（机械设计及理论专业论文）埋地钢质管道杂散电流测试分析技术研究.pdf

摘要 摘要 管道是目前输送石油、天然气的主要运输方式，是国家的生命线。大地中由 于各种原因而广泛存在的杂散电流会对埋地钢质管道产生腐蚀破坏作用，从而造 成其阴极区防腐层的老化和剥落、阳极区的坑蚀。国内外对杂散电流的研究已越 来越重视，然而目前仍缺乏对杂散电流测试分析技术系统深入的研究，尤其在杂 散电流对埋地钢制管道造成的腐蚀危害性评估方面尚无准确的、量化的评估方法 与技术标准。 论文针对目前国内外直流杂散电流检测与评价存在的一些关键技术问题，开 展系统深入的研究，取得了以下研究成果： ( 1 ) 论文在现有理论和技术基础之上，通过对目前杂散电流测试技术进行 对比分析，探讨了直流杂散电流在不同分类标准下的分类情况，并对其中两种典 型的直流杂散电流，即阴极保护装置及直流电气化铁路系统产生的杂散电流建立 了相应的物理模型，对其测试参量进行理论研究。 ( 2 ) 利用小波变换消噪理论并结合m a t l a b 小波变换工具箱，对埋地钢质管 道管地电位信号中的噪音信号进行了有效滤除，从而实现了对埋地钢质管道杂散 电流信号的有效提取。 ( 3 ) 通过有限元分析软件对埋地钢制管道杂散电流进行电磁学仿真研究， 模拟了管线系统产生杂散电流的原因，并对影响杂散电流大小的因素进行仿真分 析；建立了强制电流阴极保护管线系统的有限元电场分析模型，系统研究了阴极 保护管线及受干扰管线周围空间的电场、电位分布情况以及管道方位、保护电流 强度、管线间距、土壤电阻率等因素对电位分布的影响规律；研究了由于渗漏电 流产生的杂散电流同渗漏电流之间的关系。 ( 4 ) 通过对试验数据进行正交试验，分析了直流杂散电流与土壤湿度、氧 化还原电位、自然腐蚀电位、含盐量、电阻率、p h 值及电位梯度等7 个土壤环 境因素之间的交互作用关系，并在此基础上提出了基于神经网络的杂散电流危害 性评估方法，开发了基于人工神经网络的直流杂散电流危害性评估软件。 关键词：埋地钢质管道；杂散电流；检测分析技术；神经网络；腐蚀危害 北京工业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p i p e l i n e sa r em a i nm o d e st oc o n v e yo i la n dg a s ，t h u st h e ya r ec a l l e dt h en a t i o n a l l i f eb l o o d b u r i e ds t e e lp i p e l i n e sc a nb ed r a m a t i c a l l yc o r r o d e db ys t r a yc u r r e n tt h a tw i d e l ye x i s t s d u et ov a r i o u sr e a s o n sw h i c hc a u s e sa g i n ga n de x f o l i a f i o no ft h ea n t i c o r r o s i v ec o a t i n gi nn e g a t i v e p o l a r i t yz o n ea n dp i t t i n gc o r r o s i o ni na n o d er e g i o n m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h es t u d y o fs t r a yc u r r e n th o m ea n da b r o a d ，b u ts t i l li t si m p o r t a n tt or e a s e a r c hd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yo n t h et e c h n o l o g yo ft e s t i n ga n da n a l y s i so fs t r a yc u r r e n t ，e s p e c i a l l yi nt h ee v a l u a t i o no ft h eb u r i e d s t e e lp i p e l i n e sc o r r o s i o nd u et os t r a yc u r r e n t 蠲t h e r ei sn oa c c u r a t ea n dq u a n t i z e dm e a n sa n d t e c h n i c a lc r i t e r i o n t h ep a p e rp r o c e e d e ds y s t e m i ca n dd e e ps t u d ya i m i n ga tk e yt e c h n o l o g yo fd e t e c t i n ga n d e v a l u a t i n go nd i r e c ts w a yc u r r e n t d o m e s t i ca n do v e l 黜n ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sw e r e o b t a i n e d ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fc u r r e n tt h e o r ya n dt e c h n o l o y , b yc o m p a r i s i o na n da n a l y s i so ft e s t i n g t e c h n o l o g yo ns t r a yc u r r e n tt h a t si nu s e ，c l a s s i f i c a t i o no fs t r a yc u r r e n ti nd i f f e r e n tc l a s s i f i c a t i o n e r i t e r i a sw a sd i s c u s s e da n dr e l e v a n tp h y s i c a lm o d e l sf o r2t y p i c a l s w a yc u r r e n tc a u s e db y c a t h o d i c a lp r o t e c t i o nd e v i c e sa n dd ce l e c t r i c a lr a i l w a ys y s t e m sw e r eb u i l t ，a n da l s ot h e o r e t i c a l s t u d i e so nt e s t i n gp a r a m e t e r sw e r ec a r r i e do u t ( 2 ) b ym e a n so f w a v e l e td e - n o i s i n gt h e o r ya n dw e l v e tt r a n s f o r mt o o l b o xi nm a t l a b ，e f f e c t i v e f i l t e r i n g t ot h en o i s e si np i p e l i n e s o i ls i g n a lo fb u r i e ds t e e lp i p e l i n e sw a sp e r f o r m e d , a n d e x t r a c t i o no fs t r a yc u r r e n ts i g n a lo fb u r i e ds t e e lp i p e l i n e sw a sr e a l i z e d ( 3 ) t h ef i n i t ea n a l y t i c a ls o f t w a r ew a sa p p l i e dt om a k ee l e c t r o m a g n e t i ce m u l a t i o no ns t r a y c u r r e n to fb u r i e ds t e e lp i p e l i n e s s i t u a t i o no fs t r a yc u r r e n tt op i p e l i n es y s t e m sw a ss i m u l a t e da n d a l s of a c t o r e st h a ta f f e c tt h es t r a yc u r r e n tm a g n i t u d e 、e 佗a n a l y z e d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l o fe l e c t r i c f i e l dw a se s t a b l i s h e da n dd i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l da n dp o t e n t i a lo nt h ec a t h o d i c l y p r o t e c t e dp i p e l i n e sb yi m p r e s s e dc u r r e n ta n di t sa d j a c e n td i s t u r b i n gp i p e l i n e sw a ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e i na d d i t i o n t h el a w so ff a c t o r sa f f e c t i n gp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nw e r ea l s or e s e a r c h e ds u c ha s v a r i e dp i p e l i n ep o s i t i o n s ，v a l u eo f p r o t e c t i o nc u r r e