雜散電流金屬板屏蔽法對金屬板的模擬實驗

1、雜散電流金屬板屏蔽法對金屬板的模擬實驗（趙磊）（中石化長輸油氣管道檢測公司）摘 要 雜散電流腐蝕是長期困擾國內(nèi)外長輸油氣管道保護的共性問題。因此，研究雜散電流腐蝕的成因，確定有效的解決方案，有著十分重要的實際意義。本文對金屬板屏蔽法消除雜散電流做模擬實驗，對選用金屬板的金屬材質(zhì)，金屬板覆蓋面積，與雜散源和被保護管道距離等進行實驗分析，并得出實驗結(jié)論。關(guān)鍵詞 雜散電流；金屬板覆蓋；金屬板屏蔽；模型試驗中石化管道儲運公司所管轄的埋地管線，在正常陰極保護系統(tǒng)運行期間，小部分與高壓線路和變電站交叉或距離相近的管段出現(xiàn)了不同程度的雜散電流腐蝕現(xiàn)象。本文針對這一具體問題，從理論上對雜散電流腐蝕機理進行了深

2、入研究；經(jīng)過現(xiàn)場觀測、理論分析，查明了雜散電流腐蝕的根本原因，即電流泄漏和電位梯度：分別針這兩個原因，提出了采用犧牲陽極的陰極保護法及金屬板屏蔽法相結(jié)合的復(fù)合方案防止管道遭受雜散電流腐蝕。犧牲陽極陰極保護技術(shù)在應(yīng)用中已相對成熟，本文不再做進一步研究。對于金屬板屏蔽法，本文通過試驗室模型試驗及數(shù)值模擬計算相結(jié)合來驗證該方法解決管道雜散電流腐蝕問題的有效性。首先，設(shè)計并制作了雜散電流環(huán)境及試驗裝置，以研究金屬板屏蔽法對雜散電流環(huán)境電場的影響，通過系列試驗研究了屏蔽板的材料特性、幾何尺寸、接地方式及屏蔽板相對位置等主要參數(shù)對屏蔽效果的影響。其次，通過數(shù)值模擬仿真計算，進一步確認了金屬板屏蔽法防護雜散

3、電流腐蝕的有效性，并對影響屏蔽效果的主要因素進行了定量計算，得出了一些有意義的規(guī)律。模型試驗與數(shù)值計算結(jié)果表明，金屬板屏蔽法可有效地消除或弱化環(huán)境電場中本來存在的電位梯度，使管道免遭雜散電流腐蝕。同時明確了影響屏蔽效果的主要因素，最終給出了防護雜散電流腐蝕的合理方案。1 序 言1.1課題的理論意義和應(yīng)用價值課題來源于長輸油氣管線在鐵路或高壓電線和變電站附近管段的異常加速腐蝕問題，經(jīng)過一系列分析研究和現(xiàn)場觀測，知道了造成腐蝕的主要原因是雜散電流。長輸油氣管道由于埋設(shè)方式為地下埋設(shè)，由于絕緣防腐層的破損和損壞，會存在金屬管道暴露在土壤中的情況，我們對管道加設(shè)了-0.85v到-1.2v的恒電位陰極保

4、護，防止漏點處的管道被土壤層腐蝕，但是在與鐵路或高壓電線、高壓電站距離近或交叉時，存在電場，電場的電位分布是不均勻的，因此在電位梯度的作用下，電場影響下的管道就很容易產(chǎn)生雜散電流，進而遭受腐蝕。1.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢目前，地鐵、輕軌、地下管道等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都出現(xiàn)了不同程度的雜散電流腐蝕現(xiàn)象，引起了國內(nèi)外專家、學(xué)者的重視。通過研究，現(xiàn)在已經(jīng)基本確定了雜散電流腐蝕的各種形式以及一些基本的性質(zhì)。雜散電流主要有三種類型:(l)直流雜散電流腐蝕。電流來源于直流電流源，例如軌道傳輸系統(tǒng)、陰極保護系統(tǒng)等。根據(jù)雜散電流幅值和電流流經(jīng)路徑是否隨著時間發(fā)生變化，直接雜散電流將進一步分為靜態(tài)雜散電流和動

