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管道研究

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潮汐能对管道阴极保护系统的影响

来源:《管道保护》杂志 作者:邹德龙1 刘志军2 时间:2019-1-16 阅读:

1.上海道盾科技股份有限公司; 2.沈阳龙昌管道检测中心



1 前言

潮汐能是由潮汐现象产生的能量,包括潮汐和潮流两种运动方式所形成的能量。中国海岸线长度为1.8万公里,海区潮汐资源相当丰富,潮汐类型多种多样。随着沿海埋地管道增多,潮汐能对埋地钢制管道的直流杂散电流干扰问题也随之出现。


2 潮汐能干扰机理

管道电位的波动主要由地电流干扰引起,而地电流是太阳粒子与地磁场相互作用产生的。

带电粒子进入地球大气层,在地磁场作用下发生偏转,在以北极和南极周围为中心的电离层中产生电流环。由于该电喷流的幅度变化和方向变化产生一个变化的磁场,在地球表面或附近的金属导体(管道)上会感应产生一个电场,其原理类似于交流高压输电线引起的感应,如图 1所示。

潮汐能是增加地电流干扰频率和幅度的因素之一,管道越长,防腐层质量越好,管道产生的感应电压越大,如图 2所示。



随着海水的潮涨潮落,在地磁场作用下海峡地带或海湾处会产生电场(图 3),电场在大地中产生地电位梯度,进而干扰管道电位。高潮时,管道侧的地电位梯度大于海岸线侧,管道电位正向偏移,低潮时 则相反;地电位梯度随着高潮时间不断累积,也随之增大,低潮时则相反;所以受干扰管道电位是随着时间缓慢变化的(逐渐正向或负向偏移)。

潮汐能是大自然中客观存在的能量,无法消除。与普通的杂散电流干扰不同,管道各段电位波动情况一致,电流没有固定的流入流出点。沿海岸线敷设或距离海岸线较近的管道均可能受潮汐能干扰。


3 潮汐能干扰案例

3.1 基本情况



如图 4所示,某管线K1―K2管段的65 km管道与海岸线并行, K2位置为该管段终点,管道路由距离海岸10 km~15 km。日常测试中发现该管段直流通电电位间歇发生波动,且时间段比较规律。采用HC﹣069杂散电流记录仪对管道直流电位进行48 h监测,通电电位波动情况如图 5所示。针对规律性的电位波动情况,将全线恒电位仪关机24小时后,再次48 h同步监测管道直流电位,监测位置有K1、 K1与K2中点、 K2。所得电位监测曲线如图6~8所示。



3.2 干扰情况验证

由图 6~8可知,该段管道在48 h内电位波动方向和强弱基本一致,可以看出该管段电位异常波动为同一干扰源所致。该管段直流电位每天都有2次正向偏移和2次负向偏移(相较于自然电位﹣0.7 VCSE),在凌晨1:30电位达到最正,经查询烟台潮汐时间表(表 1,来源于天气网),对照监测管道电位波动日期及时间, K1位置管道电位变化与潮汐时间关系如 表 2所示。

从结果可知,管道直流电位随潮汐的高潮—低潮—高潮发生而变化,且在高潮或低潮时,正向偏移或负向偏移达到峰值。

为了进一步验证潮汐能对管道阴极保护电位的干扰,选择不同日期进行电位监测,图 9为恒电位仪开启状态下管道电位监测曲线。监测日期内K1管道电位变化与潮汐时间关系如表 3所示。


    


可以看出,管道电位变化的极值与潮汐产生的高潮和低潮时间点有极大相关性,均是在高潮时管道电位正向偏移,低潮时管道电位负向偏移。因此推断直流电位波动受潮汐能干扰所致。


4 潮汐能干扰危害

短时间的电位正向偏移不会对管道的阴极保护效果产生影响,但如果经常长时间发生电位正向偏移,便有可能发生严重的腐蚀。

日常测试管道断电电位时,可以断开阴极保护电流,但无法断开地电流产生的电压降V t,这会产生很大的电位测试误差(图 10),因此采用垂直管道放置2个试片的方法测试管道通断电位曲线(图 11)。


      


可以看出,通电电位如果在偏负状态下剧烈波动,断电电位维持在一个稳定的状态,并可以达到有效阴极保护(﹣0.85 VCSE~﹣1.2 VCSE)。如果通电电位长时间处于正向偏移状态,断电电位很难达到阴极保护准则要求(﹣0.85 VCSE~﹣1.2 VCSE),这极大地增加了腐蚀风险。

澳大利亚标准AS 2832.1―2015规定:①对存在地电流干扰影响的位置要求对结构进行地电流影响的测试时,通常必须记录20 h的电位。如果采用数据记录仪监测电位,其采样频率应不低于1次/min。②受地电流影响的结构的电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的10%。确定电位的变化幅度时,应对记录期间电离层扰动的程度进行评价。

受潮汐能干扰的管道通电电位近17%的时间持续正于﹣0.85 VCSE,断电电位未达到﹣0.85 VCSE的时间也超过10%,故需要对管道采取一系列措施来缓解 干扰。


5 潮汐能干扰的缓解及维护建议

(1)管道阴极保护采用强制电流与牺牲阳极联合保护的方式

其目的是在不损害阴极保护效果的前提下,提供安全的低电阻对地泄流路径,只要土壤电阻率足够低,能够使牺牲阳极有效输出电流,且排除一部分电流,沿线分布的牺牲阳极就会有效缓解地电流腐蚀影响(图 12)。



(2)管道沿线埋设试片用于日常通断电位测试或用来进行腐蚀状况监测

由于大地中存在的地电位梯度无法消除,传统的管道通电电位、断电电位测试已经无法准确评估管道真实的阴极保护状况。为了消除地电流影响,可以埋设参比管以及双试片或环形试片来准确测试管道阴极保护状况,如图 13所示。



(3)监测腐蚀速率

潮汐能干扰对埋地管道腐蚀的影响目前尚无更多案例。为了准确监测并验证是否对管道阴极保护效果及管道腐蚀产生影响,建议在距离海岸线相对较近位置设置阴极保护智能监测设备及ER腐蚀速率测试探头进行同步监控。


参考文献:

[1]  GB 50991―2014 埋地钢质管道直流干扰防护技术标准[S].

[2]  GB/T 21448―2017 埋地钢质管道阴极保护技术规范[S] .

[3]  GB/T 21447―2018 钢质管道外腐蚀控制规范[S].

[4]  GB/T 21246―2007 埋地钢制管道阴极保护参数测量方法[S].

[5]  SY/T 0029―2012 埋地钢质检查片应用技术规范[S].

[6]  胡士信.阴极保护工程手册.北京:化学工业出版社.1999.

[7]  AS 2832.1―2004, Cathodic protection of metals Part1:Pipes and cables[S].

[8]  CP3-Cathodic Protection Technologist course manual.

 

作者:邹德龙,上海道盾科技股份有限公司压力管道检验员。

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