n t ，s p a c i n gb e t w e e np i p e l i n e sa n ds o i lr e s i s t i v i t y a sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e a kc u r r e n ta n ds t r a yc u r r e n t ( 4 ) t h r o u g hs t u d y i n go ni n t e r a c t i o n sw i t h i nd i r e c ts t a r yc u r r e n ta n d7s o i le n v i r o m e n t a l f a c t o r si n c l u d i n gs o i lm o i s t u r e ，r e d o xp o t e n t i a l ，f r e ec o r r o s i o np o t e n t i a l ，s a l i n i t y , r e s i s t i v i t y , p h v a l u ea n dp o t e n t i a lg r a d i e n tb yo r t h o g o u a le x p e r i m e n t ，an o v e ls t r a yc u r r e n tc o r r o s i o ne v a l u a t i o n m e t h o dw a sp r o p o s e da n das o f t w a r ec a l l e d e v a l u a t i o no fh a r m f u l n e s so fd i r e c ts t r a yc u r r e n t b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o t k w a se x p l o i t e d k e y w o r d s ：b u r i e ds t e e lp i p e l i n e s ；s t r a yc u r r e n t ；d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ；, n e u r a ln e t w o r k ； e v a l u a t i o no f c o r r o s i o nh a r m f a i n e s s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：葛，办 i ，j1 、一厶7 同期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1课题背景 ( 1 ) 埋地钢质管道腐蚀 随着我国经济持续、快速发展，特别是石油化工、能源、电力、冶金、城市 建设的发展，人民生活水平的提高，社会对埋地管道的需求迅速增加。埋地管道 中的长输和城市燃气管道在国民经济中占有极为重要的战略地位，被称为国家重 大生命线。截至2 0 0 7 年底，中国国内已建油气管道的总长度约6 万千米，其 中原油管道1 7 万千米，成品油管道1 2 万千米，天然气管道3 1 万千米乜1 。 与此同时埋地压力管道的腐蚀问题也突显出来，开始引起人们的极大关注。 近年来，国内管道腐蚀造成的事故时有发生。根据初步统计，我国在2 0 0 3 年3 月至2 0 0 8 年1 月间，城市天然气管道输送系统事故( 不包括室内天然气泄露、 爆炸) 共有6 7 起，事故涉及3 9 个市县。事故发生后，轻则使燃气、电力供应及 相关生产中断，人们正常生活、工程施工受到影响；重则几百、上千人员疏散， 甚至发生火灾、爆炸事故，导致人员伤亡。中国城市燃气协会在全国范围内做了 一次统计口1 ：1 9 9 9 2 0 0 2 年，全国各地区发生燃气爆炸事故2 6 1 起，死伤7 0 0 余 人，其中8 0 以上都是因为管道严重腐蚀而穿孔漏气引起的h 1 。 此外，随着城市建设的加快，电力、通讯、地铁、城市轨道等市政建设也在 飞速发展。在现代城市和工业区，埋地水管、煤气管道、天然气管道、通讯电缆、 电力电缆以及电车路轨等地下结构越来越多，铺设长度急剧增加，相互间彼此平 行或交叉，距离很近。对有些地下结构虽然采取了阴极保护措施，且表面上始终 维持阴极保护水平，但仍常因杂散电流的存在发生腐蚀破坏，从而造成埋地金属 管道阴极区防腐层的老化和剥离，阳极区发生严重的坑蚀。由于杂散电流的存在， 使评定阴极保护系统的效果变得复杂化，有时甚至会得出错误的结论。据东北输 油管理局统计啼1 ，东北地区共有长输油管道约2 0 0 0 k m ，由于电气化铁路等设施 的大规模建设，受到杂散电流干扰影响的管道日益增多，其中8 0 的腐蚀穿孔 事故来自杂散电流的影响，严重时位于直流电气化铁路附近的管道半年就发生腐 蚀穿孔，杂散电流对金属管道的强烈腐蚀作用由此可见。 ( 2 ) 杂散电流概述 许多因素都会影响金属构筑物的外腐蚀，其中之一便是杂散电流干扰1 。在 设计或规定的回路中意外流动的电流称杂散电流盯1 。