5、態(tài)雜散電流兩種。(2)交變雜散電流腐蝕。電流來源于交變電流源。例如高架交流電線等。(3)地球場的影響。屬于自然界的一種現(xiàn)象，由于地球磁場而引起雜散電流。目前工程中比較常規(guī)的解決雜散電流腐蝕的方法主要是“排流”和“截流”，就是采用疏導(dǎo)和堵截的方法。例如，我國上海軌道交通運輸系統(tǒng)的明珠線，在建設(shè)過程中，就采用了這兩種方法來解決雜散電流的腐蝕問題。美國側(cè)chardw技術(shù)主管對美國的數(shù)千條雜散電流腐蝕防護問題基礎(chǔ)研究地下管道，由于陰極保護系統(tǒng)造成的雜散電流腐蝕問題也做了分析研究，解決方法也基本相同。雜散電流腐蝕和其它腐蝕一樣，對工程建設(shè)以及國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的危害，因此現(xiàn)在許多發(fā)達國家都投入了大量

6、的人力、物力，對此問題進行了長期深入的研究，取得了一些成果。雜散電流的防護是一項系統(tǒng)工程，目前設(shè)計中的防護方法大致可歸納為3類:(l)控制和減小雜散電流的根源，隔離所有可能的泄漏雜散電路的途徑，叫做“堵”;(2)為雜散電流提供一個暢通的低電阻通路，叫做“排”;(3)檢測雜散電.流的大小以便超標時及時采取措施，叫做“測”。從雜散電流腐蝕的原理得知，只要破壞產(chǎn)生雜散電流腐蝕的三個條件中的任意一個，就可以防止雜散電流產(chǎn)生。使得管道與發(fā)生大電流或強烈磁場的區(qū)域徹底隔絕，從而徹底切斷引起雜散電流腐蝕得電流回路。這樣就不存在雜散電流得陰陽極了。從而切斷了產(chǎn)生雜散電流得回路。1.3本文的研究內(nèi)容雜散電流腐蝕

7、問題是長期困擾國內(nèi)外管道的一個共性問題。分析雜散電流腐蝕成因，確定有效的解決方案，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實用價值。針對本文提到的實際問題，論文提出犧牲陽極陰極保護法與金屬板屏蔽法相結(jié)合的復(fù)合防護方案。制作雜散電流電場環(huán)境。試驗水槽中加入人工模擬土壤層并稀釋，形成電解質(zhì)環(huán)境;由置于絕緣木板上的多個小銅片作為正極板，銅板作為負極板，通過電位分布測量儀向正負極板施加5v電壓，模擬存在電位梯度的電場環(huán)境。通過參比電極測得正負極板間標定好的十個測量點的電位值。為了驗證金屬板屏蔽方法的有效性并探討影響屏蔽效果的主要因素，實施相關(guān)參數(shù)的系列試驗:(1)在不采用金屬屏蔽板的情況下，直接測量正負極板間的電位分

8、布狀態(tài);(2)加金屬銅板作為屏蔽板;(3)改變屏蔽板的幾何尺寸;(4)改變屏蔽板的材料特性(導(dǎo)電性);(5)改變屏蔽板的相對位置。論文通過試驗室模型試驗對雜散電流腐蝕問題進行模擬，確定解決雜散電流腐蝕問題的可行方案，并且針對鐵路附近或高壓電線和變電站附近存在的雜散電流腐蝕環(huán)境提出解決方案，期望消除或大幅度弱化環(huán)境中的電位梯度，從而解決對管道造成的腐蝕。2 雜散電流的防護方法清楚了雜散電流產(chǎn)生的原因以后,就可以采用一些有針對性的防護措施。一般來說,雜散電流的防護是一項比較系統(tǒng)的工程。目前設(shè)計中經(jīng)常使用的防護方法大致可以歸納為三類:一,控制和減小雜散電流產(chǎn)生的根源,隔離所有可能的雜散電流的流經(jīng)途徑

