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1、中石化长输油气管道检测公司（论文）杂散电流金属板屏蔽法对金属板的模拟实验（赵磊）（中石化长输油气管道检测公司）摘 要 杂散电流腐蚀是长期困扰国内外长输油气管道保护的共性问题。因此，研究杂散电流腐蚀的成因，确定有效的解决方案，有着十分重要的实际意义。本文对金属板屏蔽法消除杂散电流做模拟实验，对选用金属板的金属材质，金属板覆盖面积，与杂散源和被保护管道距离等进行实验分析，并得出实验结论。关键词 杂散电流；金属板覆盖；金属板屏蔽；模型试验中石化管道储运公司所管辖的埋地管线，在正常阴极保护系统运行期间，小部分与高压线路和变电站交叉或距离相近的管段出现了不同程度的杂散电流腐蚀现象。本文针对这一具体问题，
2、从理论上对杂散电流腐蚀机理进行了深入研究；经过现场观测、理论分析，查明了杂散电流腐蚀的根本原因，即电流泄漏和电位梯度：分别针这两个原因，提出了采用牺牲阳极的阴极保护法及金属板屏蔽法相结合的复合方案防止管道遭受杂散电流腐蚀。牺牲阳极阴极保护技术在应用中已相对成熟，本文不再做进一步研究。对于金属板屏蔽法，本文通过试验室模型试验及数值模拟计算相结合来验证该方法解决管道杂散电流腐蚀问题的有效性。首先，设计并制作了杂散电流环境及试验装置，以研究金属板屏蔽法对杂散电流环境电场的影响，通过系列试验研究了屏蔽板的材料特性、几何尺寸、接地方式及屏蔽板相对位置等主要参数对屏蔽效果的影响。其次，通过数值模拟仿真计算
3、，进一步确认了金属板屏蔽法防护杂散电流腐蚀的有效性，并对影响屏蔽效果的主要因素进行了定量计算，得出了一些有意义的规律。模型试验与数值计算结果表明，金属板屏蔽法可有效地消除或弱化环境电场中本来存在的电位梯度，使管道免遭杂散电流腐蚀。同时明确了影响屏蔽效果的主要因素，最终给出了防护杂散电流腐蚀的合理方案。1 序 言1.1课题的理论意义和应用价值课题来源于长输油气管线在铁路或高压电线和变电站附近管段的异常加速腐蚀问题，经过一系列分析研究和现场观测，知道了造成腐蚀的主要原因是杂散电流。长输油气管道由于埋设方式为地下埋设，由于绝缘防腐层的破损和损坏，会存在金属管道暴露在土壤中的情况，我们对管道加设了-0
4、.85v到-1.2v的恒电位阴极保护，防止漏点处的管道被土壤层腐蚀，但是在与铁路或高压电线、高压电站距离近或交叉时，存在电场，电场的电位分布是不均匀的，因此在电位梯度的作用下，电场影响下的管道就很容易产生杂散电流，进而遭受腐蚀。1.2国内外研究概况及发展趋势目前，地铁、轻轨、地下管道等城市基础设施建设都出现了不同程度的杂散电流腐蚀现象，引起了国内外专家、学者的重视。通过研究，现在已经基本确定了杂散电流腐蚀的各种形式以及一些基本的性质。杂散电流主要有三种类型:(l)直流杂散电流腐蚀。电流来源于直流电流源，例如轨道传输系统、阴极保护系统等。根据杂散电流幅值和电流流经路径是否随着时间发生变化，直接杂
5、散电流将进一步分为静态杂散电流和动态杂散电流两种。(2)交变杂散电流腐蚀。电流来源于交变电流源。例如高架交流电线等。(3)地球场的影响。属于自然界的一种现象，由于地球磁场而引起杂散电流。目前工程中比较常规的解决杂散电流腐蚀的方法主要是“排流”和“截流”，就是采用疏导和堵截的方法。例如，我国上海轨道交通运输系统的明珠线，在建设过程中，就采用了这两种方法来解决杂散电流的腐蚀问题。美国侧chardw技术主管对美国的数千条杂散电流腐蚀防护问题基础研究地下管道，由于阴极保护系统造成的杂散电流腐蚀问题也做了分析研究，解决方法也基本相同。杂散电流腐蚀和其它腐蚀一样，对工程建设以及国民经济的发展具有重要的危害
