埋地管道杂散电流影响因素的研究

埋地管道杂散电流影响因素的研究

刘海波冯启蒙彭胜利韩玮赵金刚

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心山东东营257062）

摘要：杂散电流广泛存在于土壤中，缩短了埋地钢质管道的使用寿命，甚至酿成灾难性的事故。如何对管道杂散电流相关参数进行有效的监测，成为预防管道杂散电流腐蚀的关键问题。为了探讨杂散电流产生原因以及杂散电流对埋地管道的腐蚀机理、主要来源；对杂散电流的腐蚀特征进行分析，并建立模型，仿真管地电位、管道中杂散电流以及管道对地电流的变化规律。

关键词：杂散电流；管地电压；仿真模拟；无损检测

1前言

随着我国科技进步、城市化程度越来越高，管线的需求增加，大多数管线、轨道交通及输电线路都在地下建设，而且不可避免地会相互交叉或并行产生干扰，会造成对埋地管线的杂散电流腐蚀[1]。杂散电流腐蚀时间较长，会造成埋地管线的腐蚀穿孔，影响管线的安全运行及使用寿命，管道的杂散电流干扰问题日益严重，如何对管道杂散电流相关参数进行有效的监测，成为预防管道杂散电流腐蚀的关键问题[2]。

2杂散电流特征及分布规律

杂散电流腐蚀特性具有强度高、危害大、腐蚀激烈且集中于局部位置、影响范围广、随机性强特点。金属构筑物发生腐蚀的部位就发生在电流流出的地方。管道的泄漏点位置、泄漏点绝缘电阻、周边土壤环境、地质条件等不同，均会导致管道杂散电流的不确定性，杂散电流泄漏的解析公式很难推导，误差很难消除。目前常见方法有管地电位建模方法、微元法建模方法等进行管地电位的仿真分析方法。项目组首先建立单干扰源，在管道某绝缘损坏点流入，在另一绝缘损坏点流出的杂散电流分布模型。在项目后续进行过程中，会继续对复杂干扰源下管道杂散电流分布规律进行建模及规律分析。

2.1管-地电位模型

当管道出现破损点时，杂散电流会从管道某一破损点流入，在管道中流通一段距离后，从某一破损点流出。由于管道干扰源复杂，破损点无规律，项目组首先建立了单一杂散电流干扰源的分析模型。如图2-1所示。

图2-1管道单干扰源电路模型

图中，A点为管道某一绝缘损坏点，杂散电流由该点流入管道，B点为管道另一绝缘损坏点，杂散电流由该点流出管道。为杂散电流在管道中流通的长度，为模型建立时每个仿真单元的长度。

2.2单干扰源下管道杂散电流影响因素初步仿真

2.2.1仿真步长验证

在仿真计算中，仿真采取的步长是影响计算的关键因素。因此首先针对模型适用性进行了步长验证，目的是为了验证计算结果对所取空间步长的收敛性。

对主回路的参数取值如表2-1所示。

表2-1步长验证参数取值

分别取Δx为5m、10m、50m进行计算，仿真绘制曲线分别用红、绿、蓝三色代表。由不同计算步长下管道对地电压、管道内电流、管道对地电流趋势图可知，管-地电压在杂散电流流入点附近最高，随着与流入点距离的增大，管-地电压的绝对值逐渐减小，且减小幅度随着与流入点距离的增大而减小。管道内杂散电流以及管道对地电流随着与流入距离的增大而减小，且杂散电流在流入流出点附近的衰减速度最快。

2.2.2过渡电阻与纵向电阻

根据管道过渡电阻和纵向电阻的计算公式可知，过渡电阻与纵向电阻受到了绝缘电阻、电阻率、管道直径和管壁厚度的复合影响，下面对其不同取值分别进行仿真。

1）绝缘电阻（10000Ω∙m2、5000Ω∙m2、3000Ω∙m2、1000Ω∙m2）

天然气管道的外绝缘防腐层，可以增大管道的对地电阻，减小杂散电流，但若管道外防腐层出现破损，管道对地将不再绝缘。在本次仿真中其它参数取值如表2-2所示。

表2-2改变绝缘电阻时的其它路参数取值

以外径273mm、壁厚8mm的管道为例分析，分别取防腐层的绝缘电阻R0为10000Ω∙m2、5000Ω∙m2、3000Ω∙m2和1000Ω∙m2。

随着管地过渡电阻的增大：管道对地电压逐渐升高，电压沿管道的变化趋势减慢；管道内杂散电流的峰值显著减小，但杂散电流扩散的距离有所增加；管道对地的电流相应变小。

2）管径（273mm、159mm、159mm）和管厚（8mm、8mm、5mm）

天然气管道的不同会影响杂散电流的变化，管径以及管壁厚度直接影响了纵向电阻和过渡电阻的取值。在本次仿真中其它参数取值如表2-3所示。

表2-3管径、管厚取值

对273mm、159mm、159mm的管径和8mm、8mm、5mm的管厚计算，可以实现对单独改变管径，单独改变管壁、以及同时改变二者三种情况的比较。随着管径的减小，在管壁厚度不变的情况下，管道对地电位升高，管内电流增大，管道对地电流增大；随着管壁厚度的减小，在管径不变的情况下，管道对地电位升高，管内电流增大，管道对地电流增大。

3）电阻率（0.0675Ω•mm2/m、0.135Ω•mm2/m、0.27Ω•mm2/m）

改变管道电阻率的值，直接影响了纵向电阻的取值，Rg与电阻率成正比。在本次仿真中其它参数取值如表2-4所示。

表2-4电阻率参数取值

对外径273mm、壁厚8mm的管道，取电阻率为0.0675Ω•mm2/m、0.135Ω•mm2/m、0.27Ω•mm2/m。随着电阻率的升高，管道对地电压显著升高，管道内电流和管道对地电流也同样升高。

3结论

本论文主要对以下内容进行研究：

（1）分析了杂散电流产生原因以及杂散电流对埋地管道的腐蚀机理、主要来源、腐蚀特征，杂散电流具有腐蚀强度大、腐蚀集中于局部位置、随机性强、影响范围大等，并且比较了杂散电流腐蚀与自然腐蚀的区别。

（2）通过建立管-地电位模型，仿真管地电位、管道中杂散电流以及管道对地电流的变化规律。①随着管道防腐层电阻率的增大，管地过渡电阻也随之增大：管道对地电压逐渐升高，电压沿管道的变化趋势减慢，管道内杂散电流的峰值显著减小，但杂散电流扩散的距离有所增加，管道对地的电流相应变小。②随着管径的减小，在管壁厚度不变的情况下，管道对地电位升高，管内电流增大，管道对地电流增大；随着管壁厚度的减小，在管径不变的情况下，管道对地电位升高，管内电流增大，管道对地电流增大。③随着管道电阻率的升高，管道对地电压显著升高，管道内电流和管道对地电流也同样升高。

参考文献：

[1]陈文斌.埋地钢质管道杂散电流测试分析技术研究[D].北京工业大学，2009.

[2]林守江.城市轨道交通供电系统对地下金属结构电性干扰的检测和治理[C].//2009全国电力系统腐蚀控制及检测技术交流会论文集.2009：138-143.