杂散电流从1 9 1 7 年开始就 已经正式成为阴极保护专业研究的一个领域哺1 。 杂散电流腐蚀与自然腐蚀存在着显著的差异呻1 ，如表1 1 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 1 杂散电流腐蚀与自然腐蚀差异 t a b l e l - 1 d i f f 删c e s b e t w e e ns t r a y - c u r m a tc o r r o s i o n a n d n a t u r a lc o r r o s i o n 哽目自然腐蚀电蚀 孔蚀倾向较小有黄色或黑色的质 孔蚀倾向较大，刨面光滑，有时是金属 外观地较疏松的锈层，创面边缘不整 光泽，边缘较整齐腐蚀产物似碳黑色 齐，清除腐蚀产物后创面较粗糙。 ：嚣主趋妻；，存在时_ 可明显观察到 环境几乎在土壤中均可发生。 i 警嚣：! i 龋j 一”聃 腐蚀均匀有空洞时亦表现洼皿 ；驾! 霉i i 釜型要i 黯；鬈麓外观 状，腐蚀产物不透明的粉状物。 _ = i 透明的或自色的结晶物。 环境 j ? 芸臻淼譬8 5 胡之 地下水为中性，普遍会有氧化物、碳酸 盐和硫酸盐。 典型的杂散电流腐蚀形貌如图1 1 所示。 图1 - 1 典型杂散电流腐蚀 f i gl - 1r e p r e a m m l i v es t n y - c u r r e n tc o n 吲。日 杂散电流按照电流类型可以分为直流杂散电流和交流杂散电流，其中直流杂 散电流对管道的腐蚀影响擐大。直流杂散电流腐蚀的危害程度通常是其他形式 腐蚀的1 0 0 i o c 0 倍“”。典型的直流杂散电流腐蚀情况如图1 2 所示1 。 歹_ = 二二乙监 1 弋f 0 嗲习皂墼堂 o 坦世鱼量暨盟 图l - 2 直流牵目i 机车单端供电系统杂散电流腐蚀示意图 f i g 1 - 2s t m y c u n 鼬o o c r o d o n 髓l l r e d b y d c 岫喇 目前直流杂散电流对埋地管道的干扰腐蚀日趋严重。导致直流杂散电流干扰 增加的最重要的三个方面包括：日益增加的地下构筑物、对油、气开采量的增加 以及越来越多的电气化轨道交通系统“4 。只有在工作电路中的导体或一部分电力 设备有多个接地点时，才会产生杂散电流。这样的直流设备有c - ”： 直流电气化铁路，铁轨在此用作电流的导体； 第1 章绪论 架空有轨电车线路，其中多根导线连接到接地电源的负极或由铁轨返回导 体； 高压直流输电系统； 电解装置； 在内外港口，特别是在造船厂中的直流操作设备、直流焊接设备； 直流电话网和交通灯设备； 阴极保护装置( 强制电流设备、杂散电流排流和强制排流) 。 另外，地电流也会引起杂散电流。这是由太阳等离子体与地球磁场之间的相 互作用以及电离层中的离子扰动所引起的地球脉动电流。d h b o t e l e r 和l t r i c h t c h e n k o 对加拿大管道中的大地电流进行了观察分析，发现了管中电流随地 球磁场及大气中电离层离子扰动情况而变化的关系n 劓。 1 1 2 研究意义 我国目前依靠管道运输的原油和成品油仅占全国油品运输量的2 左右。随 着目前原油消费的急速攀升和国家能源结构的调整，我国油气管道建设将再掀高 潮，必将带动管道检测事业的持续快速发展。目前，在用公用管道铺设年代长、 种类杂、数量多、分布广、技术档案差、事故隐患多、危险大，必须进行完整性 评价和加强完整性管理，急需检测维修或更换。而且随着工业和城市化进程的加 快及人民生活水平的不断提高，公用管道、长输管道必将得到快速发展，未来同 样需要加强完整性管理。此外，随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通建设 事业也在快速向前发展，同样也受到杂散电流侵蚀的威胁，也需要进行检测评估 和维修。因此，本研究任务开展的关于杂散电流腐蚀危害性评价方法研究能够大 大满足企业安全管理和政府安全监察的需要，确保管道安全运行，市场需求前景 巨大。 直流杂散电流的检测是调查管线周围杂散电流的来源、动静态分布、强度 和流入流出点的主要手段，是对杂散电流干扰源进行排流保护及管道防腐层设 计和实施阴极保护的依据，同时也是工程技术测量和防护效果评估、运行状况监 测的必要手段。积极开展埋地钢质管道杂散电流的测绘与应用技术研究，努力开 发性能可靠具有自主知识产权的杂散电流测试分析技术，必将促进我国管道运输 事业及相关行业的发展，提高我国检测行业的技术实力，缩小我国检测技术与国 外的差距，增强我国管道检测行业在国际市场上的竞争力。同时，还可以培养和 造就一批素质优良的专业技术骨干，满足我国目前管道检测技术人才短缺的局 面。 本论文是国家“十一五科技支撑计划课题项目“生命线工程安全保障关键 技术研究及工程示范 中的子专题“埋地钢质管道杂散电流测试分析技术研究 ( 项目编号：2 0 0 6 b a k 0 2 8 0 1 ) 的一部分。 北京工业大学t 学硕+ 学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外技术综述 目前，杂散电流的测试方法主要是对管地电位和电位梯度进行连续测量，并 经过一定的数据处理技术来实现，同时还要进行杂散电流的方向测量，以确定杂 散电流的来源。