9、;二,為雜散電流提供一條暢通的低電阻通路;三,檢測雜散電流大小以便超標時采取一些防護措施。在這三種防護方法中,第一種方法是從源頭上進行控制,是根本;第二、三種方法只是一種輔助方法。從源頭上控制和減小雜散電流一般認為是比較理想的方雜散電流腐蝕防護問題基礎(chǔ)研究。首先對于電流的泄漏造成的雜散電流腐蝕,我們可以采用傳統(tǒng)的犧牲陽極的腐蝕防護方法。雜散電流會產(chǎn)生一個電場,位于該電場的管道部分,分別被雜散電流陰極極化和陽極極化;雜散電流腐蝕在陽極區(qū)發(fā)生,如果雜散電流的電場較強,管道部分就會發(fā)生嚴重腐蝕。若存在雜散電流的電場,應(yīng)在原設(shè)計的陽極數(shù)量上適當增加一些陽極(根據(jù)實際測量電位數(shù)值)。但是犧牲陽極法管線進

10、行保護電位控制有影響。所謂犧牲陽極,是在一定的電解質(zhì)中用一種比所要保護的金屬電位更負的金屬或合金與被保護的金屬連接在一起,依靠電位比較負的金屬不斷溶解所產(chǎn)生的電流來保護其它金屬的方法。這種自身腐蝕的金屬或者合金,稱為犧牲陽極。采用犧牲陽極保護時,鋼質(zhì)管道最小保護電位應(yīng)達到一0.85V(相對銅硫酸銅參比電極),最大保護電位不超過-1.2V。目前常用的犧牲陽極材料主要是鋅合金。其次對于電位梯度造成的雜散電流腐蝕,可以采用金屬板的屏蔽法,此方法與采用靜電學(xué)中的靜電屏蔽方法原理相似。所謂靜電屏蔽就是利用導(dǎo)體隔斷外電場影響的一種方法(包括場強、電位等影響)。因此利用靜電屏蔽可以很好的改善原來電場的電位分

11、布,所以我們可以在管道和電場源之間設(shè)置一塊鋼板，采取合理的形狀長度和接地方式，這樣就起到了消除海區(qū)電場對管道的影響,進而消除雜散電流。3 實 驗 內(nèi) 容模型試驗分六組進行:第一組試驗的主要目的是為了評估金屬板屏蔽方法防護雜散電流腐蝕問題的有效性。第二組試驗的目的是定性分析屏蔽板大小對屏蔽效果的影響。第三四組試驗的目的是在實驗室中模擬點電源管線產(chǎn)生的雜散電流所引起，存在電位梯度的電場環(huán)境。第五組試驗的目的是為了驗證金屬材料屬性(主要是電導(dǎo)率)對屏蔽效果的影響。第六組試驗的目的是為了驗證屏蔽板布置位置對屏蔽效果的影響。通過下面的六組試驗,驗證金屬板屏蔽效果的有效性,并確定影響屏蔽效果的主要因素。第

12、一組試驗:將lmxo.6m的銅版作為屏蔽板,在實驗室分別測得自然狀態(tài)、加屏蔽板及加屏蔽板并將其接地三種不同情況下,水槽中10個測量點的電位分部情況。1.在試驗室中通過模型試驗,可以很好的模擬由雜散電流引起的存在電位梯度的電場環(huán)境。2.加屏蔽板后,電位梯度沒有明顯變化。3.將屏蔽板接地,電位梯度明顯消失。通過上面分析,我們得出以下結(jié)論:接地的金屬板可以起到很好的屏蔽效果,使電解質(zhì)環(huán)境下的地位梯度明顯消失。第二組試驗:改變屏蔽板的大小,重復(fù)上面的操作步驟。將0.2mx0.2m的銅版作為屏蔽板并接地,測得水槽中10個測量點的電位分部情況采用0.2mx0.2m的屏蔽板,屏蔽板后的電位分別亦趨于平緩,梯

13、度基本消失。而采用小銅片做為屏蔽板,電位梯度仍然很明顯,沒有起到理想的屏蔽效果。通過上面分析,我們得出以下結(jié)論:屏蔽板大小對屏蔽效果有一定影響。試驗只做定性分析,后章的數(shù)值計算將做定量計算確定合適的屏蔽板大小.第三組試驗:將多個小銅片作為正極模擬點電源管線。分別測得自然狀態(tài)及銅板作為屏蔽板并接地的兩種情況下,水槽中10個測量點的電位分部情況我們可以看出:1.試驗室中,通過多個小銅片作為正極來模擬點電源管道,可以很好的模擬由雜散電流引起的存在電位梯度的電場環(huán)境。2.加屏蔽板并接地后,電位梯度明顯消失。通過上面分析,我們得出以下結(jié)論:多個小銅片作為點電源,可以很好的模擬管道產(chǎn)生的雜散電流所引起的存

