埋地金属管道杂散电流影响因素模拟研究_工程实践

摘要

摘要：采用实验室模拟装置研究了土壤电阻率、管道埋地深度、管道涂层破损率等因素对埋地金属管道中杂散电流的影响规律。关键词：埋地金属管道；杂散电流；电化学腐蚀；实验室模拟Simu

摘要：采用实验室模拟装置研究了土壤电阻率、管道埋地深度、管道涂层破损率等因素对埋地金属管道中杂散电流的影响规律。

关键词：埋地金属管道；杂散电流；电化学腐蚀；实验室模拟

Simulation Study on Influence Factors of Stray Current in Buried Metallic Pipeline

CAO A-lin，ZHU Qing-jun，ZHANG Sheng-tap，HOU Bao-rong

Abstract：The influence of soil resistivity，buried depth of pipeline，damage rate of pipeline coating on the stray current in buried metallic pipeline is investigated by laboratory simulation device.

Key words：buried metallic pipeline；stray current；electrochemical corrosion；laboratory simulation

由铁路运输电力牵引系统、阴极保护系统、高压输变电系统产生的杂散电流会对埋地金属管道(如油气管道、给水管道等)产生严重的电化学腐蚀作用^[1～3]，极大地加速了金属管道的腐蚀速度，缩短金属管道的使用寿命，甚至酿成重大事故^[4～9]。因此，有必要研究影响埋地金属管道杂散电流的相关因素，采取必要的措施防止杂散电流对埋地金属管道的腐蚀。但是，由于杂散电流受土壤电阻率、管道埋地深度等诸多因素的影响以及所处的特殊环境^[10]，难于进行现场实验。因此，往往采用实验室模拟装置，通过模拟实验，得出重要的实验数据和结论。

1 实验装置与方法

杂散电流模拟实验装置见图1。在一个有机玻璃制成的方形容器(尺寸为0.5m×0.5m×0.5m)中填满土壤，将一段与直流电源连接的电阻丝平铺在土壤的表面。在土壤中埋置两段内外壁及端面均由环氧树脂密封的金属管道，两段金属管道外端各制造一个破损点，并在两段管道内端各引出一条导线，连接数字万用表。图1中，I为外加电流(单位为A)，t为杂散电流(单位为mA)。实验电阻丝采用直径为0.3mm(电阻为15.42Ω/m)、长度为20cm的镍铬合金电阻丝。埋地金属管道采用两段长度均为10cm，外径为30mm，壁厚为5mm的Q235A钢金属管道。

当给实验电阻丝施加恒定的直流电源时，除了有流过电阻丝的电流以外，还有通过土壤和埋地金属管道的杂散电流，金属管道内的杂散电流可由数字万用表测量。在杂散电流的作用下，埋地金属管道会发生电化学腐蚀作用，金属腐蚀量与杂散电流值符合法拉第定律。因此，通过研究金属管道杂散电流值及其影响因素可以得出埋地金属管道的杂散电流腐蚀规律及其控制措施。

2 实验结果分析

① 土壤电阻率对杂散电流的影响

金属管道埋地深度(地表距管顶深度，以下同)为h=5cm，涂层破损率为θ=1%，管道与电阻丝水平净距为d=20cm，土壤电阻率分别为ρ=30.10、39.05、49.12Ω·m。在此条件下，土壤电阻率对杂散电流影响关系曲线见图2。从图2中可知，当金属管道埋地深度和涂层破损率等其他实验条件保持恒定、外加电流相同的情况下，随着土壤电阻率的增加，杂散电流减小。因此，在埋地金属管道施工时，应该选择土壤电阻率高的区域埋置金属管道，或运用其他方法提高金属管道周围的土壤电阻率，以此来减小杂散电流，减轻杂散电流对埋地金属管道的腐蚀危害。

② 金属管道埋地深度对杂散电流的影响

土壤电阻率为ρ=30.10Ω·m，金属管道涂层破损率为0=1%，管道与电阻丝水平净距为d=10cm，管道埋地深度分别为h=2、5、10、15cm。

在上述条件下，埋地深度对杂散电流影响关系曲线见图3。由图3可知，在其他实验条件不变的情况下，随着金属管道埋地深度的增加，在外加电流相同情况下，金属管道内的杂散电流逐渐减小，并且减小的幅度随着埋地深度的增加也逐渐减小，即在一定条件下，金属管道的埋地深度存在着一个极限值，当埋地深度大于这个极限值时，杂散电流基本保持不变。

③金属管道涂层破损率对杂散电流的影响

金属管道埋地深度为h=2cm，管道与电阻丝水平净距为d=20cm，土壤电阻率为ρ=30.10Ω·m，涂层破损率分别为θ=1%、0.5%、0.1%。在上述条件下，管道涂层破损率对杂散电流影响关系曲线见图4。从图4可以看出，在一定土壤电阻率条件下，随着管道涂层破损率的增大，在相同外加电流条件下，管道内的杂散电流也逐渐增大。因此，要减小管道内杂散电流，就必须降低埋地金属管道的涂层破损率，提高其表面防护性能，减少杂散电流对埋地金属管道的腐蚀危害。

④ 管道与电阻丝水平净距对杂散电流的影响

在一定土壤电阻率、管道埋地深度和管道涂层破损率的情况下，改变管道与实验电阻丝水平净距对管道内杂散电流也有一定的影响。土壤电阻率为ρ=30.10Ω·m，涂层破损率为0=1%，埋地深度为h=15cm，管道与电阻丝水平净距分别为d=5、10、15、20、25cm。在上述条件下，管道与电阻丝水平净距对杂散电流影响关系曲线见图5。

由图5可知，随着外加电流的增大，管道内的杂散电流也逐渐增加，并且杂散电流的增加程度也随着外加电流的增加而增加。此外，随着二者之间距离减小，在相同外加电流情况下，管道内杂散电流的增加趋势变大。当二者之间的距离增加到一定程度的时候，在相同外加电流的情况下，管道内杂散电流基本保持不变。这说明埋地管道与外加电流源的距离有一定极限关系，即当二者之间的距离增加到一定程度时，在相同外加电流条件下，管道内杂散电流基本不发生变化。

3 结论

通过杂散电流实验室模拟装置，对影响杂散电流的因素进行了模拟研究。结果表明，在外加电流相同情况下，埋地金属管道中杂散电流随着土壤电阻率、埋地深度、与电阻丝水平净距的增大而减小，随着管道涂层破损率的增大而增大。模拟实验结果可以为埋地金属管道相关工程设计、施工提供一定的依据，也可为防止杂散电流对埋地金属管道腐蚀危害提供相关的实验数据。

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(本文作者：曹阿林^1、2 朱庆军² 张胜涛¹ 侯保荣² 1.重庆大学化学化工学院重庆 400030；2.中国科学院海洋研究所山东青岛 266071)