1、杂散电流的腐蚀及其防护一、杂散电流干扰方式杂散电流是指在地中流动的设计之外的直流电，它来自直流的接地系统，如直流电气轨道、直流供电所接地极、电解电镀设备的接地、直流电焊设备及阴极保护系统等。其中，以城市和矿区电机车为最甚。它的干扰途径如图10-60所示。从图中可以划分三种情况：图10-60 杂散电流干扰示意图1供电所 2架空线 3轨道电流 4阳极区5腐蚀电流 6交变区 7阴极区1.靠近直流供电所的管道属于阳极区，杂散电流从管道上流出，造成杂散电流电解。2. 在干扰段中间部位的管道属于极性交变区，杂散电流可能流入也可能流出。当电流流出时，造成腐蚀。3.在电机车附近的管道属于阴极区，杂散电流流入管
2、道，它起着某种程度的阴极保护作用。以上是一般规律。实际上杂散电流干扰源是多中心的。如矿区电机车轨道已形成网状，供电所很多，当多台机车运行时会产生杂乱无章的地下电流。作用在管道上的杂散电流干扰电位如图10-61所示。图10-61 杂散电流干扰电位曲线埋地钢质管道因直流杂散电流所造成的腐蚀称为干扰腐蚀。因属电解腐蚀，所以有时也称电蚀。这是管道腐蚀穿孔的主要原因之一。例如：东北地区输油管道受直流干扰的约占5，腐蚀穿孔事故原因的80%是由杂散电流引起的；北京地下铁路杂散电流腐蚀已经形成公害，引起了有关部门的重视。随着阴极保护技术的推广应用，也会给地下带来大量的杂散电流。如近些年来城市地下燃气管道 给水
3、管道、地下电缆等采用了外加电流保护，在它的阳极地床附近可能会造成阳极地电场干扰。在被保护的管道(或电缆)附近可能会造成阴极电场的干扰。其干扰形式如图10-62和图10-63所示。其干扰范围与阳极排放电流和阴极保护电流密度成正比。当单组牺牲阳极输出电流大于100mA时，也应注意其干扰。二、杂散电流腐蚀的特点1.强度高、危害大 埋地钢质管道在没有杂散电流时，只发生自然腐包蚀。大部分属腐蚀原电池型。腐蚀电池的驱动电位只有几百毫伏，而所产生的腐蚀电流只有几十毫安。在土壤中的杂散电流腐蚀，则是电解电池原理。即外来的直流电流或电位差，造成了土壤溶液中金属腐蚀。其腐蚀量与杂散电流强度成正比，服从法拉第电解定
4、律。也就是说，假如有1A的电流通过钢管表面，流向土壤溶液，那么1a的直流杂散电流1年的时间会溶解钢铁9kg。实际上，土壤中发生的杂散电流强度是很大的，管道上管地电位可能高达89V，通过的电流量最大能达几百安。因此，壁厚为78mm的钢管，在杂散电流作用下，45个月即可能发生腐蚀穿孔。所以，杂散电流的腐蚀强度是一般腐蚀不能与之相比的。它是管道腐蚀穿孔的主要原因。2.范围广 随机性强 杂散电流的作用范围很大，其影响可达几千米、几十千米，这与引起杂散电流的外部电流源密切相关。杂散电源腐蚀的发生又常常是随机而变的。无论从电流方向上，还是电流强度上，都是随外界电力设施的负载情况、轨道的连接与绝缘状况、管道
5、的绝缘状况而变化。因此，常将杂散电流的干扰称为动态干扰。这也给杂散电流的测量、排除带来了困难。图10-62 阳极地床周围的杂散电流干扰1测电位曲线 2测电流(东) 3被干扰管道 4测电流(西) 5整流器6被保护的管道 7被干扰管道电位曲线 8电流干扰区 9电流泄漏直流腐蚀是引起管道泄漏的最大隐患。近年来，对杂散电流的腐蚀已引起人们的普遍关注。图10-63 阴极保护管道的干扰a)交叉 b)平行三、杂散电流干扰的判断标准地下杂散电流可以根据管一地电位偏移和地电位梯度来判断。对于此判断。各国根据国情都有自己的指标。例如，英国国家标准规定，以管道对地电位正向偏移20mV为判断指标；德国以+100mV为
