1.上海道盾科技股份有限公司； 2.沈陽(yáng)龍昌管道檢測中心

1 前言

潮汐能是由潮汐現象產(chǎn)生的能量，包括潮汐和潮流兩種運動(dòng)方式所形成的能量。中國海岸線(xiàn)長(cháng)度為1.8萬(wàn)公里，海區潮汐資源相當豐富，潮汐類(lèi)型多種多樣。隨著(zhù)沿海埋地管道增多，潮汐能對埋地鋼制管道的直流雜散電流干擾問(wèn)題也隨之出現。

2 潮汐能干擾機理

管道電位的波動(dòng)主要由地電流干擾引起，而地電流是太陽(yáng)粒子與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。

帶電粒子進(jìn)入地球大氣層，在地磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉，在以北極和南極周?chē)鸀橹行牡碾婋x層中產(chǎn)生電流環(huán)。由于該電噴流的幅度變化和方向變化產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，在地球表面或附近的金屬導體（管道）上會(huì )感應產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，其原理類(lèi)似于交流高壓輸電線(xiàn)引起的感應，如圖 1所示。

潮汐能是增加地電流干擾頻率和幅度的因素之一，管道越長(cháng)，防腐層質(zhì)量越好，管道產(chǎn)生的感應電壓越大，如圖 2所示。

隨著(zhù)海水的潮漲潮落，在地磁場(chǎng)作用下海峽地帶或海灣處會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)（圖 3），電場(chǎng)在大地中產(chǎn)生地電位梯度，進(jìn)而干擾管道電位。高潮時(shí)，管道側的地電位梯度大于海岸線(xiàn)側，管道電位正向偏移，低潮時(shí) 則相反；地電位梯度隨著(zhù)高潮時(shí)間不斷累積，也隨之增大，低潮時(shí)則相反；所以受干擾管道電位是隨著(zhù)時(shí)間緩慢變化的（逐漸正向或負向偏移）。

潮汐能是大自然中客觀(guān)存在的能量，無(wú)法消除。與普通的雜散電流干擾不同，管道各段電位波動(dòng)情況一致，電流沒(méi)有固定的流入流出點(diǎn)。沿海岸線(xiàn)敷設或距離海岸線(xiàn)較近的管道均可能受潮汐能干擾。

3 潮汐能干擾案例

3.1 基本情況

如圖 4所示，某管線(xiàn)K1―K2管段的65 km管道與海岸線(xiàn)并行， K2位置為該管段終點(diǎn)，管道路由距離海岸10 km～15 km。日常測試中發(fā)現該管段直流通電電位間歇發(fā)生波動(dòng)，且時(shí)間段比較規律。采用HC﹣069雜散電流記錄儀對管道直流電位進(jìn)行48 h監測，通電電位波動(dòng)情況如圖 5所示。針對規律性的電位波動(dòng)情況，將全線(xiàn)恒電位儀關(guān)機24小時(shí)后，再次48 h同步監測管道直流電位，監測位置有K1、 K1與K2中點(diǎn)、 K2。所得電位監測曲線(xiàn)如圖6～8所示。

3.2 干擾情況驗證

由圖 6～8可知，該段管道在48 h內電位波動(dòng)方向和強弱基本一致，可以看出該管段電位異常波動(dòng)為同一干擾源所致。該管段直流電位每天都有2次正向偏移和2次負向偏移（相較于自然電位﹣0.7 VCSE），在凌晨1:30電位達到最正，經(jīng)查詢(xún)煙臺潮汐時(shí)間表（表 1，來(lái)源于天氣網(wǎng)），對照監測管道電位波動(dòng)日期及時(shí)間， K1位置管道電位變化與潮汐時(shí)間關(guān)系如 表 2所示。

從結果可知，管道直流電位隨潮汐的高潮—低潮—高潮發(fā)生而變化，且在高潮或低潮時(shí)，正向偏移或負向偏移達到峰值。

為了進(jìn)一步驗證潮汐能對管道陰極保護電位的干擾，選擇不同日期進(jìn)行電位監測，圖 9為恒電位儀開(kāi)啟狀態(tài)下管道電位監測曲線(xiàn)。監測日期內K1管道電位變化與潮汐時(shí)間關(guān)系如表 3所示。

