轨道交通动态杂散电流对埋地管道的干扰腐蚀试验(已用)

第31卷第3期2010年3月

腐蚀与防护

CORROSION&PROTECTION

Vol.31　No.3March2010

试验研究

轨道交通动态杂散电流对埋地管道的干扰腐蚀试验

王新华1,刘菊银1,何仁洋2,陈振华1

(1.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124;2.中国特种设备检测研究中心压力管道部,北京100013)

摘　要:轨道交通动态杂散电流是造成城镇埋地燃气钢质管道腐蚀泄漏的主要原因。由于现场环境的复杂多变,目前对动态杂散电流干扰腐蚀的研究尚未深入,动态杂散电流危害评估主要建立在经验判断的基础上。本工作在实验室搭建动态杂散电流加速腐蚀试验平台,研究了杂散电流的时变规律以及管地电位变化特征,同时也研究了动态杂散电流干扰环境下土壤酸碱度、土壤电导率、杂散电流频率以及杂散电流密度对管道腐蚀速率的影响,利用回归分析方法建立了腐蚀速率计算的数学模型,确立各影响因素对腐蚀速率的贡献率,并验证了模型的可靠性,为现场埋地钢质管道腐蚀危害性评价提供了一定的依据。关键词:动态杂散电流;腐蚀速率;回归分析;危害评估

中图分类号:TG174.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:10052748X(2010)0320193205

DisturbedCorrosionofBuriedGasPipe2linesInducedbyailStrayCurrent

WANGXin2hua1,LIUJu2yin1,HE2hua1

(1.BeijingUniversity,China;

2.ChinaDetectingof,Beijing100013,China)

Abstract:Mostoftheisinducedbythedynamicstraycurrentleakingfromtherail

traffic.Dueofthefieldenvironments,in2depthstudyondynamicstraycurrentdisturbanceis,thehazardjudgmentofdynamicstraycurrentismainlysetuponthebasisofworkingAstray2currentacceleratedcorrosiontestplatformwassetuptoinvestigatethetime2varyingpatternsofstraycurrentandthechangingcharactersofpipe2to2soilpotential.

TheeffectsofsoilpH,soil

conductivity,straycurrentfrequencyanddensityoncorrosionratewerealsoinvestigated.Amathmodelwasbuilttoestablishthefactors′contributionratetopipelinecorrosionandthereliabilityofthemodelwasverified,whichprovidestheoreticalevidenceforthejudgmentofburiedgaspipelines’corrosionhazard.

Keywords:dynamicstraycurrent;corrosionrate;regressionanalysis;hazardevaluation

　　随着我国城镇燃气的普及使用以及轨道交通的蓬勃发展,埋地燃气钢质管道杂散电流的腐蚀问题愈来愈引起了人们的关注。据调查,目前90%以上的城镇埋地燃气钢质管道防腐蚀层破损、剥离以及腐蚀穿孔等缺陷均由地铁等轨道交通泄漏到土壤中的动态杂散电流所引发[1],不仅造成了巨大的国民经济损失,同时也带来安全隐患。因此,对管道上的动态杂散电流进行测试与危害评估具有重要科学研究价值与经济意义。但是,埋地金属管道的腐蚀受

收稿日期:2009204204;修订日期:2009206210

基金项目:国家质检总局质检公益性行业科研专项项目(072

10250201)

外力破坏、土壤水分、含氧量、酸碱度、电导率以及环

境杂散电流等诸多因素影响,各影响因素变化频繁、杂乱,现场试验难以进行因素控制、数据观察与统计计算,导致动态杂散电流腐蚀判断成为一个复杂的过程[2]。本工作在实验室搭建实验平台,模拟动态杂散电流腐蚀干扰环境,研究埋地钢质管道发生腐蚀危害的影响因素及其危害性,以及管道动态杂散电流干扰的规律和外部表征,为现场埋地钢质管道动态杂散电流干扰调查提供一定的科学依据。

1　轨道交通动态杂散电流干扰腐蚀机理

目前,国内外地铁轨道交通普遍采取走行轨回流的直流牵引供电方式,供电电压按供电站距离可分为750V、1500V和3000V三个系列[3],如图1所

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联系人:王新华,教授,wxhemma2005@http://doc.guandang.net

