某地管线土壤电阻率和管地电位的测量教材.docx
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某地管线土壤电阻率和管地电位的测量教材
某地管线土壤电阻率和管地电位的测量
摘要
油田埋地金属管道杂散电流的腐蚀是各大油田所面临的重要问题。
本文通过建立实验装置进行现场实验，根据现场得到的实验数据绘制图、表进行分析得出了如何判断土壤环境中杂散电流的分布位置、强度及管线上的流入点和流出点的位置。
对管道进行阴极保护措施和阴极保护的效果可以得到：
在特石管线这样地质条件复杂的情况下，采取牺牲阳极保护方案是行之有效的。
可以消除地下管道的腐蚀隐患。
经过测试结果表明，阴极保护系统没有造成任何负作用，而且使接地网、地下电缆都起到良好的保护作用，只要在实施方案的过程中采取必要的安全防护技术措施，阴极保护系统就可以做到安全可靠运行。
在本文中采用的阴极保护系统的镁合金牺牲阳极等主要产品工作性能稳定而可靠。
阴极保护系统在特石管线的应用，取得了明显的经济效益。
关键词：
管道腐蚀、油气管道、电阻率
TestofSoilResistivityandPotentialofPipeline
Abstract
Theoilfieldburiesthemetalpipelinestraycurrentscorrosionistheimportantquestionwhicheachbigoilfieldfaces.Thisarticlecarriesonthesceneexperimentthroughtheestablishmenttestinstallation,obtainedtheempiricaldatumplanchart,howthetableaccordingtothescenetocarryontheanalysistoobtaintojudgeinthesoilenvironmentonthestraycurrentsbranchinglocation,theintensityandpipeline'sinflowandflowsoutaposition.Carriesonthecathodicprotectionmeasureandthecathodicprotectioneffecttothepipelinemayobtain:
Inthespecialstonepipelinesuchgeologicalconditioncomplexsituation,usesthesacrificeanodeprotectionplaniseffective.Mayeliminateundergroundduct'scorrosionhiddendanger.Indicatedafterthetestresultthatthecathodicprotectionsystemhasnotcreatedanynegativeeffects,moreovercausesthecounterpoise,theburiedcabletoplaythegoodprotectivefunction,solongastakestheessentialsafetyprotectiontechnicalmeasureintheimplementationplan'sprocess,thecathodicprotectionsystemmayachievethesafereliabilityservice.Inthispaperusesthecathodicprotectionsystem'smagnesiumalloysacrificeanodeandsoonmainproductoperatingperformanceisstableandisreliable.Thecathodicprotectionsysteminthespecialstonepipeline'sapplication,hasobtainedtheobviouseconomicefficiency.
Keywords：
pipelinecorrodes,oilgaspipeline,electronicresistivity
1文献综述
1.1杂散电流腐蚀
杂散电流是指在地下流动的设计之外的电流，如电气化铁路、各种用电设备接地等散步的电流都可视为杂散电流。