6、，因此现在许多发达国家都投入了大量的人力、物力，对此问题进行了长期深入的研究，取得了一些成果。杂散电流的防护是一项系统工程，目前设计中的防护方法大致可归纳为3类:(l)控制和减小杂散电流的根源，隔离所有可能的泄漏杂散电路的途径，叫做“堵”;(2)为杂散电流提供一个畅通的低电阻通路，叫做“排”;(3)检测杂散电.流的大小以便超标时及时采取措施，叫做“测”。从杂散电流腐蚀的原理得知，只要破坏产生杂散电流腐蚀的三个条件中的任意一个，就可以防止杂散电流产生。使得管道与发生大电流或强烈磁场的区域彻底隔绝，从而彻底切断引起杂散电流腐蚀得电流回路。这样就不存在杂散电流得阴阳极了。从而切断了产生杂散电流得回路
7、。1.3本文的研究内容杂散电流腐蚀问题是长期困扰国内外管道的一个共性问题。分析杂散电流腐蚀成因，确定有效的解决方案，具有重要的学术意义和工程实用价值。针对本文提到的实际问题，论文提出牺牲阳极阴极保护法与金属板屏蔽法相结合的复合防护方案。制作杂散电流电场环境。试验水槽中加入人工模拟土壤层并稀释，形成电解质环境;由置于绝缘木板上的多个小铜片作为正极板，铜板作为负极板，通过电位分布测量仪向正负极板施加5v电压，模拟存在电位梯度的电场环境。通过参比电极测得正负极板间标定好的十个测量点的电位值。为了验证金属板屏蔽方法的有效性并探讨影响屏蔽效果的主要因素，实施相关参数的系列试验:(1)在不采用金属屏蔽板的
8、情况下，直接测量正负极板间的电位分布状态;(2)加金属铜板作为屏蔽板;(3)改变屏蔽板的几何尺寸;(4)改变屏蔽板的材料特性(导电性);(5)改变屏蔽板的相对位置。论文通过试验室模型试验对杂散电流腐蚀问题进行模拟，确定解决杂散电流腐蚀问题的可行方案，并且针对铁路附近或高压电线和变电站附近存在的杂散电流腐蚀环境提出解决方案，期望消除或大幅度弱化环境中的电位梯度，从而解决对管道造成的腐蚀。2 杂散电流的防护方法清楚了杂散电流产生的原因以后,就可以采用一些有针对性的防护措施。一般来说,杂散电流的防护是一项比较系统的工程。目前设计中经常使用的防护方法大致可以归纳为三类:一,控制和减小杂散电流产生的根源
9、,隔离所有可能的杂散电流的流经途径;二,为杂散电流提供一条畅通的低电阻通路;三,检测杂散电流大小以便超标时采取一些防护措施。在这三种防护方法中,第一种方法是从源头上进行控制,是根本;第二、三种方法只是一种辅助方法。从源头上控制和减小杂散电流一般认为是比较理想的方杂散电流腐蚀防护问题基础研究。首先对于电流的泄漏造成的杂散电流腐蚀,我们可以采用传统的牺牲阳极的腐蚀防护方法。杂散电流会产生一个电场,位于该电场的管道部分,分别被杂散电流阴极极化和阳极极化;杂散电流腐蚀在阳极区发生,如果杂散电流的电场较强,管道部分就会发生严重腐蚀。若存在杂散电流的电场,应在原设计的阳极数量上适当增加一些阳极(根据实际测
10、量电位数值)。但是牺牲阳极法管线进行保护电位控制有影响。所谓牺牲阳极,是在一定的电解质中用一种比所要保护的金属电位更负的金属或合金与被保护的金属连接在一起,依靠电位比较负的金属不断溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。这种自身腐蚀的金属或者合金,称为牺牲阳极。采用牺牲阳极保护时,钢质管道最小保护电位应达到一0.85V(相对铜硫酸铜参比电极),最大保护电位不超过-1.2V。目前常用的牺牲阳极材料主要是锌合金。其次对于电位梯度造成的杂散电流腐蚀,可以采用金属板的屏蔽法,此方法与采用静电学中的静电屏蔽方法原理相似。所谓静电屏蔽就是利用导体隔断外电场影响的一种方法(包括场强、电位等影响)。因此利用静电
11、屏蔽可以很好的改善原来电场的电位分布,所以我们可以在管道和电场源之间设置一块钢板，采取合理的形状长度和接地方式，这样就起到了消除海区电场对管道的影响,进而消除杂散电流。3 实 验 内 容模型试验分六组进行:第一组试验的主要目的是为了评估金属板屏蔽方法防护杂散电流腐蚀问题的有效性。第二组试验的目的是定性分析屏蔽板大小对屏蔽效果的影响。第三四组试验的目的是在实验室中模拟点电源管线产生的杂散电流所引起，存在电位梯度的电场环境。第五组试验的目的是为了验证金属材料属性(主要是电导率)对屏蔽效果的影响。第六组试验的目的是为了验证屏蔽板布置位置对屏蔽效果的影响。通过下面的六组试验,验证金属板屏蔽效果的有效性