在测试工具方面，早期的杂散电流测量都是通过数字万用表和自 动平衡记录仪及c u s 0 4 参比电极采用人工方法进行测试和记录，目前该方法还 在广泛应用。另外，还可以通过s c m ( s t r a y c u r r e n t m a p p e r ) 杂散电流测量仪来 进行检测。 在判断杂散电流影响方面，通常采用管道对地电位作为判断杂散电流干扰的 标准，各国执行的标准并不一样，英国为+ 2 0 m v ，德国为+ 1 0 0 m v ，日本为+ 5 0 m v 。 我国制定排流技术标准时参考了国外标准，又充分考虑了我国国情，标准规定“副： 对处于杂散电流干扰的区域，阴极保护系统及其它受干扰的附近管道，当管道上 任意点的管地电位较自然电位正向偏移2 0 m v 时或管道附近土壤中的电位梯度 大于0 5 m v m 时，就确认有直流干扰；当管道任意点上管地电位较自然电位正 向偏移1 0 0 m v 或管道附近土壤中的电位梯度大于2 5 m v m 时，管道应及时采取 直流排流保护或其它防护措施。 1 2 2 分析技术与手段 国内外科研人员在统计分析方法的基础上采用了模糊聚类、小波变换、灰关 联度以及神经网络等方法处理、分析实验数据，获得了很好的应用效果n 翻。本节 重点介绍小波变换及人工神经网络在埋地钢质管道杂散电流检测中的应用。 ( 1 ) 小波变换 2 0 0 4 年波兰格但斯克工业大学的k d a r o w i c k i 和k z a k o w s l d 先生n 钉利用 s t f t ( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 算法对杂散电流的测试分析进行了全 新的有益的尝试。应用这种方法可以准确地确定杂散电流源并且可以清楚地显示 给定的电流源是否对金属构筑物造成干扰，然而此方法并不能提供杂散电流对被 调查金属构筑物腐蚀的强度。 应用该方法测试得到的轨地电位与管地电位时频图如图1 3 所示。 2 0 0 5 年南京航空航天大学的陈仁文“踟在输油管道漏油实时监测中利用小波 变换可以进行多分辨率分析的特点，对信号小波变换在不同尺度下的小波系数进 行阈值处理，然后进行信号的重建，有效地去除了信号中的随机噪声，提高了系 统检测的准确度。 2 0 0 6 年北京工业大学的王长勇n 钔运用小波变换技术对d c v g ( d i r e c tc u r r e n t v o l t a g eg r a d i e n t ) c i p s ( c l o s ei n t e r v a ls u r v e y ) 检测仪器检测得到的管道通电电 位、断电电位和电压梯度同时处理进而实现了管道外覆盖层缺陷的准确定位，并 第1 章绪论 运用小波阐值消噪方法对c i p s 检测数据进行处理的方法，消除噪声干扰，较好 地得到了真实数据。 时r a i l - e l e c t i o d e p o t e a t j a lb ) p 删抽l o d p o t 蚰f i a l 图1 - 3 轨地电位与管地电位时额图 f i g 1 - 3s p e c t r o f a m s o f r a i l _ e l e c t r o d ea n d p i p e l i n e _ e l e c t r o d p o t e a t l a l s ( 2 ) 有限元方法 2 0 0 5 年大连理工大学的杨清勇脚1 从理论上对杂散电流腐蚀机理进行了深入 的研究。提出了增加牺牲阳极数量和使用静电屏蔽的复合防护杂散电流腐蚀的措 旌，编制了二维电场计算程序，通过合理简化，建立了还去电场的计算模型，应 用有限元方法求得了海区电场的电位分布情况，通过静电屏蔽的方法对海区电场 进行了改造，并通过有限元计算对静电屏蔽后电场电位情况进行了分析，分别就 静电屏蔽平板的材料特性、几何尺寸、接地方式以及局部破坏等因素对静电屏蔽 效果的影响进行了论证，最后建立了金属网代替金属平板的静电屏蔽计算模型， 讨论了金属网的静电屏蔽效果。 2 0 0 6 年陈世利1 研究了在阴极保护条件下涂层缺陷附近的电场、电势以及 电流密度的分布规律与缺陷形状和大小的关系。并在对涂层缺陷定位的分析中， 指出涂层缺陷在管道圆周的不同位置对地表电场分布影响不大，同时对电位采样 间隔进行了探讨。 ( 3 ) 人工神经网络 1 9 9 5 年郭稚弧。利用人工神经网络从已有的土壤腐蚀试验数据中通过训练 求得土壤的理化性能与碳钢在土壤中的腐蚀速度之间的非线性关系，预测了碳钢 在土壤中的腐蚀速度。学习算法采用b p 算法，结果表明，含水量和c l - 离子含 量是影响碳钢土壤腐蚀的主要因素。 2 0 0 1 年高志明等人9 3 对埋地管道防护层进行现场测试，以连续小波变换提 取正弦电流激励响应中特定频率的信息，建立了k o h o e n 神经网络方法评价防护 层状态的适合于现场检测的智能模型，并对埋地模拟管道及大港油田港沧输气管 线管道防护层状态进行判断，验证了该方法的准确性。 2 0 0 1 年金鹰等人“1 就目前国内外神经网络在腐蚀研究及工程中不同方面的 应用作了详细阐述，主要包括神经网络技术在腐蚀疲劳开裂、应力腐蚀开裂、自 然环境腐蚀和腐蚀形态识别等方面的应用及其在实际工程中的成功应用。