这种电流也能对地下金属管道产生腐蚀破坏作用，因杂散电流引起的腐蚀破坏作用，称为杂散电流腐蚀或干扰腐蚀，也有称为电蚀。
杂散电流腐蚀可分为直流杂散电流腐蚀和交流杂散电流腐蚀两大类。
⑴直流杂散电流腐蚀
直流杂散电流对金属产生的腐蚀原理，同电解情况类似，即阳极为正极，进行氧化反应；阴极为负极，进行还原反应。
通常直流杂散电流从土壤进入金属管道的地方带有负电，这一区域称为阴极区[1]。
处在阴极区的管道一般不受什么影响，若阴极区的电位过负时，管道表面上会析出大量的氢，造成防腐绝缘层老化、剥落。
当杂散电流由管道的某一绝缘层损坏处流出时，管道带有正电，这一区域称为阳极区。
处于阳极区的管道，钢管以铁离子的形式溶于周围介质中，因此阳极区的管道受到腐蚀。
直流杂散电流干扰腐蚀的损耗量与杂散电流强度成正比。
即杂散电流的强度愈大，引起的金属腐蚀就愈严重。
按法拉第定律计算，当杂散电流为1A时，一年内可腐蚀36kg铅，11kg铜和10kg铁。
在杂散电流干扰比较严重的地区，电流可达几十安培，甚至几百安培。
所以，杂散电流造成的集中腐蚀破坏是很严重的。
壁厚8～9mm钢管，快者2～3个月就会穿孔。
直流杂散电流干扰腐蚀不同于自然腐蚀，主要表明为：
①杂散电流腐蚀与自然腐蚀
杂散电流腐蚀是外部电源作用的结果，而自然腐蚀电流则是自发进行的。
②受杂散电流影响的管道
这种管道的阳极区和阴极区是彼此分开的，这类似于宏电池腐蚀。
③杂散电流干扰腐蚀与自然腐蚀的极性区别
杂散电流干扰腐蚀，其电极电位较负的区域为阴极区（即电流进入管道的区域），
电极电位较正的区域为阳极区（即电流流出管道的区域），这与自然腐蚀的极性恰好相反。
④杂散电流干扰腐蚀与土壤电阻的关系
杂散电流干扰腐蚀强度的大小，同土壤电阻率成反比，即土壤电阻率愈高，干扰腐蚀速度愈低，这与宏电池腐蚀的情况类似。
⑤杂散电流干扰与自然腐蚀
杂散电流干扰，其阴极区可能发生析氢破坏，而自然腐蚀的阴极区，一般不会受到什么影响。
⑵交流杂散电流腐蚀
交流杂散电流对金属管道腐蚀的原理是，当管道接近或长距离与电力线平行时，高压电力线将在附近埋地钢管上感应产生二次交流电，使管道产生很高的感应电压，管道与周围土壤之间也产生可达几伏或几十伏的电位差。
当这些电流迭加在腐蚀的电化学原电池上时，相当于去极化作用，从而减轻了阳极和阴极极化现象和电化学钝态。
比起直流杂散电流腐蚀，交流杂散电流的腐蚀量并不大，但集中腐蚀性强。
大量的试片结果表明，不论是平均失重量或是腐蚀坑深都随着干扰电压、电流的增大而加强。
其中腐蚀坑深随干扰电压的升高而加大的趋势更明显更有规律性。
交流杂散电流干扰腐蚀不同于自然腐蚀，主要表现在：
①交流杂散电流干扰腐蚀过程
这是在一个变化迅速而强度甚大的电场作用下进行的化学腐蚀。
在强度上，它比自然腐蚀要大得多。
②在各种因素的影响下造成强电场的集中腐蚀
由于种种因素的影响，作用于管道上的交流电场非常不均匀，从而造成了强电场的集中腐蚀，这比直流干扰腐蚀更明显，易形成小孔腐蚀，造成穿孔。
③交流杂散电流干扰腐蚀的反应
这种腐蚀比一般腐蚀的电化学反应时间短得多，即在0.02秒内就可以形成腐蚀。
④交流杂散电流干扰腐蚀的损害
这种情况通常是低频率要比高频率造成的损害大。
1.2杂散电流产生的原理
在电气化机车运输系统中，钢轨除支持车轮在其土滚动外,同时又作为一个导电介质存在,即电气化机车的负荷电流是经过钢轨构成返回电路的。
但钢轨与大地不可能是绝缘的,所以,总会有一部分电流流经大地,或流经管路和电缆外皮,最后返回牵引变流所,如图1.1所示,这就是杂散电流。
图1.1直流杂散电流产生的原理图
Fig.1.1DCstraycurrentgeneratedschematic
杂散电流的数值在电机车负荷电流中所占的比例是相当大的。
目前,我国很多电气化机车的钢轨因缺乏经常性的维修，其接缝只有鱼尾板相连接,没有电气上的连接,故其杂散电流高达100%,即使把钢轨焊接成长轨,像路段1公里长轨之区段中部的杂散电流，也仍达17%。
由此可见,杂散电流随着轨道和底板间接触电阻的减少，轨道电阻的增加,杂散电流就愈大。
杂散电流的分布决定于牵引网路上的负荷。
图1.1是表示在单侧供电的线路上有一台电气化机车时杂散电流的流通情况。
为了便于分析问题，现以一台电机车为例,找出描述这一物理现象的数学摸型。
这在理论上是很难解决的。