6、标准；日本的标准是+50mV。原石油工业部编制的埋地钢质管道直流排流保护技术标准。(SYJ171986)，把判定标准分为两个台阶：一是确认干扰的存在，二是在确认干扰存在的前提下必须采取措施的临界指标。这一指标是：处于直流电气化铁路、阴极保护系统及其他直流干扰附近的管道，当管道任意点上管地电位较自然电位正向偏移20mV时，或管道附近土壤中的电位梯度大于05mV/m时，确认为有直流干扰；当管道上任意点管一地电位较自然电位正向偏移lOOmV或管道附近土壤中的电位梯度大于2.5mV/m时，管道应及时采取直流排流保护或其他防护措施。日本5强四、直流干扰腐蚀的防护(一)减少干扰源电流的泄漏直流干扰腐蚀的产
7、生是源于各种电气设备的电流泄漏。因此，直流干扰的防护首先应减少这些电气设备的电流的泄漏。为此，对直流电气化铁路作如下限制：1.铁轨导电性能必须良好 通过铁轨的平均电流产生的电位差不得大于3V/km。2.铁轨接头增加电阻 各区段铁轨接头增加的电阻，不得大于该区段铁轨电阻的20。3.铁辄与大地绝缘 电气化铁轨应采取与大地绝缘的措施。对于供电方式，应采用减小供电范围，增加足够的供电所的原则，保证在供电范围内接地装置只接地一次等，来减少杂散电流源。(二)避开干扰源的设计原则由于干扰源的情况错综复杂，在管道设计时又不可能完全避开，为保证管道安全，应遵循下列设计原则：1.管道走向的选择 合理选择埋地管道的
8、走向，尽量远离干扰源。当埋地管道与直流电气化铁路的铁轨接近或交叉时，相互间的距离不得小于1m，且尽量缩短与之平行的管线的长度。2.被保护管道与非保护管道的间距，应保持足够大的距离。非联合保护的平行管道，二者间距不宜小于10m。被保护管道与其他管道交叉时，二者间的净垂直距离不应小于03m；当小于03m时，中间必须设有坚固的绝缘隔离物，确保其不接触。双方管道在交叉点两侧10m以上的管段上，应作特加强防腐。管道与电缆交叉时，相互间净垂直距离不应小于0.5m，交叉点两侧也各延伸10m作加强防腐。3.对受杂散电流干扰管段的保护措施 在受到杂散电流干扰的管段，可增设绝缘法兰，将被干扰管道分成若干段，以减轻
9、干扰，把干扰限制在一定范围内。4.在被干扰管道与干扰源之间，可埋设金属屏蔽体，以减轻干扰。(三)增加回路电阻1.对可能受到杂散电流腐蚀的管道，其表面的防腐层等级采用加强级或特加强级。2.对已遭受杂散电流腐蚀的管道，可通过修补或更换防腐层，来消除或减弱杂散电流的腐蚀。(四)排流保护技术1排流方法 杂散电流干扰本身是一害，但掌握其本质、因势利导，就可以化害为利。排流保护就是把杂散电流变为管道阴极保护的电流，所以排流保护也属于阴极保护的方法之一。排流方式有直接排流、极性排流、强制排流和接地排流，这些排流方法及其优缺点和适用条件，见表10-70。表10-70 排流方式的选择方式直接排流极性排流强制排流
10、接地排流应用条件1.被干扰管道上有稳定的阳极区2.直流供电所接地体或负回归线附近被干指导管道上管地电位正负交变管轨电位差较小不能直接向干扰源排流优点1.简单经济2.效果好1.安装方便2.应用范围广3.不要电源1.保护范围大2.其他排流方式不能应用的特殊场合3.电车停运时可对管道提供阴极保护使用方便缺点应用范围有限当管道距铁轨较远时保护效果差1.加剧铁轨电蚀2.对铁轨电位分布影响较大3.需要电源1.效果差2.需要辅助接地床在同一管道或同一系统的管道中，根据实际情况可以采用一种或几种排流方式。排流点的选择应以最佳排流效果为标准，往往要通过排流实验确定。一般情况下，可根据下列原则选定：(1)管道上排