指出了 北京t 业大学t 学硕十学何论文 神经网络技术在腐蚀研究与工程应用中的潜力及前景。 2 0 0 4 年高志明等人瞄1 应用密间隔电位( c i p s ) 和恒电流瞬态响应技术对埋 地管道防护层进行现场测试，以密间隔电位小波变换方法对防护层进行初步检 测，分别对通电电位，断电电位和二者之差进行分析，将三者的第3 层小波概貌 之积和小波细节之积做为二次信息，所得信息突出了缺陷点的位置。建立恒电流 瞬态响应小波神经网络对防护层状态进行识别，结合小波多分辨分析和k o h o n e n 神经网络的特点，不需对含噪声的恒电流瞬态响应信号进行滤波处理，直接将信 号输入小波神经网络，实现对防护层剥离、完好和破损状态的判断。 2 0 0 5 年李威和王禹桥啪1 根据埋地金属结构受杂散电流影响极化电位正向偏 移的数据和环境中氯离子的浓度，采用人工神经网络的方法，建立了地铁杂散电 流腐蚀危险性等级的预测模型，并选取了一组样本进行了预测模型的训练，利用 此模型对广州地铁一号线整体道床排流网和侧壁结构杂散电流腐蚀情况进行预 测。结果表明，该模型能够预测地铁杂散电流腐蚀的危险性等级。 2 0 0 5 年李健等人口刀提出了一种对埋地管道施加小幅度恒电流阶跃信号检测 防腐层状态的电化学测试方法。提出利用人工神经网络对检测的响应数据进行智 能判断，建立防腐层状态判断网络模型。现场实验证明，用这种方法可以对埋地 管道防腐层缺陷进行检测。 2 0 0 5 年李莺莺等人啪1 采用小波基神经网络的方法，建立了由管道缺陷的漏 磁信号到缺陷截面轮廓图的关系映射。通过动态聚类的算法和小波理论中二值扩 展的方法选取基函数的中心，经过多层分辨率的训练，网络输出表明该网络可以 较准确的反映出缺陷的几何特征，为管道缺陷的特征提取提供了一种可行的方 法。 2 0 0 6 年高志明等人啪1 利用恒电流瞬态响应和小幅度正弦电流激励技术对埋 地管道防护层进行现场测试。建立了k o h o n e n 神经网络方法评价防护层状态的 适合于现场检测的智能模型，对恒电流瞬态响应以多分辨率分析方法滤除噪声 后，按指数形式提取特征向量作为神经网络输入，对于小幅度正弦电流激励技术 以幅值比作为神经网络输入，对埋地模拟管道及大港油田港沧输气管线管道防护 层状态进行了检测和判断，验证了方法的准确性。 从以上国内外科研工作者的研究情况来看，目前在杂散电流对埋地钢质管道 的腐蚀危害性评估方面尚未开展系统深入的研究。一些高校的研究主要集中在杂 散电流的腐蚀机理方面，企业则更侧重于杂散电流腐蚀的防护及排流措施方面。 研究人员在杂散电流腐蚀危害性的评估方面通过小波变换及人工神经网络方法 进行了一些有益的尝试并取得了一定的研究成果。然而在杂散电流对埋地钢质管 道造成危害的定量评估方面尚缺乏系统、深入而有效的研究。 第1 章绪论 1 3 课题主要研究内容 课题紧紧围绕埋地钢质管道的直流杂散电流腐蚀开展相关研究工作，具体的 研究内容如下： ( 1 ) 对目前直流杂散电流相关标准与测试技术进行了比对、验证，探讨了 直流杂散电流在不同分类标准下的分类情况，并对其中两种典型的直流杂散电 流，即阴极保护装置及直流电气化铁路系统产生的杂散电流建立了其测试参量的 物理模型，对其测试参量进行理论研究。 ( 2 ) 利用小波消噪理论并结合m a t l a b 小波变换工具箱，实现了对埋地钢质 管道管地电位信号中噪音信号的有效滤除，从而可以较真实地得到直流杂散电流 检测信号。 ( 3 ) 借助a n s y s 软件的电磁仿真功能，建立了强制电流阴极保护管线系 统的有限元电场分析模型，系统地研究了阴极保护管线及受干扰管线周围空间的 电场、电位分布情况以及管道方位、保护电流强度、管线间距、土壤电阻率等因 素对电位分布的影响规律；研究了由于渗漏电流产生的杂散电流同渗漏电流之间 的关系。 ( 4 ) 通过对试验数据进行正交试验分析了直流杂散电流与土壤湿度、氧化 还原电位、自然腐蚀电位、含盐量、电阻率、p h 值及电位梯度等7 个土壤环境 因素之间的交互作用关系，并在此基础上提出了基于神经网络的杂散电流危害性 评估方法，开发了基于人工神经网络的直流杂散电流危害性评估软件。 第2 章杂散电流测试分析方法研究 第2 章杂散电流测试分析方法研究 2 1 概述 杂散电流无规律、变化幅度大，同时管线又是全线连通的，因此，现场直接 检测比较困难。目前，杂散电流的测试方法主要是对管地电位和电位梯度进行连 续测量，并经过一定的数据处理技术来实现，同时还要进行杂散电流的方向测量， 以确定杂散电流的来源。在判断杂散电流影响方面，通常采用管道对地电位作为 判断杂散电流干扰的标准。我国制定排流技术标准时参考了国外标准，又充分考 虑了我国国情，目前普遍采用的是石油天然气行业标准s y t 0 0 1 7 2 0 0 6 埋地钢 质管道直流排流保护技术标准。本章对目前杂散电流相关标准和测试技术进行 了对比、验证。提出了针对不同类型地区及不同类型杂散电流的测试方法及测试 参量，通过研究杂散电流测试参量的信号消噪技术，实现了对埋地钢质管道杂散 电流检测信号的有效提取。 2 2 杂散电流检测标准及分类 2 2 1检测标准 国内外根据本国的实际国情，制定了杂散电流检测标准。