为便于分析起见,我们作两点假设:
第一，假设空间的问题为平面的问题；
第二，假定电磁场的问题为电路的问题。
事实上，在电气化机车运输过程中,与电气化机车运输轨道平行的还有高压电缆等金属管线存在。
这些管线的电阻远比大地的电阻小得多[2]。
因此,它们是杂散电流的良好通道。
大部分杂散电流通过这些管线流回牵引变流所。
所以，上面的假设是可行的。
为了找到数学摸型,根据上面的假定,可画出等值电路。
如图1.2所示。
图1.2直流杂散电流的等值电路图
Fig.1.2TheequivalentcircuitofDCstraycurrent
图1.2中的
表示钢轨每公里的电阻;
表示钢轨与大地间每公里的电导,
；
表示钢轨与大地间每公里的接触电阻。
这个等值电路可列出下面的微分方程式:
（1.1）
（1.2）
简化1.1）、（1.2）式，整理得：
（1.3）
（1.4）
解微分方程式,（1.3）、（1.4），得到钢轨对地电位的公式：
（1.5）
式中：
A、B—根据边界条件确定的积分常数；
x—电机车距牵引变流所的距离;
（1.6）
把（1.5）式代入（1.3）式，得到钢轨中电流的公式：
（1.7）
（1.8）
（1.9）
得到的钢轨中的电流和电位对地的变化曲线如图1.3所示。
从图1.3钢轨对大地的电位变化曲线中看到,在负载端钢轨比大地的电位高,因此,有一部分电流从钢轨流进大地。
在牵引变电所附近,钢轨比大地的电位低,因此,杂散电流又从大地流回钢轨。
杂散电流距牵引变电所不同距离的变化情况如图1.3中下面一条的点线所示。
当距离为X/2时，杂散电流的数值最大，轨道中的电流最小。
图1.3直流杂散电流的分布规律图
Fig.1.3Straycurrentdistributionmap
某电气化机车运输过程中,距牵引变电所500米处设一假负载R如1.4图所示。
图1.4测定轨道对地电位变化曲线接线图
Fig.1.4Determinationoftrackongroundpotentialwiringdiagram
为了找出钢轨对地电位的规律和杂散电流的分布规律,测定时要保证一个大小不变的负载电流通过轨道。
因为电机车的位置和负载电流的大小经常变化,这给测定工作造成了一定的因难。
所以,在测定时,用假负载放在固定位置上来
代替电机车[3]。
假负载合闸后,通过90A电流进入轨道。
进行测定时,在轨道上距变电所250m处,设一局部接地极,拉出一根导线作辅助线,测量钢轨上每点对局部接地极的电位,其测定结果如表1-1所示,并描绘成图1.5中的（l）曲线。
表1.1某轨道对地电位测定值表
到变电所的距离（m）
0
20
40
60
80
100
120
140
钢轨对地电位距离（v）
-34
-32
-32
-30
-24
-20
-17
-14
到变电所的距离（m）
160
180
200
220
240
260
280
300
钢轨对地电位（v）
-13
-11
-10
-9
-7
-4
0
-12
到变电所的距离（m）
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
钢轨对地电位（v）
15
17
20
22
23
27
31
38
48
50
图1.5轨道对地电位变化曲线图
1.3杂散电流的危害
在运输系统中,除了架线与轨道之外,还铺设有高压电缆和各种金属管线。
这些管线都是由金属材料制成的。
在自然环境下，即使无杂散电流存在,金属的腐蚀也是很严重的，尤其是在潮湿的和酸性的环境中,金属的腐蚀是一种化学反应。
其化学反应式如下:
（1.10）
从反应式可以看出,酸性水中的硫酸根离子和原子的铁发生化学反应。
其腐蚀产物为
和FeS,它们的比例是3:
l。
金属的铁锈正是这两种物质的混合物。
在潮湿和酸性的环境中,由于电解作用而腐蚀金属,这种腐蚀的特点如同金属电解一样,其腐蚀的原理如图所示。
图1.6电解腐蚀金属原理图
Fig.1.6Electrolyticcorrosionofmetalschematic
电流从正电源流到正极,在电解槽中电流从正极板流出,而电子流恰恰相反,从正极板流向直流电源的正端[4]
正极板失掉电子而带正电.如下式所示:
铁离子与电解液中的硫酸根离子发生作用而变成硫酸盐,即化学反应式:
因此，带正电的金属脱落于电解液中,运输系统中的电缆外皮有电流流出,如同电解槽中的正极,因此被腐蚀。