    

可以看出，管道電位變化的極值與潮汐產(chǎn)生的高潮和低潮時(shí)間點(diǎn)有極大相關(guān)性，均是在高潮時(shí)管道電位正向偏移，低潮時(shí)管道電位負向偏移。因此推斷直流電位波動(dòng)受潮汐能干擾所致。

4 潮汐能干擾危害

短時(shí)間的電位正向偏移不會(huì )對管道的陰極保護效果產(chǎn)生影響，但如果經(jīng)常長(cháng)時(shí)間發(fā)生電位正向偏移，便有可能發(fā)生嚴重的腐蝕。

日常測試管道斷電電位時(shí)，可以斷開(kāi)陰極保護電流，但無(wú)法斷開(kāi)地電流產(chǎn)生的電壓降V t，這會(huì )產(chǎn)生很大的電位測試誤差（圖 10），因此采用垂直管道放置2個(gè)試片的方法測試管道通斷電位曲線(xiàn)（圖 11）。

      

可以看出，通電電位如果在偏負狀態(tài)下劇烈波動(dòng)，斷電電位維持在一個(gè)穩定的狀態(tài)，并可以達到有效陰極保護（﹣0.85 VCSE～﹣1.2 VCSE）。如果通電電位長(cháng)時(shí)間處于正向偏移狀態(tài)，斷電電位很難達到陰極保護準則要求（﹣0.85 VCSE～﹣1.2 VCSE），這極大地增加了腐蝕風(fēng)險。

澳大利亞標準AS 2832.1―2015規定：①對存在地電流干擾影響的位置要求對結構進(jìn)行地電流影響的測試時(shí)，通常必須記錄20 h的電位。如果采用數據記錄儀監測電位，其采樣頻率應不低于1次／min。②受地電流影響的結構的電位正于保護準則的時(shí)間不應超過(guò)測試時(shí)間的10％。確定電位的變化幅度時(shí)，應對記錄期間電離層擾動(dòng)的程度進(jìn)行評價(jià)。

受潮汐能干擾的管道通電電位近17%的時(shí)間持續正于﹣0.85 VCSE，斷電電位未達到﹣0.85 VCSE的時(shí)間也超過(guò)10%，故需要對管道采取一系列措施來(lái)緩解 干擾。

5 潮汐能干擾的緩解及維護建議

（1）管道陰極保護采用強制電流與犧牲陽(yáng)極聯(lián)合保護的方式

其目的是在不損害陰極保護效果的前提下，提供安全的低電阻對地泄流路徑，只要土壤電阻率足夠低，能夠使犧牲陽(yáng)極有效輸出電流，且排除一部分電流，沿線(xiàn)分布的犧牲陽(yáng)極就會(huì )有效緩解地電流腐蝕影響（圖 12）。

（2）管道沿線(xiàn)埋設試片用于日常通斷電位測試或用來(lái)進(jìn)行腐蝕狀況監測

由于大地中存在的地電位梯度無(wú)法消除，傳統的管道通電電位、斷電電位測試已經(jīng)無(wú)法準確評估管道真實(shí)的陰極保護狀況。為了消除地電流影響，可以埋設參比管以及雙試片或環(huán)形試片來(lái)準確測試管道陰極保護狀況，如圖 13所示。

（3）監測腐蝕速率

潮汐能干擾對埋地管道腐蝕的影響目前尚無(wú)更多案例。為了準確監測并驗證是否對管道陰極保護效果及管道腐蝕產(chǎn)生影響，建議在距離海岸線(xiàn)相對較近位置設置陰極保護智能監測設備及ER腐蝕速率測試探頭進(jìn)行同步監控。

參考文獻：

[1]  GB 50991―2014 埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準[S].

[2]  GB/T 21448―2017 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規范[S] .

[3]  GB/T 21447―2018 鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規范[S].

[4]  GB/T 21246―2007 埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法[S].

[5]  SY/T 0029―2012 埋地鋼質(zhì)檢查片應用技術(shù)規范[S].

[6]  胡士信.陰極保護工程手冊.北京：化學(xué)工業(yè)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：鄒德龍，上海道盾科技股份有限公司壓力管道檢驗員。