14、在電位梯度的電場環(huán)境;接地的金屬板可以起到很好的屏蔽效果,使電解質(zhì)環(huán)境下的地位梯度明顯消失。我們可以看出:1.試驗室中,通過3個小銅片作為正極來模擬點電源管道,可以很好的模擬由雜散電流引起的存在電位梯度的電場環(huán)境。銅片數(shù)量減少,對試驗結(jié)果沒有太大影響。2.加屏蔽板并接地后,電位梯度明顯消失。通過上面分析,我們得出以下結(jié)論:適當數(shù)量的小銅片可以很好的模擬管道產(chǎn)生的雜散電流所引起的存在電位梯度的電場環(huán)境。第四組試驗:將三個小銅片作為正極模擬點電源管道的岸電。分別測得自然狀態(tài)及銅版作為屏蔽板并接地的兩種情況下,水槽中10個測量點的電位分部情況,我們可以看出:1.試驗室中,通過3個小銅片作為正極來模擬

15、點電源管道,可以很好的模擬由雜散電流引起的存在電位梯度的電場環(huán)境。銅片數(shù)量減少,對試驗結(jié)果沒有太大影響。2.加屏蔽板并接地后,電位梯度明顯消失。通過上面分析,我們得出以下結(jié)論:適當數(shù)量的小銅片可以很好的模擬管道產(chǎn)生的雜散電流所引起的存在電位梯度的電場環(huán)境。第五組試驗:改變屏蔽板的材料特性,分別由銅板,鋁板,鋼板作為屏蔽板,并接地。為避免屏蔽板與正極形成原電池,將正極板的小銅片換成石墨。銅板作為屏蔽板,測量水槽中10個測量點的電位分布情況我們可以看出,鋁板的屏蔽效果稍差,銅板和鋼板的屏蔽效果較好,且二者結(jié)果無明顯差別。下表是三種金屬的材料特性及價格,從表中可以看出,銅的導(dǎo)電性最好,鋁其次,鋼的導(dǎo)

16、電性相對較差,而三種材料的價格從高到低依次為銅,鋁,鋼。4 結(jié) 論本章進行了六組不同的試驗。通過第一組試驗的結(jié)果表明,金屬板屏蔽法可以有效防護管道雜散電流腐蝕問題。第二組試驗我們得出結(jié)論,屏蔽板的大小對管道有一定影響。第三四組試驗是對模型試驗的改進。第五組我們得出結(jié)論:金屬的導(dǎo)電性對屏蔽效果有一定影響。但化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性能較好的金屬均能起到較好的屏蔽效果。根據(jù)性價比綜合考慮,選擇鋼板作為屏蔽板更為合理。第六組試驗我們得出結(jié)論:屏蔽板距管道距離對屏蔽效果影響不大。由此,通過本章的試驗研究,我們可以得出以下結(jié)論:試驗室中可以模擬管道產(chǎn)生的雜散電流所引起的存在電位梯度的電場環(huán)境;采用金屬板的屏蔽

17、方法,可以有效的防護管道與鐵路、高壓電線交叉遭受雜散電流腐蝕;同時,探討了不同因素對屏蔽效果的影響。二者之間距離對屏蔽效果影響不大,故可根據(jù)工程實際,合理布置屏蔽板的位置。通過改變屏蔽板的大小,定量計算了能起到較理想屏蔽效果的有效屏蔽板大小,對于不小與一半被影響的管道長的金屬屏蔽板,均能起到較好的屏蔽效果,從而使管道避免遭受雜散電流腐蝕。參考文獻(1)孫志海,袁庚,朱斌,張延武.陰極保護在“引碧入連”供水工程中的應(yīng)用(2)馬宏儒.必須重視城市軌道交通雜散電流的腐蝕問題.城市管理與科技.2001.3(3)RiehardW.Bond,P.E.Straycurrenteffeetsonduetile

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