根据法拉第电解定律,金属的腐蚀量可按下式进行计算:
（1.11）
式中:
m——电化当量（铅为3.865g/A时，铁为1.04g/A时）；
I——小时平均电流，A;
T——每年小时数，t=365×24h
1安电流每年可腐蚀金属量:
铅：
=3.865×365×24×
=33.86kg
铁：
=1.04×365×24×
=9.11kg
如果杂散电流不是1A,而是几十安培以上,那么,杂散电流所引起的金属腐蚀则是非常严重的。
高压电缆外皮中所通过的杂散电流是可以测定的。
通过测定的杂散电流值,可计算出金属的腐蚀量。
电缆外皮中通过杂散电流的示意图,如下图所示。
电机车在运行中,轨道上的电压降为
.假定轨道到电缆外皮的过渡电阻是R,电缆外皮的电阻为r,则电缆外皮中流过的电流为I，可写成下面的关系式:
（1.12）
因为r很小，所以
图1.7电缆外皮通过杂散电流的原理图
1.4杂散电流的排流保护方法
为了把在管道中流动的杂散电流直接流回（不再经大地）至电铁的回归线（铁轨等），需要将管道与电铁回归线（铁轨等）用导线作电气上的连接，这一作法称排流法[5]。
利用排流法保护管道不遭受电蚀，称为排流保护。
1.4.1直接排流法
把管道与电铁变电所中的负极或回归线（铁轨）,用导线直接连接起来，如图1.8。
这种方法无需排流设备，最为简单，造价低，排流效果好。
但是当管道对地电位低于铁轨对地电位时，铁轨电流将流入管道内（称作逆流）。
所以这种排流法，只能适用于铁轨对地电位永远低于管地电位，不会产生逆流的场合，而这种机会可能不多，限制了该方法的应用。
图1.8直接排流法示意图
1.4.2极性排流法
由于负荷的变动,变电所负荷分配的变化等,管地电位低于铁轨对地电位而产生逆流的现象比较普遍。
为了防止逆流,使杂散电流只能由管道流入铁轨，必须在排流线中设置单向导通的二极管整流器、逆电压继电器等装置,这种装置称排流器。
而具有这种防止逆流的排流法称极性排流法，如图1.9所示。
图1.9极性排流法示意图
Fig1.9Flowdiagramofpolarrow
1.4.3强制排流法
在管道和铁轨的电气接线中加入直流电流,促进排流的方法,如图1.10所示。
这种方法也可看做是利用铁轨做辅助阳极的强制电流阴极保护[6]。
由于铁轨对地电位变化大,所以也存在逆流问题,需要有防逆流回路。
这种方法可能使管道过保护,而使铁轨腐蚀加强,还可能对附近的埋地金属构筑物有干扰。
故采用这种方法时应慎重。
图1.10强制排流法示意图
Fig1.10Lawenforcementdrainagediagram
1.4.4接地排流法
与前三种排流法不同的是,管道中的电流不是直接通过排流线和排流器流回铁轨,而是流入接地极,散流于大地,然后再经大地流回铁轨，如图1.11所示。
这种排流法还可以派生出极性排流法和强制性排流法。
虽然排流效果较差,但是在不能直接向铁轨排流时却有优越性,缺点是需要定期更换阳极。
图1.11接地排流法示意图
Fig.1.11Flowdiagramofgroundrow
表1.2某轨道对地电位理论公式计算结果表
Table1.2Rail-to-groundpotentialofatheoreticalformularesultstable
到变电所距离（m）
0
20
40
60
80
100
轨道对地电位（v）
-34.00
-30.81
-27.74
-24.79
-21.93
-19.16
到变电所距离（m）
120
140
160
180
200
轨道对地电位（v）
-16.63
-13.84
-11.27
-8.74
-6.24
到变电所距离（m）
220
240
260
28o
300
轨道对地电位（v）
-3.78
-1.32
1.63
5.25
8.89
到变电所距离（m）
320
340
360
380
400
轨道对地电位（v）
12.25
16.28
20.06
23.92
27.88
到变电所距离（m）
420
440
460
480
500
轨道对地电位（v）
31.96
36.56
40.5
45.00
50.00
2实验方法
2.1.1试验所用仪器简介
这次现场试验我们所用的仪器为ZC-8接地电阻表，其外型尺寸见下表，辅助的配套设施还有导线若干、辅助接地探测棒四支。
ZC-8接地电阻表适用直接测量各种接地装置的接地电阻值，也可供一般低电阻的测量，0～1～10～100Ω规格还可以测量土壤电阻率[7]。
