杂散电流的腐蚀及防护

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8～9V，通过的电流量最大能达几百安。因此，壁厚为7～8mm的钢管，在杂散电流作用下，4～5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》。(SYJ17—1986)，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0．5mV/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。日本电蚀土壤腐蚀手册》推荐的地电位梯度与杂散电流干扰关系，见表10-69。表10-69地电位梯度与杂散电流干扰地电位梯度/(mA/mm)杂散电流干扰程度0.5弱0.5～5中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0．3m；当小于0．3m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.电车停运时可使用方便对管道提供阴极保护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10—67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10—67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(Ω)；R2——排流器内阻(Ω)；R3——管道接地过渡电阻(Ω)；R4——铁轨接地电阻(Ω)。其中，式中γ3——管道纵向电阻(Ω)；ω3——管道泄漏电阻(Ω)；γ4——铁轨纵向电阻(Ω)；ω4——铁轨泄漏电阻(Ω)。当采用接地排流时，R4为接地地床的接地电阻，其值应小于0．5Ω。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(Ω)；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1．5～2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4Ω。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-20×7的钢绞线的机械强度。其接地电阻不应大于10Ω。(2)采用裸电线或绝缘电线架设时，应采用截面积为16mm2及以上的铝线，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