污染。
常规检测技术无法较好地检测油气管道的
杂散电流，而盲目选择干扰防护不仅无法起到
积极的减缓作用，还有可能加速腐蚀。因此，针
对埋地油气管道杂散电流干扰检测与防护开展
研究是当前管道保护的重要课题之一。
1 杂散电流腐蚀
1．1 杂散电流腐蚀机理及其危害
杂散电流指流动在规定或设计电路之外的
电流，其流出于规定回路某处，通过大地、水等
媒介传输至其他地方后流回规定电路口]。如果
收稿日期：2014—05—18
基金项目：中国石油化工集团公司资助项目(313042)。
作者简介：李明(1982一)，男，博士，工程师，研究方向为金属
腐蚀检测与防护，E—mail：upclmm@126．corn。
油气管道位于杂散电流流动的地方，由于金属
相比于媒介电阻较小，杂散电流会流过管道通
路。杂散电流流过管道时由于电位差会形成腐
蚀电池，从而在电流流入处形成阴极区并发生
阴极反应，而在电流流出处形成阳极区并发生
阳极反应。阳极反应即为管道金属失去电子被
氧化而发生腐蚀，即杂散电流腐蚀，而阴极反应
通常随管道外界环境而有所不同心]。
管道杂散电流腐蚀归属于电化学反应中的
电解作用 ]。为了从本质上分析杂散电流腐蚀
的机理，国内外学者提出了许多理论，如尼尔森
提出了交流杂散电流碱化机理和振动模型[4 ]，
但这些理论只能解释特定条件下的杂散电流腐
蚀行为，无法诠释普遍现象。
杂散电流的流动过程形成了2个由外加电
位差建立的腐蚀电池，从而加速了金属管道的
腐蚀。杂散电流正电荷从土壤进入金属管道的
区域，其电位较高，属于腐蚀电池的阴极区，阴
极区一般不会受到影响，当阴极区电位过大时，
管道会发生消耗电子的阴极还原反应，表面会
析氢。杂散电流流出管道经土壤返回电流源
时，管道流出电流的区域电位相对较低，属于腐
蚀电池的阳极区，发生金属原子放出电子转变
成离子态的阳极氧化反应。
阳极极化阶段主要发生Fe的阳极溶解
5O 北京石油化工学院学报 2014年第22卷
反应：
Fe—} Fe。 + 2e
在中性或碱性土壤中，Fe 和OH一生成
Fe(OH)2：
Fe2++ O H — Fe(OH)2
Fe(OH)。在0。和H。O 的作用下将生成
难溶的Fe(OH)。：
4Fe(OH)2 4-O2 4-2H 2O —+ 4Fe(OH)3
Fe(OH)。不稳定，会发生以下转化：
Fe(OH)3一FeOOH
Fe(OH)3+ Fe2O3·3H2O — Fe2O3+ 3H 2O
其中，FeOOH为赤色腐蚀产物，F O。·3H。O
则呈黑色，经干燥脱水后转化为黄褐色
的Fe OI 。
无杂散电流时，土壤腐蚀电池两极的电位
差仅为0．35 V，而有杂散电流时管地电位会高
达8～9 Vl7]，使得杂散电流腐蚀强度高且速度
快，对埋地油气管道的使用寿命和安全运行产
生很大影响。杂散电流腐蚀的严重程度遵循法
拉第定律(与流出的杂散电流量成正比，与金属
材料的电化学当量成正比，与金属材料的电化
学当量成正比)，即：
NIt
m 一
式中 优—— 杂散电流造成的金属腐蚀量，g；
N— — 管道金属的原子质量；
— — 杂散电流强度，A；
— — 杂散电流对受影响管道的作用时
间(流出的时问)，S；
F—— 法拉第常数。
杂散电流在单位面积的管体上产生腐蚀的
速度表示为：
V 一 一 I
因此，可以计算理论上1 A 的杂散电流在
一年内可以腐蚀溶解钢铁大约9 kg，但实际土
壤中在管道上引起的杂散电流也可达数十甚至
数百安培，当流出的面积较小时，管道局部杂散
电流腐蚀速度非常迅猛，因而壁厚达7～8 mm
的钢管在数月内即可导致腐蚀穿孔。如果埋地
油气管道的外涂层发生破损，涂层破损处的管
道接地阻抗会急剧下降，所以杂散电流腐蚀经
常集中于埋地管道涂层缺陷处。
此外，杂散电流也会影响管道的阴极保护
效率。埋地油气管道在无杂散电流干扰时，可
