管道杂散电流的检测及处理

【摘　要】本文通过对江西天然气管网昌北区块石埠联合站—西山联合站之间天然气管道的研究，证明了区块内管道杂散电流的存在，并且杂散电流使金属管道阴极保护系统的保护效果明显减弱。通过计算，本文在两站之间合适区域增设了一座阴极保护站并调整了起始电压，实现了两站之间的管道全部受到保护，从而减缓了杂散电流对管道的腐蚀危害。

【关键词】杂散电流检测；站间增设；阴极保护站

1.杂散电流的定义

杂散电流，是指在规定的电路或意图电路之外流动的电流。杂散电流会加速金属的腐蚀，对于阴极保护系统效果具有抑制作用，必须加以检测和排除。

2.杂散电流的检测

由于管线是全线连通的，杂散电流又是无规律地大幅度变化，因此对管线上的杂散电流进行直接检测是很困难的。针对杂散电流的无规律、快变化的特性，我们采用SCM-200a杂散电流测量仪对其进行检测。

2.1测量方法

SCM-200a杂散电流测量仪的检测原理是当有电流流过时，管线上就有电压降，通过测量管线上的电压降，就可以获得杂散电流的大小。该仪器可对模拟电位信号进行处理，将数值绘制成杂散电流变化曲线，为掌握杂散电流分布情况及采取相应的防护措施提供可靠的测量手段和依据。

我们选取从西山联—石埠联之间全长10.2km的管道作为被测管段。该段管道已经采用了阴极保护对管道防护，从西山联作为测试的起始点，到石埠联为终点，全线有26个测试桩位。

2.2数据的处理

由于杂散电流的干扰，管地电位不断发生变化，因此可以将管地电位看作一随机变量，可以应用数理统计的方法分析这个随机变量。首先，将管地电位按照一定的步长，分析在每个电位值(取步长中间值)上的频率分布，取概率分布最大值从Vave作为管地电位的平均值。在频率分布曲线的两端分别去除≤2.5%(电位点数)作为测试的散点值，在剩余曲线的两端的值作为管地电位出现的最大值和最小值。做距离与Vmax.、Vave，、Vmin的曲线，从曲线上可以分析管线沿线的杂散电流干扰的阴极区和阳极区，从而为下一步的排流方案的制定提供可靠的数理依据。

3.石埠联增设阴极保护站的计算

为了使西山联—石埠联之间的管线腐蚀电位全部处于最小保护电位之内，在石埠联增设一个阴极保护站，两个阴极保护站同时对管道保护。

管道阴极保护的制约因素是管道防腐层电阻和管径，它以最大保护电位和最小保护电位的临界点来划分。根据下列假设条件推导沿线电位分布公式：（1）管道防腐层均匀一致，并且具有良好的电绝缘性能，与土壤接触且土质均匀一致，从而管道沿线各点的单位面积过渡电阻相等。过渡电阻指电流从土壤沿径向流入管道时的电阻，其数值主要取决于防腐层电阻；（2）土壤面积很大，土壤电阻忽略不计。

设单位长度金属管道的电阻为r，单位面积的防腐层过渡电阻为R，单位长度上电流从土壤流入金属管道的过渡电阻为R，若管道外径为D，则R=R/(πD)。

在d小段上电流的增量dI就是在该小段上从土壤流入管道的保护电流，由于忽略土壤电压降，故

dI=-d即=-

负号表示电流的流动方向与x的增量方向相反。

当电流I轴向流过管道时，由于管道金属本身的电阻所产生的压降为

dE=-Ird即=-

对以上二式求导，并取a=，可得-aI=0；-aE=0

以上两式为二阶常系数齐次线性微分微分方程，其通解为：

I=Ae+Be；E=Ae+Be

石埠联与西山联之间的管长为10.2km，为有限长管段，其阴极保护的极化电位和电流的变化受两个站的共同作用。

利用上述I和E的通解来推导有限长管道沿线电位分布的规律。设两个站之间的距离为2l，在中点处刚好达到保护所需要的最小保护电位，E=E。电位变化曲线在中点处发生转折，即=0。由于保护电流来自两个站，其电流流动方向相反，故在中点处电流为0，边界条件为

x=0，I=I，E=E;

x=l,I=0,E=E,=0

代入I和E的通解式得到

E=E

I=I

代入边界条件和=-得

I=-··E·=·

在汇流点处x=0，I=I，代入上式得汇流点一侧电流为

I=th(al)

同时由E=E可求出

E=

得有限长管道一侧的保护长度

L=Arch=ln

+

考虑到双曲余弦函数ch(al)=(e+e)中e这项很小，可近似忽略，上式可简化为

L=ln2

由表3-1可以看出，增设的阴极保护站需要对9号测试桩达到完全保护，从9号测试桩到26号测试桩即距石埠联的距离为7.66km，即L=7.66km。西山联—石埠联设计数量为1350m3/d，管线规格为20-159×5，金属管道的电阻rT=0.1Ω·m2。计算时取防腐层RP=10000Ω·m2，则电流从土壤流入金属管道的过渡电阻RT=RP/(πD)=10000/(π×0.159)=20019.5

a===0.002

9号测试桩的电位为-0.432V，作为未加阴极保护站时的自然电位，若要达到最小保护电位-0.85V，外加电压最小为-0.418V，按照《石油、天然气管道管理条例》的相关规定，Emin的取值为-2.418V。由L=ln2可以求出E=-4.22V

上式即计算出在石埠联增设阴极保护站，若要达到曲线保护，则石埠联的起始电位为-4.22V。

结论：昌北区石埠联合站—西山联合站之间管道存在杂散电流，并且杂散电流使金属管道阴极保护系统的保护效果明显减弱。要对该段管道达到完全保护，可在管道中间增设一个阴极保护站并将石埠联起始电位设为-4.22V。这样，全线各个测试桩的电压均在最小保护电压以内，且不会对石埠联起始管段形成过保护。　[科]

【参考文献】

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