11、流点的选定1)管一地电位为正且管一轨电位差最大的点；2)管一地电位为正且持续时间最长的点；3)管道与铁轨(或管道)间距最小的点；4)便于排流设备安装与维修的地点。(2)铁轨上排流点的选定1)扼流线圈中点或交叉跨线处；2)直流供电所负极或负回归线。(3)接地排流的接地地床，应选择在土壤电阻率较低的地方。2.排流方式的结构(1)直流排流 直接排流结构如图10-64所示。直接排流用于极性不变的阳极区，可调电阻和控制开关及熔断器的使用可用来控制流量的大小和管道的相对电位，以防排流量过大时造成防腐层的老化和剥离。(2)极性排流 极性排流的结构如图10-65所示。极性排流是目前广泛使用的排流方法之一。它具
12、有单向导电性，只允许杂散电流管道排出，而不允许杂散电流进入管道，它是比较安全的排流方式。图10-64 直接排流保护电路1被保护的金属管道 2铁轨 3、4排流电缆 5可变电阻 6控制开关7熔断器 8电流表上述两种排流方式都是借助于管道和铁轨之间的电位差来排流，当两个连接点的电位差较小时，所能排除的电流量很小，故保护段落很短，排流效果不佳。此时，应选择其他形式的排流方式。(3)接地排流 接地排流结构如图10-66所示。接地排流电缆不连接到铁轨上，而是连接到一个埋在地下的辅助阳极(或牺牲阳极材料)上。将杂散电流从管道排到阳极上，经过土壤再返回铁轨。图10-65 极性排流保护电路1管道 2铁轨 3电缆
13、 4可变电阻 5整流器 6电流表 7控制开关 8熔断器图10-66 接地式排流接地排流保护在国外应用较少，但在我国应用较多。这是因为我国对于干扰源泄漏入地的杂散电流限制不力，造成干扰范围很大，不利于极性排流的应用；当采用极性排流时，排流连接变得十分困难。接地排流的效果要比极性排流差，排流量不易调节。还需定期更换阳极。但接地排流的适应性强、施工简单，同时又比较安全，可以完全避免将杂散电流导入管道。因此，接地排流是使用较多的排流方式。接地排流的地床接地电阻要做得尽可能的小。采用牺牲阳极时仍需填包料。(4)强制排流 当地下金属管道处于杂散电流干扰极性交变区，用直接或极性排流都无法将杂散电流排出时，需
14、使用强制排流。强制排流的原理类似于阴极保护，它在管道与接地阳极或铁轨之间，接一可逆的恒电位仪，在外加电位差下强制排流。其电路结构如图1067所示。由于强制排流兼有排流和阴极保护的作用。同时其设施费用节省一半，故使用此排流方式也较多。例如，在日本东京的煤气管线上就使用得比较普遍。图1067 强制排流电路对同一条管道或一系统中，可根据实际情况的需要采用一种或几种排流方式，选择一点或多点进行排流。3.排流计算 排流电流量可根据欧姆定律的原理来计算：式中 I排除电流量(A)；V管一轨电位差(V)；R1排流线电阻()；R2排流器内阻()；R3管道接地过渡电阻()；R4铁轨接地电阻()。其中，式中 3管道