王新华等:轨道交通动态杂散电流对埋地管道的干扰腐蚀试验

示。当牵引电流沿地面敷设的走行轨流动时,由于走行轨绝缘保护措施的不彻底以及土壤环境充当电解质,有少量的电流泄漏到土壤中。若轨道附近埋设的金属管道存在防腐蚀层破损、剥落等现象时,金属电阻率与土壤相比要小很多,因此,泄漏到土壤中的干扰电流绝大部分进入管道,在管道防腐蚀层破损点处流进流出,并且在电流流出点发生电化学反应,管体金属失去电子,致使管体发生腐蚀[4]

。

流,经功率放大后,杂散电流流入试验管道,腐蚀挂片模拟管道破损点,钢电极桥接土壤溶液与功率放大器,形成“信号发生器→功率放大器→电流表→试验管道→腐蚀挂片→土壤溶液→钢电极→功率放大器”的腐蚀回路,并在管道破损点———腐蚀挂片处发生电化学腐蚀。参比电极用于测试破损点处管地电位,经数据采集卡采集,在上位机实时显示,并统计数据特征,得出腐蚀评价结论

。

图1　轨道交通动态杂散电流干扰原理

美国的Cotton[5]等人研究认为:只有一辆机车运行时,的干扰电流Istray如式(1):

I/e

2

(1)

式中:I,A;rt为轨道电阻,Ω/km;l为机车与变电站之间的距离,km;re为轨道对地电阻,Ω/km。

通过计算,Cotton等人发现,当机车运行时,机车泄漏到下方土壤中的电流密度可达0.5A/m2。根据法拉第电解定律(M=mIt,其中电化当量m=1.04g/A h),1A的电流通过钢管表面流向土壤

2.2　试验内容

溶液一年可产生9.11kg铁金属蚀失。如此大的干扰电流,势必严重缩短管道的使用寿命。

试验在15℃环境下进行。根据土壤物化性质,

用工业纯Na2SO4、NaCl和NaHCO3按照3∶6∶1的质量比调配模拟土壤溶液,并用稀NaOH和H2SO4调节土壤溶液酸碱度,获得试验需要的土壤电导率和pH值。按照《埋地钢质管道石油沥青防腐层施工及验收规范》标准涂制管道防腐蚀层[6],制作与管道相同材质的腐蚀挂片,尺寸均为20mm×20mm×3mm。表1列出了部分实验设备及其用途。

中国幅员辽阔,土壤类型繁多,土壤pH值一般分布在5.0～9.0之间,电导率多分布在0.3～15mS/cm之间[7],充分考虑真实环境与实验条件,取pH=3.0～11.0五水平;λ=1.5～13.5mS/cm五水平;波兰教授K.Darowicki和K.Zakowski曾对管地电位数据进行STFT处理,设定其频率范围为0～5.0Hz[8],但未指明原因,考虑到有用信号多为

2　动态杂散电流加速腐蚀试验

2.1　动态杂散电流加速腐蚀试验装置

目前,通过测试管地电位来判断动态杂散电流的干扰情况是最简便的方法,但是干扰评价尚无标准可依,主要依靠测试人员的工作经验进行主观判断。因此,实验室拟采用腐蚀挂片失重法,通过改变土壤环境因素和动态杂散电流参数来研究管道腐蚀规律,并采集管地电位数据,对数据进行分析来评价动态杂散电流干扰的严重性。图2与图3所示为动态杂散电流加速腐蚀试验原理图与试验装置。利用数字信号发生器发出的脉冲信号模拟动态杂散电

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低频信号,因此取脉冲频率f=5.0～30.0Hz六水

王新华等:轨道交通动态杂散电流对埋地管道的干扰腐蚀试验

表1　试验设备及用途

仪器型号

SG1005型信号发生器

GF210型功率放大器DDS212D型电导率仪PHS22C型pH计232型甘汞参比电极TG328A分析天平

用途

发出脉冲信号模拟动态直流杂散电流放大脉冲信号,提供足够大的杂散电流测量模拟土壤溶液电导率测量模拟土壤溶液pH值测量管道破损点管地电位测量腐蚀挂片失重测试管内干扰杂散电流

因此,试验取DI=

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