我国现有的杂散电 流检测标准主要有： ( 1 ) 埋地钢质管道直流排流保护技术标准( s y t0 0 1 7 - 2 0 0 6 ) ； ( 2 ) 埋地钢质管道交流排流保护技术标准( s y t0 0 3 2 - 2 0 0 0 ) ； ( 3 ) 船体杂散电流腐蚀的防护方法( c b t3 7 1 2 1 9 9 5 ) ； ( 4 ) 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程( c j j4 9 9 2 ) ； ( 5 ) 矿山杂散电流的测定( g b t1 7 6 8 2 - 1 9 9 9 ) ； ( 6 ) 煤矿井下牵引网络杂散电流防治技术规范( m t6 7 0 - 1 9 9 7 ) 。 s y t0 0 1 7 2 0 0 6 中规定：对处于杂散电流干扰的区域、阴极保护系统及其 它受干扰的附近管道，当管道上任意点的管地电位较自然电位正向偏移2 0 m v 或 管道附近土壤中的电位梯度大于0 s m v m 时，就确认有直流干扰；当管道任意 点上管地电位较自然电位正向偏移l o o m y 或管道附近土壤中的电位梯度大于 2 5 m v m 时，管道应及时采取直流排流保护或其它防护措施。 c b t3 7 1 2 - 1 9 9 5 标准适用于因船舶焊接、供电系统和电气设备等引起的杂 散电流造成船体水下壳体或附属体产生腐蚀的防护，规定了船体杂散电流腐蚀的 判断准则和防护方法。 c j j4 9 - 9 2 适用于采用直流电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统的设计、 施工和运行维护等各个环节。其中主要包括：地铁直流牵引供电系统中与限制和 北京工业大学t 学硕十学位论文 减小杂散电流有关的措施：地铁中可能受到杂散电流腐蚀或影响其外泄的结构与 设备：地铁系统中的防护措施。 g b t1 7 6 8 2 - 1 9 9 9 规定了矿山杂散电流的测定方法及杂散电流测试仪器的技 术性能要求。 国外杂散电流检测标准包括： ( 1 ) ( p r o t e c t i o na g a i n s tc o r r o s i o nb ys t r a yc u r r e n tf r o m d i r e c t c u r r e n ts y s t e m s ( b se n5 016 2 2 0 0 5 ) ： ( 2 ) ( b se n5 0 1 2 2 2 1 9 9 9 ) 。 b se n5 0 1 6 2 2 0 0 5 中规定了一种利用探针电流对受阴极保护管道进行动态 杂散电流评估的方法，如图2 1 所示。 图2 一l电流探针法不意图 f i g 2 - 1m e t h o do f c u r r e n tp r o b e 绝缘的钢质探针具有一个裸露的钢质表面，将探针插入到地下与埋地钢质管 道等深处，该探针通过导线与管道连接在一起。探针的裸露表面可以模拟管道的 涂层破损处，电流表用于记录电流的方向和大小，该测试通常需要历时2 4 小时 来进行。 b se n5 0 1 2 2 2 1 9 9 9 对由直流牵引系统产生的杂散电流的防护措施进行了 规定。该标准适用于一切组成直流牵引系统的金属构筑物以及其它任何敷设于地 下并有可能遭受直流牵引系统杂散电流干扰的金属建筑。 2 2 2 杂散电流分类 杂散电流按照不同的划分准则有不同的分类方法。大地中杂散电流的特征表 现为空间分布来源复杂、流动方向和强度变化多种多样。按杂散电流的分布和流 动特征可分为静态和动态杂散电流两种类型口1 。 第2 章杂散电流测试分析方法研究 静态杂散电流通常是外加电流系统强制施加到管道上的，如其它行业的阳极 地床或来自其它的外部结构。静态杂散电流干扰示意图如图2 2 所示。 图2 - 2 静态杂散电流干扰示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a t i cs t r a yc u r r e n t 动态杂散电流通常为电气化铁路和有轨电车系统的回路电流。动态干扰电流 通过邻近的防腐层良好的管道网络可以传送到几英里远的地方。如果不采取措施 消除，杂散电流会对邻近的地下金属管线或地下结构产生非常有害的影响。动态 杂散电流干扰示意图如图2 - 3 所示。 本节分析阴极保护装置及直流电气化铁路系统对埋地钢质管道造成的直流 杂散电流干扰腐蚀。 ( 1 ) 阴极保护装置对埋地钢质管道造成的直流杂散电流干扰 受干扰管道埋设在阴极保护管线附近，阴极保护管线的周围空间会形成电势 差，在该电势差的驱动下，受干扰管道中就产生了杂散电流。如果在受干扰管道 的阳极区存在破损点，则会产生阳极电蚀。图2 - 2 即为由阴极保护装置产生杂散 电流的示意图。 图2 - 3 动态杂散电流示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd y n a m i cs t r a yc u r r e n t 对于受保护管线，设管中电流为 北京工业大学工学硕士学位论文 j ：一d q ( 2 1 ) d t 坦= n q v d t ( 2 - 2 ) 式中 q 一电量； 刀一单位截面中电子个数； 口一单个电子电量； 1 ，一电子运动速度。 