15、纵向电阻()； 3管道泄漏电阻()； 4铁轨纵向电阻()； 4铁轨泄漏电阻()。当采用接地排流时，R4为接地地床的接地电阻，其值应小于05。排流量过大会造成管地电位过负。为保证管道排流处在最佳状态，也就是正电位得到较好的缓解，负电位又不致于过高。可以在排流电路中中入电阻，限制排流量。串入的电阻值可按下式计算：式中 R串入电阻()；I原排流量(A)；I拟定排流量(A)；V管/轨电压(V)。电阻器的选择，要注意具有足够的功率，以防排流量大时烧毁。排流器、排流导线的额定电流应为计算排流量的152倍。排流用的接地地床电位梯度，在水中时不大于10V/m，在土壤中不大于5V/m。4排流器功能的要求(1)在
16、管轨电位差或管地电位波动的范围内，均能正常工作。(2)能及时跟随管轨电位差或管地电位的急剧变化。(3)防逆流元件的正向电阻要尽量小，反向耐压应较大。(4)所有动接点应能承受频繁动作的冲击。(5)应具有过载保护。(6)结构简单，便于维护。5.排流器宜设置在室内，设置在室外时应能适应野外环境、坚固耐用。排流器要安全接地，接地电阻不应大于4。6对排流线敷设的要求 排流线应对地绝缘，架宅敷设时应满足下列要求，并符合低压电力线路敷设工程的规定。(1)电缆必须采用吊挂方式，吊挂强度不应小于GJ-207的钢绞线的机械强度。其接地电阻不应大于10。(2)采用裸电线或绝缘电线架设时，应采用截面积为16mm2及以
17、上的铝线，或具有同等机械强度的铜线。(3)架空线的高度，当跨越铁路和公路时不应小于6m，其他场合不应小于5m。(4)当排流线与架空通信线等弱电线路同杆敷设时，应敷设在架空弱电线的下方。若采用裸线时，间距为075m；若采用绝缘电线时，间距为03m。7排流线埋地敷设时的要求(1)不应使用裸金属护套电缆或橡胶绝缘电线。(2)敷设方式可采用穿电缆管、电缆沟或直埋。(3)直埋时的覆土厚度，当有重物压迫危险时应大于1.2m，其他场合为07m。8接地排流的电位梯度，在水中设置时不得超过10V/m，在土壤中设置时不得超过5V/m。9排流线与管道应采用焊接连结。焊接处的管道要采取局部补强。接点电阻不大于001，
18、机械强度不小于排流线的机械强度。(五)排流效果的评定排流工程安装后，应立即投入试运调整，以期达到和接近下述目标：1.对于已经施加阴极保护的管道或管道系统，应使被干扰管段上任意测定点的管地电位达到阴极保护电位标准。2.对于未施加阴极保护的管道或管道系统，应使被干扰管段上任意测定点的管一地电位达到未受干扰时的状态。上述目标实属理想状态，一般很难实现。当达不到时，可按表10-71的排流前后实测正电位指标进行评定。表10-71 排流保护效果评定指标排流类型管地电位/V正电位平均值比(%)直接向干扰源排流10951059085间接向干扰源排流(接地排流)10901058580正电位平均值比的计算方法如下
19、：式中 v正电位平均值比()；Vavl(+)正电位平均值(V)；Vav2(2)排流后正电位平均值(V)。正电位平均值可按下式计算：式中 n测量时间段内正、负电位读数的总次数。由于电机车运行频繁，所以排流效果的评定是一项很复杂的工作。一般选取评定测试点不应少于3点，对于长距离管道则不应少于5点。排流效果评定点必须包括排流点、干扰缓解较大的点和干扰缓解较小的点。在测取排流前后的参数时，必须统一测定时间段、读数时间间隔、测试方法和仪表设备。测定时必须注意，排流后负电位的变化虽然在指标中没有提到，但负电位变化也不应负得太多。(六)排流系统的调整排流系统的调整是为了使受干扰管道全面得到保护，一般应采用以