以使用传统的～850 mV(CSE，以下相同)极化
电位判据和一100 mV极化判据评判其阴极保
护系统，但若存在杂散电流干扰，则保护电流密
度和腐蚀电流密度都会大幅增加，进而对阴极
保护系统产生不同程度的影响。研究表明，埋
地管道受到交流杂散电流干扰时，尽管其管地
电位满足传统的一850 mV 准则，仍会发生交
流腐蚀 j。
1．2 杂散电流的分类和主要来源
杂散电流干扰来源较多，依据干扰电流性
质可归类为交流电流干扰、直流电流干扰和地
电流干扰Ⅲ9]。交流电流干扰通常是由交流电流
的传输、感应和接地引发，如交流电气铁路、高
压输电线路等。直流电流干扰通常发生于工作
电路或电力设备中需要多处接地的境况，如直
流电气铁路、阴极保护系统以及其他直流用电
器等。地电流干扰主要是由地磁场变化感生
出；此外，大气中离子转移产生的空地电流、地
中的物质和温度不均匀引起的电动势以及各种
宏电池形成的电位差等均可引发自然地电
流[9j。地电流对埋地油气管道的干扰变化较
大，通常地磁场变动引发的地电流约为2 uA／
m 左右，对管道腐蚀危害相对较小，但不同的
宏电池可产生0．2～0．4 V 的电位差，应当给与
相应的重视。
依据造成电流干扰的类型，杂散电流分为
静态电流干扰和动态电流干扰 ]。静态电流干
扰往往是因为遭受到外界其他电流的干扰而产
生，如阳极地床、输配电系统等；动态电流干扰
多来自轨道输运系统，如电气轨车。
2 杂散电流判据及其检测
2．1 杂散电流的判断标准
管道杂散电流干扰首先可通过腐蚀发生处
的腐蚀形貌和产物以及土壤环境来进行判别。
管道发生杂散电流腐蚀时，腐蚀表面较为平滑
且边缘齐整，腐蚀产物呈炭黑色细粉形，而自然
腐蚀锈层疏松，表面较粗糙且边缘不齐整；同时
杂散电流腐蚀在较高土壤电阻率环境中
(>10 000 Q·cm)难以发生，而自然腐蚀几乎
在所有土壤环境中均可发生。
对直流杂散电流腐蚀，欧洲标准BS EN
50162-2004{直流系统中杂散电流引起腐蚀的
第4期 李明等．埋地油气管道杂散电流检测与防护 51
防护》中指出可以依据管地电位偏移、管地电位
波动、管中电流以及地电位梯度方法进行评判。
其中对管地电位偏移，不同国家标准规定亦不
同：英国规定埋地管道的管地电位正向偏移2O
mV为存在干扰，德国采用埋地管道管地电位
正向偏移100 mV，而日本则规定埋地管道管地
电位正向偏移50 mV。我国石油天然气行业标
准中对通过管地电位偏移和地电位梯度指标对
直流杂散电流腐蚀判别进行了规定l1 ，若管道
管地电位相比于其自然电位正向偏移超过
20 mV或者管道附近地电位梯度大于0．5 mV／
In，可以认定有直流干扰；而当管道管地电位正
向偏移超过100 mV或管道附近地电位梯度大
于2．5 mV／m 时，应及时采取排流等防护
措施。
对交流杂散电流腐蚀，目前国外主要从人身
安全与管道腐蚀2个角度进行研究。德国标准
DIN CEN／TS 15280-2006 地下管道交流腐蚀
概率的评定一应用于阴极防护管道中规定，安装
有阴极保护系统的埋地管线，当阴保电位符合保
护电位要求时，可以通过交流电流与阴保电流的
比值来评判管道是否存在交流杂散电流腐蚀危
害，如表1所示，同时还可以计算交流电流密度
来判断交流干扰的程度，如表2所示。我国对交
流排流保护的石油天然气行业标准要求管道实
施排流后，干扰电流电位在碱性土壤中不大于
10 V，中性土壤中不大于8 V，酸性土壤不大于
6 V口 ，国内新制定的国家标准也采用了交流电
流密度作为评价交流干扰大小指标，其中规定当
管道上任意一点的交流干扰电压都小于4 V时，
可以不实施交流干扰防护；高于4 V时应当利用
交流电流密度对其评估口 。
表1 交直流电流密度比与交流干扰可能性关系
交流干扰可能性 ／AC／IDC
发生交流腐蚀的可能性很小 <5
可能发生交流腐蚀，需要进一步研究确定 5～ 10