12、,并确定影响屏蔽效果的主要因素。第一组试验:将lmxo.6m的铜版作为屏蔽板,在实验室分别测得自然状态、加屏蔽板及加屏蔽板并将其接地三种不同情况下,水槽中10个测量点的电位分部情况。1.在试验室中通过模型试验,可以很好的模拟由杂散电流引起的存在电位梯度的电场环境。2.加屏蔽板后,电位梯度没有明显变化。3.将屏蔽板接地,电位梯度明显消失。通过上面分析,我们得出以下结论:接地的金属板可以起到很好的屏蔽效果,使电解质环境下的地位梯度明显消失。第二组试验:改变屏蔽板的大小,重复上面的操作步骤。将0.2mx0.2m的铜版作为屏蔽板并接地,测得水槽中10个测量点的电位分部情况采用0.2mx0.2m的屏蔽板
13、,屏蔽板后的电位分别亦趋于平缓,梯度基本消失。而采用小铜片做为屏蔽板,电位梯度仍然很明显,没有起到理想的屏蔽效果。通过上面分析,我们得出以下结论:屏蔽板大小对屏蔽效果有一定影响。试验只做定性分析,后章的数值计算将做定量计算确定合适的屏蔽板大小.第三组试验:将多个小铜片作为正极模拟点电源管线。分别测得自然状态及铜板作为屏蔽板并接地的两种情况下,水槽中10个测量点的电位分部情况我们可以看出:1.试验室中,通过多个小铜片作为正极来模拟点电源管道,可以很好的模拟由杂散电流引起的存在电位梯度的电场环境。2.加屏蔽板并接地后,电位梯度明显消失。通过上面分析,我们得出以下结论:多个小铜片作为点电源,可以很好
14、的模拟管道产生的杂散电流所引起的存在电位梯度的电场环境;接地的金属板可以起到很好的屏蔽效果,使电解质环境下的地位梯度明显消失。我们可以看出:1.试验室中,通过3个小铜片作为正极来模拟点电源管道,可以很好的模拟由杂散电流引起的存在电位梯度的电场环境。铜片数量减少,对试验结果没有太大影响。2.加屏蔽板并接地后,电位梯度明显消失。通过上面分析,我们得出以下结论:适当数量的小铜片可以很好的模拟管道产生的杂散电流所引起的存在电位梯度的电场环境。第四组试验:将三个小铜片作为正极模拟点电源管道的岸电。分别测得自然状态及铜版作为屏蔽板并接地的两种情况下,水槽中10个测量点的电位分部情况,我们可以看出:1.试验
15、室中,通过3个小铜片作为正极来模拟点电源管道,可以很好的模拟由杂散电流引起的存在电位梯度的电场环境。铜片数量减少,对试验结果没有太大影响。2.加屏蔽板并接地后,电位梯度明显消失。通过上面分析,我们得出以下结论:适当数量的小铜片可以很好的模拟管道产生的杂散电流所引起的存在电位梯度的电场环境。第五组试验:改变屏蔽板的材料特性,分别由铜板,铝板,钢板作为屏蔽板,并接地。为避免屏蔽板与正极形成原电池,将正极板的小铜片换成石墨。铜板作为屏蔽板,测量水槽中10个测量点的电位分布情况我们可以看出,铝板的屏蔽效果稍差,铜板和钢板的屏蔽效果较好,且二者结果无明显差别。下表是三种金属的材料特性及价格,从表中可以看
16、出,铜的导电性最好,铝其次,钢的导电性相对较差,而三种材料的价格从高到低依次为铜,铝,钢。4 结 论本章进行了六组不同的试验。通过第一组试验的结果表明,金属板屏蔽法可以有效防护管道杂散电流腐蚀问题。第二组试验我们得出结论,屏蔽板的大小对管道有一定影响。第三四组试验是对模型试验的改进。第五组我们得出结论:金属的导电性对屏蔽效果有一定影响。但化学性质稳定、导电性能较好的金属均能起到较好的屏蔽效果。根据性价比综合考虑,选择钢板作为屏蔽板更为合理。第六组试验我们得出结论:屏蔽板距管道距离对屏蔽效果影响不大。由此,通过本章的试验研究,我们可以得出以下结论:试验室中可以模拟管道产生的杂散电流所引起的存在电位梯度的电场环境;采用金属板的屏蔽方法,可以有效的防护管道与铁路、高压电线交叉遭受杂散电流腐蚀;同时,探