20、下方法：首先改变排流点的位置，或增加排流点及设施；调整各排流点的排流量。同时，对同系统中的不同管道进行具有电流调节机能的连连，并行电流的调节；对绝缘法兰跨接，并进行电流调节。此外，为了提高排流效果，可采用其他有效的辅助设施。五、交流干扰的危害与防护(一)交流干扰的危害交流电引起的腐蚀要比直流电于扰的强度小得多，大约为直流电的1或更小。但是，当高压输电线与管道平行架设时，由于静电场和交变磁场的影响，在钢管上感应出交流电压和电流，对管道的危害则是不可忽视的。尤其是在交、直流叠加情况下，交流电的存在可引起电极表面的去极化作用，造成腐蚀的加剧，形成穿孔。同时。交流干扰还可加速绝缘层的老化，特别是在防腐
21、绝缘层的破损处，易引起防腐层的剥离。交流干扰还会使阴极保护无法在控制电位的范围内正常进行，使牺牲阳极发生极性逆转，电流效率降低。故障情况下，对管道会造成危险，甚至危及操作人员的安全。交流干扰腐蚀的危害已日益被人们所重视。交流干扰作用于埋地金属管道。按其干扰电压作用的时间可分为：1瞬间干扰 强电线故障时产生的干扰电压可达几千伏以上，由于干扰电压作用的持续时间在1s以下，故称瞬间危险干扰电压。此电压对人身安全和设备均可构成威胁。高压电还会引起管道防腐层击穿；在管道与电力系统接地极距离不当时，还会产生电弧通道，引起管壁烧穿事故。2间歇干扰 在电气化铁路附近的管道上，所感应产生的几伏、几十伏，直至几百
22、伏的干扰电压。作用时间时断时续、随电气铁道馈电网内负载变化。3持续干扰 高压输电线路运行时，在管道上感应产生的交流电压，可由几伏、几十伏到几百伏。其作用时间长，只要高压输电线路上有电流，管道上就有感应电压，埋地管道则会在此干扰电压下产生交流腐蚀。(二)交流干扰状态对管造成危险影响的高压输电线路，有以下三种状态：1.三相对称中点直接接地的高压输电线(110kv以上)及交流电气化铁路供电线处在相导线接地短路时的故障状态。中性点直接接地的输电线发生单相短路接地故障时，对附近管道产生的电磁感应电压极高。特别是系统电容量大、电压级别高的电力系统中，短路电流可达1060kA，交流干扰电压可达千伏以上。如果
23、短路瞬间，在故障附近的地面上有管道的附属设施(如阀门、泵等设备)，而操作人员恰巧去触及阀门时，就会威胁操作人员与设备的安全。2.三相对称中性点对地绝缘或不直接接地的高压输电线(多指60kV以下)，当两相导线同时在不同地点接地时的故障状态。3.不对称高压线路、直供式交流电气铁路在正常运行状态或在相导线接地时的强行运行状态。当埋地管道与电厂、变电站和高压杆塔的接地装鼍接近时，或与交流电气化铁路交叉时，应考虑由于电流流过接地装置(或轨道)而产生的地电位升高所造成的危险影响。(三)干扰途径强电线路对埋地管道的干扰影响主要有三种方式：容性耦合、磁感应耦合和阻性耦合。其对管道的影响见表10-72。表10-
24、72 交流干扰方式及对管道的影响静电场感应(容性耦合)对于埋地管道没有影响，施工时应注意电磁场感应(磁感应耦合)感应交流电流引起交流腐蚀感应电压对阴极保护设备有不良影响当输电线路短路、故障时，在管道上可能感应出高压电，击穿覆盖层阻性耦合故障时地电位升高威胁覆盖层和人身安全1.静电感应(容性耦合) 这一方式主要出现在施工期间的地面管道或架设在绝缘垫(如木块)上时，通过高压线和管道之间、管道和大地之间的分布电容耦合作用。由于大地的屏蔽作用，当管道埋地后，这一作用就小到可以忽略不计了。原理如图10-68所示。2电磁感应 当管道与高压线平行时，由于相电流的交变形成电磁场作用在埋地管道上，使管道不断切割