应该采取减嚣轻交 流腐蚀的措施 > ～。
表2 交流干扰程度指标
交流干扰程度
弱
自
强
交流电流密度／(A ·m )
< 30
30～ 100
> 100
2．2 杂散电流检测方法
杂散电流检测主要包括杂散电流确认测试
和干扰源定位测试。传统的杂散电流测试方法
包括管地电位偏移测试法、管地电位波动连续
监测、地电位梯度测试、电压和电流检查及腐蚀
挂片测量等多种手段。
现代杂散电流测试技术已向智能化测试发
展。目前，使用较多且较先进的杂散电流干扰
测试仪是英国雷迪公司研制的杂散电流智能测
试仪(Stray Current Mapper，SCM)l1 。他可
以实现管道电流流入点、流出点的准确定位，干
扰防护效果确定，管道阴保电流分布检测，管地
电位和干扰电流同步检测，动、静态杂散电流干
扰测量，评价杂散电流干扰而为排流防护提供
依据等多项功能_】 。相比其他杂散电流干扰
测试技术，SCM 在动、静态杂散干扰上具有巨
大的优势，但SCM 仪器目前在现场应用时还
缺乏相应的评价标准给与支撑，检测人员较多
都依靠测量管地电位和干扰电流的波动大小来
判断干扰程度，因此检测过程对检测人员要求
较高，同时该仪器价格较为昂贵。国内近些年
也对杂散电流智能测试技术进行了大量的研
发，如中国科学院金属研究所研制的SCM一
4200型智能杂散电流测量仪等¨1 ，尽管这些
仪器部分程度的可以满足实际需求，但还需要
做大量的实践检验和完善工作。目前国外检测
仪器的价格整体较高，而国产仪器尚无法完全
满足实际应用需求，因此现场仍较多采用传统
方法进行杂散电流测试，效果不是很理想。
3 管道杂散电流腐蚀防护
3．1 避开干扰源
管道在勘察设计阶段就应做好杂散电流防
护工作，即在满足设计的安全要求前提下避开可
能的电流干扰源，如工厂、输电线网、铁路等；对
已经遭受电流干扰的管段应当加设绝缘法兰等
装置，从而将干扰段管与其他管段分隔。输气管
道工程设计标准中规定 引，除管道专用的隧道
和桥梁外，线路严禁通过铁路和公路的隧道、桥
梁、大型客运站和变电所等；交流排流保护行业
标准中规定l1 ，管道与10 kV或35 kV高压输电
线排流点距离2．5 m，而与I10 kV和220 kV的
高压输电线排流点距离15 m和30 m。
3．2 排流保护
排流保护是利用排流设备将管道上的杂散
电流引回电气设备或引至接地极，从而改变管
52 北京石油化工学院学报 2014年第22卷
道极性来达到保护目的。排流保护根据电气回
路的连接方式可分为直接排流、极性排流、强制
排流和接地排流。排流施工完成后可通过排流
前后管道正电位平均值的变化来判断管道排流
效果，平均值计算时取点不少于3个且应包含
排流点、干扰最大点和最小点口 。
3．3 阴极保护
阴极保护法是利用电化学方法原理来使被
保护的管道处于阴极电位。阴极保护法可以采
用牺牲阳极或者强制电流2种方式。阴极保护
法适用范围较为广泛，如埋地管道、梁桥、热交
换器等均可适用。
3．4 杂散电流监测
必须长期对管道进行杂散电流监测，随时
掌握油气管道杂散电流变化，根据监测结果及
时调整和更新防护措施。
4 工程实例
(1)某输气管道与110 kV高压输电线路近
距离伴行约6 km，其中间距最近处只有5 m。
管道日常检测中发现该段阴保电位异常，怀疑
存在交流干扰。依据管道交流干扰防护国家标
准对该管段进行交流干扰测试l】 。测试结果
表明，极化电位满足管道阴保电位要求，但管地
交流电位全部超过4 V，最高达到27 V；交流电
流密度计算表明，个别测试桩交流电流密度高
于100 A／m ，交流干扰程度为“强”，必须采取
相应交流干扰防护措施；部分测试桩的交流电
流密度大于3O A／m ，依据标准其交流干扰程
度为“中”，宜采取相应的防护措施。
为确保管道安全正常运行，对已确认受到