则管线上电荷的线密度为 l = n q = 一i ( 2 3 ) 受干扰管线周围产生的电场强度为 e = 一二一 ( 2 - 4 ) 2 ：r s o r 式中矗- 介电常数； ，一距离管线中轴线的距离。 由电势的定义可知 u = 脚= 卜寺= 去h 协5 ， 由式( 2 5 ) 可知，随着距管线距离以及受保护管线中电流密度的增大，电 势增大，且电势的大小与l n r 及受保护管线中电流密度九成正比。另外，只有当 受干扰管道与阴极保护管道交叉成一定角度地从其附近穿越时，受干扰管道内部 才能够产生一定的电势场；而当受干扰管道与阴极保护管道平行敷设时，不会产 生杂散电流干扰。 ( 2 ) 直流电气化铁路对埋地钢质管道造成的直流杂散电流干扰 直流电气化铁路对埋地钢质管道造成的直流杂散电流干扰主要是由于接触 或者绝缘不好导致的电流泄漏造成的。一旦发生电流泄漏，在泄漏电流的作用下， 会导致金属结构中的自由电子发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。如 果这些金属结构在电解质环境中，金属阳离子就会脱离金属进入到电解质中，从 而造成金属腐蚀啪1 。 设轨道对地电导甙x ) 和轨道电阻r ( x ) 是均匀分布参数，即g ( x ) = g o x ，r ( x ) = r o x ， 助为单位长度轨道对地电导s m ；r o 为单位长度轨道的电阻( q ，m ) ；机车具有一 定的负荷电流而固定在某一定点：区间内只有一台机车作业；机车至回归点的区 间长为l ，坐标原点选在区间中点，如图2 - 4 所示，抽象出均匀分布参数等值电 路图，如图2 5 所示3 。 第2 章杂散电流测试分析方法研究 + 图2 _ 4 直流地铁供电系统 f i g 2 - 4p o w e rs y s t e mo fd cs u b w a y t j + d t 图2 - 5 轨道均匀分布参数等值电路 f i g 2 - 5e q u i v a l e n tp a r a m e t e rc i r c u i tw i t hh o m o g e n e o u sw a c kd i s t r i b u t i o n 由等值电路，得 d u = 吨出，d i = - g o d x ( u + 咖) ( 2 6 ) 略去二阶无穷小量，并令r o g o = 口2 ，得 掣一口2 “：0( 2 7 ) d x 由于电位参考点选在区间中点，所以，在点x ：- l 2 和x = - l 2 处，电位 具有反对称性，即u ( l 2 ) 一u ( - l 2 ) ，得到轨道电压的变化规律为双曲正弦 函数为 ”( 工) = a ( e “一p 一“) = 2 a s h a x ( 2 - 8 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 6 ) 得到区间内轨道中电流为 江一1d u ：一型c h t a x ( 2 9 ) z = 一一= 一 k z yj d xr 0 机车所得负载电流流入轨道后分成两部分，绝大部分为流入区间内的电流 i 。；一小部分流入区间外，该电流i 随x 的增加逐渐全部流入大地，形成杂散电 流o ；区间内杂散电流0 为流入区间内的负荷电流与轨道电流的差，即 k = l 一型c j j l ( 甜) ( 2 1 0 ) 则杂散电流为 = 0 + o ( 2 1 1 ) 由以上分析结果可以得到轨道电压、电流及杂散电流随距离的变化规律，如 图2 6 所示。 北京工业大学工学硕士学何论文 j 。乡入点- 弋厂 0工忍 a ) r a i l - e l e c t r o d ep o t e n t i a l j l ， 。 0 一 舰 厶哩 ，厂。、， ”r a i l - e l e c t r o d ec u r r e n t ji r afa 玎+ f a w ，r 玎王厂一j 一 一一 ，力 0 ， c ) s t r a yc u r r e n t 图2 - 6 轨道电压、电流和杂散电流随距离的变化规律 f i g 2 - 6v a r i a t i o nl a wa l o n gd i s t a n c eo ft r a c kp o t e n t i a l 、c u r r e n ta n ds 昀yc u r r e n t 2 3 杂散电流检测评估方法分析 现有检测杂散电流干扰的方法包括口刳： ( 1 ) 管道对地电位测量； ( 2 ) 监测现有的电气接头； ( 3 ) 电压和电流检查： ( 4 ) 变压器整流器电压和电流检查； ( 5 ) 使用腐蚀取样管； ( 6 ) 定期的漏电点调查： ( 7 ) 当地的干扰统筹委员会通知有新的外加电流系统安装； ( 8 ) 大地电位梯度检测； ( 9 ) s c m ( s t r a yc u r r e n tm a p p e r ) 智能杂散电流测绘仪测绘。 其中最常用的杂散电流的测量方法是基于对电压的测量引，即把构筑物的电 压及其变化情况作为评价电化学