25、磁力线而产生感应电流。这一耦合原理如同变压器，高压线一侧如同变压器的一次侧，管道一侧如同变压器的二次侧。当三相之中的各相电流相等(平衡时)、相导线到管道距离相等时，其电磁场的综合影响为零。但实际中相电流很少处于平衡状态，三相导线距管道也不可能相等，尤其是平行间距较小时几何不对称更为突出。故障条件下(严重不平衡)将产生危险影响，其感应原理见图10-69。图10-68 容性耦合a)管道在地面上 b)管道在地面下图10-69 磁干扰原理3阻性耦合 当管道与电气化铁路交叉、与强电线路的接地极(体)、发电厂、变电站接地小距离接近时，接地体上的电流流入地下，通过管道和接地体之间的电阻进行耦合作用，把交流电
26、流直接传递到管道上，这就是阻性耦合。由于地电场衰减很快，所以一般情况下阻性耦合作用范围很小。(四)交流干扰的计算1静压感应电压的计算其中式中 Vp管道感应交流电压(V)；h1单相导线地上高度(m)；h2埋设管道等效地面高度(m)；r输电线等效半径(m)；x输电线和管道的水平距离(m)；V1相导线对地电压(V)。2.电磁感应计算Vp=2fLMi (10-21)式中 f交流电频(Hz)；L平行段长度(km)；M输电线和管道间互感系数(H/km)；i相电流(A)。3.阻性耦合计算式中 Vo接地体对远方大地电压(V)；Io接地体上流入大地电流(A)；土壤电阻率(m)；R接地体接地电阻()；a接地体等效
27、球面半径(m)；Vx距接地体x处的大地电位和管道电位差(V)。4.管道参数的计算(1)管道阻抗的计算Z=Zi+ze(10-24)式中 Z道阻抗(/km)；Zi管道内阻抗(/km)；Ze管道外阻抗(/km)。其中，管道内阻抗Zi的计算是一个复杂的零阶贝塞尔函数，计算较困难，通常可采用近似公式计算，即：管道外阻抗Ze计算公式为：(2)管道传播常数式中 ro管道外半径(m)；大地导电率。(3)管道特性阻抗式中 Z管道阻抗(/km)；Zi管道内阻抗(/km)；Ze管道外阻抗(/km)；ro钢管外半径(m)；大地电导率(S/m)；Ro管道直流电阻，m钢材电导率(S/m)；f频率(Hz)；D回流当量深度，
28、Zo管道特性电阻()。(五)交流干扰的保护1.对交流干扰点测试对交流干扰的防护，首先取决于对干扰现场的调查与测试的正确与否。电力线路对管道交流电干扰的测试方法，可遵照行业标准电力线路对埋地钢质管道交流电干扰测试方法SYJ32-1988执行。管道交流干扰的测试，主要是测试干扰电压和管道交流参数现场的测量。测试仪表和测量导线应执行行业标准埋地钢质管道阴极保护参数测试方法SYJ23-1986的有关规定。交流干扰电压一般较高，所以不用硫酸铜参比电极进行测试，使用钢棒电极。2.安全指标(1)瞬间干扰电压 从对工作人员安全考虑，德国规定为600V，意大利规定为500V，我国研究报告认为600V是适宜的。(2)持续干扰电压 在含盐量小于001%的中性土内，安全电压可取8V；在弱碱性土壤内，当Ca+、Mg+离子的总含量超过0.005%时，安全电压可取10V；在酸性土或盐碱地，干扰电压的安全指标可取6V。交流干扰电压低于16V时，不会造成沥青防腐层剥离和引起金属氢脆裂。10V以下的交流干扰电压，对铝、锌阳极保护性能的影响可不考虑。镁阳极所允许的交流电流密度为08mA/cm2，逆转电压在15V左右，安全电压可取10V。(3)间歇电压干扰 从对人