交流干扰影响和危害的管段采取了排流防护措
施。通过在干扰段管段测试桩处敷设水平锌
带，并将锌带通过固态去耦合器连接至管道的
方式进行了排流防护。排流防护施工结束后进
行杂散电流检测，管地交流电位显著下降并满
足相关技术标准，同时交流电流密度亦满足技
术要求，达到排流防护要求，很好地解决了干扰
段管道的交流干扰问题。
(2)某输气管道H常检测发现管道的管地
电位长期波动很大，推断管道受到较强的杂散
电流干扰，进而影响管道阴极保护系统的正常
运行。现场调研发现该输气管道与一成品油管
道同沟敷设并通过均压线进行联合保护，同时
输气管道与另一燃气管道存在交叉和并行。此
外，该输气管道与高铁并行，间距6O～200 m，
在此区段内管道还与地铁线路存在平行，间距
约2．4 km，平行范围约3 km。管地电位监测
发现地铁运营时间段内，管道保护电位波动较
大，波动范围为+300～ 一1 500 mV，电位波动
最大点处地电位梯度高达3．6 mV／m。由干扰
时间规律初步判定干扰源来自于地铁线路。在
干扰段利用SCM 智能杂散电流测试仪进行管
中电流检测；首先通过检测电流强度初步判定
杂散电流流人区域，进一步通过地电位梯度及
杂散电流强度检测确定准确的杂散电流流人
点，确定出杂散电流是通过高铁轨道接地极流
入到管道。通过SCM 测试软件进行电流相似
度分析，确定出干扰源为地铁供电系统直流电
流。由此得出检测结果，地铁线路供电系统直
流电流引起的杂散电流，经高铁路轨长距离传
输至输气管道附近流出，经大地传输流入输气、
成品油及燃气管道，对这些管道形成强烈的动
态杂散电流干扰。由SCM 检测结果制定出相
应保护措施，即在输气管道干扰区段布置锌带，
并将锌带连接到管道上形成屏蔽网；屏蔽网要
一同覆盖成品油管道及燃气管道，形成全面保
护，从而成功解决了管道的动态杂散电流干扰。
5 结论
埋地油气管道杂散电流防护，首先要做好
前期杂散电流源头控制，其次要综合利用各类
不同检测、监测的判断方法，系统分析和考虑导
致杂散电流腐蚀的各种因素并制定防护措施。
因此，采用科学合理的预防措施、有效的检测和
监测技术以及综合治理方法是解决油气管道杂
散电流腐蚀的重要手段。管道完整性管理已经
成为管道储运行业发展的必然趋势，也是我国
油气管道建设和管理国际化发展的必然要求。
管道杂散电流检测防护的各项技术都要汇入管
道完整性管理技术当中，尤其是管道完整性管
理数据库和相应信息平台的建立，这样可使同
一检测方法在不同时期对同一检测点的杂散电
流数据具有较大的可比性，从而较好的排除检
测中的一些不确定因素，有助于埋地管道腐蚀
防护分析。
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Reduction of Stray Current
on Buried Oil--Gas Pipelines
LI M ing ，W ANG Xiao—lin ，PU Hong—bin ，
LI Tian—cheng。，YANG Jing ，CHEN Tian—ZHO
(1．Fushun Research Institute of Petroleum and Petro—chemical，SINOPEC，Fushun 113001，
Liaoning，China；2．Natural Gas Company，SINPEC，Beijing 100011，China；
3．Natural Gas Company Yu—Ji Pipeline Corporation，SINPEC，Jinan 250000，China)
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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