它的主要规格及量程见下表
表2.1ZC-8接地电阻表量程表
Table2.1ZC-8GroundResistanceRangeTable
规格
量程
最小分度值
1～10～100
0-1Ω
0.01Ω
0-10Ω
0.1Ω
0-100Ω
1Ω
10～100～1000
0-10Ω
0.1Ω
0-100Ω
1Ω
0-1000Ω
10Ω
此仪表的技术参数要求符合下面几个标准[8]。
①仪表贯彻中华人民共和国行业标准EBN21011接地电阻表的标准。
②仪表的基本误差以基准值的百分数表示其基本误差的极限为量程的±3%
③仪表的工作环境温度为-25～+40℃。
④仪表因温度变化引起指示值变化，换算成每变化10℃不大于基本误差。
⑤仪表的工作环境湿度为25%～80%，由此引起指示值的变化不大于基本误差。
⑥仪表工作位置为水平。
⑦仪表自水平工作位置向任一方向倾斜5°由此引起指示值的变化不大于误差的1/2。
⑧仪表在外磁场强度为0.4KA/m的影响下由此引起指示值的变化不大于基准值的1.5%。
⑨仪表线路与外壳间的绝缘电阻不低于20MΩ。
⑩仪表发电机手柄额定转速为150r/min。
2.1.2土壤电阻率的测定原理
土壤是一种电解质，在外加电场的作用下，会产生导电现象。
土壤电阻率与土壤腐蚀性有明显的关系，是地下金属材料腐蚀的主要影响因素，也是金属构件施行阴极保护设计的重要参数。
测量土壤电阻率的方法有很多，我们采用四极法[9]。
测量原理如图2.1所示。
图2.1测定土壤电阻率原理示意图
Fig.2.1Schematicdiagramofmeasurementofsoilresistivity
安装方法及过程与原理:
将四个金属棒垂直等距离插入土壤中，若金属棒为a，棒插入土壤中的距离应该小于a×5%。
按照示意图连接好之后，在两个外电极间AB施加一个电压，使介质中有电流通过，分别测量串联于外电极回路中的标准电阻上两支内电极之间的电位差（CD），根据欧姆定律计算出之间的电阻值。
我们采用ZC-8接地电阻表，电流由小型手摇发电机产生。
变压器上补偿电阻R上产生的电流与测量电流成正比。
当变压器的转换率为一时，通过R上的电流等于土壤中流过的电流。
两个测量探针棒C和D之间的电压降相当于电阻R上的电压。
测量段的电阻相当于土壤中探针棒之间测得的电阻。
这个值我们可以直接从表上出。
土壤电阻ρ可用下式进行计算：
ρ=2
aR（2.1）
式中：
Ρ—该地区的土壤电阻率，Ω·cm（Ω·m）;
a—探棒与探棒间的距离，mm（m）；
R—接地电阻表读数，Ω。
2.2管地电位的测定方法
2.2.1试验所用仪器
测定管地电位用的仪器是VC9802A数字万用表和饱和硫酸铜参比电极。
2.2.2现场测定过程和原理
在现场我们用的方法是参比法[10]。
将参比电极放在管道顶部上方1m范围内的地表潮湿土壤上，必须保证参比电极与土壤接触良好。
将万用表调整开关调整到适当电压档量程上，读取数据，准确作好记录。
当管道上有杂散电流干扰时，管地电位的变化是判断干扰程度的重要指标。
接线方法如下图所示：
图2.2参比法测试管地电位接线示意图
3某地管线土壤电阻率和管地电位的测量
3.1土壤电阻率的测定
在现场采集的数据和有公式算得的数据见下表：
表3.1一次测量土壤电阻率结果
编号
土壤电阻值（Ω）
土壤电阻率（Ω·m）
K1
1.7
21.35
K2
1.1
13.82
K3
0.8
10.05
K4
1.1
13.82
K5
0.5
6.28
K6
1.4
17.58
K7
0.1
1.256
K8
0.6
7.536
图3.1一次土壤电阻，电阻率测试图
表3.2二次测量土壤电阻率结果
编号
土壤电阻值（Ω）
土壤电阻率（Ω·m）
K1
0.9
11.3
K2
1.5
18.84
K3
1.3
16.33
K4
0.8
10.05
K5
0.9
11.3
K6
1.1
13.82
K7
1.4
17.58
K8
7
87.92
图3.2二次土壤电阻，电阻率测试图
表3.3三次测量土壤电阻率结果
编号
土壤电阻值（Ω）
土壤电阻率（Ω·m）
K1
4.5
56.52
K2
4.1
51.5
K3
2.1
26.38
K4
1.8
22.61
K5
2.2
27.6
K6
5
62.8
K7
3.19
40.1
K8
升级会员 