1.上海道盾科技股份有限公司； 2.沈陽龍昌管道檢測中心

1 前言

潮汐能是由潮汐現象產生的能量，包括潮汐和潮流兩種運動方式所形成的能量。中國海岸線長度為1.8萬公里，海區潮汐資源相當豐富，潮汐類型多種多樣。隨著沿海埋地管道增多，潮汐能對埋地鋼制管道的直流雜散電流干擾問題也隨之出現。

2 潮汐能干擾機理

管道電位的波動主要由地電流干擾引起，而地電流是太陽粒子與地磁場相互作用產生的。

帶電粒子進入地球大氣層，在地磁場作用下發生偏轉，在以北極和南極周圍為中心的電離層中產生電流環。由于該電噴流的幅度變化和方向變化產生一個變化的磁場，在地球表面或附近的金屬導體（管道）上會感應產生一個電場，其原理類似于交流高壓輸電線引起的感應，如圖 1所示。

潮汐能是增加地電流干擾頻率和幅度的因素之一，管道越長，防腐層質量越好，管道產生的感應電壓越大，如圖 2所示。

隨著海水的潮漲潮落，在地磁場作用下海峽地帶或海灣處會產生電場（圖 3），電場在大地中產生地電位梯度，進而干擾管道電位。高潮時，管道側的地電位梯度大于海岸線側，管道電位正向偏移，低潮時 則相反；地電位梯度隨著高潮時間不斷累積，也隨之增大，低潮時則相反；所以受干擾管道電位是隨著時間緩慢變化的（逐漸正向或負向偏移）。

潮汐能是大自然中客觀存在的能量，無法消除。與普通的雜散電流干擾不同，管道各段電位波動情況一致，電流沒有固定的流入流出點。沿海岸線敷設或距離海岸線較近的管道均可能受潮汐能干擾。

3 潮汐能干擾案例

3.1 基本情況

如圖 4所示，某管線K1―K2管段的65 km管道與海岸線并行， K2位置為該管段終點，管道路由距離海岸10 km～15 km。日常測試中發現該管段直流通電電位間歇發生波動，且時間段比較規律。采用HC﹣069雜散電流記錄儀對管道直流電位進行48 h監測，通電電位波動情況如圖 5所示。針對規律性的電位波動情況，將全線恒電位儀關機24小時后，再次48 h同步監測管道直流電位，監測位置有K1、 K1與K2中點、 K2。所得電位監測曲線如圖6～8所示。

3.2 干擾情況驗證

由圖 6～8可知，該段管道在48 h內電位波動方向和強弱基本一致，可以看出該管段電位異常波動為同一干擾源所致。該管段直流電位每天都有2次正向偏移和2次負向偏移（相較于自然電位﹣0.7 VCSE），在凌晨1:30電位達到最正，經查詢煙臺潮汐時間表（表 1，來源于天氣網），對照監測管道電位波動日期及時間， K1位置管道電位變化與潮汐時間關系如 表 2所示。

從結果可知，管道直流電位隨潮汐的高潮—低潮—高潮發生而變化，且在高潮或低潮時，正向偏移或負向偏移達到峰值。

為了進一步驗證潮汐能對管道陰極保護電位的干擾，選擇不同日期進行電位監測，圖 9為恒電位儀開啟狀態下管道電位監測曲線。監測日期內K1管道電位變化與潮汐時間關系如表 3所示。

    

可以看出，管道電位變化的極值與潮汐產生的高潮和低潮時間點有極大相關性，均是在高潮時管道電位正向偏移，低潮時管道電位負向偏移。因此推斷直流電位波動受潮汐能干擾所致。

4 潮汐能干擾危害

短時間的電位正向偏移不會對管道的陰極保護效果產生影響，但如果經常長時間發生電位正向偏移，便有可能發生嚴重的腐蝕。

日常測試管道斷電電位時，可以斷開陰極保護電流，但無法斷開地電流產生的電壓降V t，這會產生很大的電位測試誤差（圖 10），因此采用垂直管道放置2個試片的方法測試管道通斷電位曲線（圖 11）。

      

可以看出，通電電位如果在偏負狀態下劇烈波動，斷電電位維持在一個穩定的狀態，并可以達到有效陰極保護（﹣0.85 VCSE～﹣1.2 VCSE）。如果通電電位長時間處于正向偏移狀態，斷電電位很難達到陰極保護準則要求（﹣0.85 VCSE～﹣1.2 VCSE），這極大地增加了腐蝕風險。

澳大利亞標準AS 2832.1―2015規定：①對存在地電流干擾影響的位置要求對結構進行地電流影響的測試時，通常必須記錄20 h的電位。如果采用數據記錄儀監測電位，其采樣頻率應不低于1次／min。②受地電流影響的結構的電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的10％。確定電位的變化幅度時，應對記錄期間電離層擾動的程度進行評價。

受潮汐能干擾的管道通電電位近17%的時間持續正于﹣0.85 VCSE，斷電電位未達到﹣0.85 VCSE的時間也超過10%，故需要對管道采取一系列措施來緩解 干擾。

5 潮汐能干擾的緩解及維護建議

（1）管道陰極保護采用強制電流與犧牲陽極聯合保護的方式

其目的是在不損害陰極保護效果的前提下，提供安全的低電阻對地泄流路徑，只要土壤電阻率足夠低，能夠使犧牲陽極有效輸出電流，且排除一部分電流，沿線分布的犧牲陽極就會有效緩解地電流腐蝕影響（圖 12）。

（2）管道沿線埋設試片用于日常通斷電位測試或用來進行腐蝕狀況監測

由于大地中存在的地電位梯度無法消除，傳統的管道通電電位、斷電電位測試已經無法準確評估管道真實的陰極保護狀況。為了消除地電流影響，可以埋設參比管以及雙試片或環形試片來準確測試管道陰極保護狀況，如圖 13所示。

（3）監測腐蝕速率

潮汐能干擾對埋地管道腐蝕的影響目前尚無更多案例。為了準確監測并驗證是否對管道陰極保護效果及管道腐蝕產生影響，建議在距離海岸線相對較近位置設置陰極保護智能監測設備及ER腐蝕速率測試探頭進行同步監控。

參考文獻：

[1]  GB 50991―2014 埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準[S].

[2]  GB/T 21448―2017 埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S] .

[3]  GB/T 21447―2018 鋼質管道外腐蝕控制規范[S].

[4]  GB/T 21246―2007 埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法[S].

[5]  SY/T 0029―2012 埋地鋼質檢查片應用技術規范[S].

[6]  胡士信.陰極保護工程手冊.北京：化學工業出版社.1999.

[7]  AS 2832.1―2004， Cathodic protection of metals Part1:Pipes and cables[S].

[8]  CP3-Cathodic Protection Technologist course manual.

 

作者：鄒德龍，上海道盾科技股份有限公司壓力管道檢驗員。