受地磁干扰的埋地管道腐蚀及阴极保护监测评价

侯利涛

（国家管网集团西部管道有限责任公司独山子输油气分公司，新疆 独山子 833600 ）

0 引言

地磁场由源于地球内部的稳定磁场和源于地球外部的变化磁场组成，变化磁场起源于分布在地表以上的各种空间电流体系，主要位于电离层、磁层和空间。地球内部的稳定磁场由于磁场稳定一般产生的地磁感应电流非常微弱，影响有限。然而，变化磁场的存在，特别是太阳活动引起的磁暴期会产生变化幅度较大的地磁感应电流，可能对各种人工长距离导电体造成显著影响。国外（特别是高纬度国家，如加拿大、芬兰等）对地磁感应电流干扰管道的现象开展了长期的观测、理论研究与预测。根据所建立的管道地磁感应电流监测系统的记录，当地磁场发生强烈扰动（磁暴）时，感应电场强度可以达到每公里几伏至几十伏，因而对地下管道产生的杂散电流干扰腐蚀就成为一个不可忽视的因素[1]。我国于2013年2月由中国工程院启动了复杂电磁脉冲环境威胁的战略研究科技咨询项目，对电网和油气管网等基础设施的地磁暴危害进行了专题研究，获得了地磁暴侵害西气东输一线和陕京二线等管道而引发管地电位波动的数据。目前关于地磁感应电流造成地下管道腐蚀穿孔或有明显腐蚀发生的报道较少，但对其干扰影响的研究已经被很多部门所重视。

有多个指标可用来描述地磁活动。Kp指数是由全球地磁台网中13个地磁台站的K指数计算得到，用于表示全球地磁活动性，每3h采集一个值。Kp指数是基于3小时间隔的算术平均数。该指数是对数值，范围从0（静止）～9（严重），Kp指数超过4的活动被认为是地磁暴。随着Kp指数增加，地磁暴发生的概率对数地减小。一般把Kp=5、6称为中小地磁暴，Kp=7、8、9称为大地磁暴[2]。对于管道而言，Kp指数是最有用的。

由图1可知，地磁小扰动频繁发生，但严重的地磁暴几乎不发生。Kp6的地磁暴可能发生的几率为2%，可产生平均100mV/km大小的地电场，其电场范围大致是30～300mV/km。

图1 不同Kp指数等级地磁活动的平均发生率

1 概述

西二线、西三线赛里木湖段管线自投产以来一直受到外界杂散电流干扰，管线电位波动异常，且管线保护电位未达阴极保护准则要求。以西三线102#测试桩自2014年9月～2015年3月的管线通电电位波动曲线为例，如图2所示。可见管地电位长期处于波动状态，且无规律，说明管道受到的外界干扰是个持续的过程。

图2 西三线102#测试桩通电电位波动曲线

经过对新疆乌鲁木齐地磁台（地理经度：87°41′48.″E，地理纬度：43°48′56. ″N）和喀什地磁台（地理经度：76.0°E，地理纬度：39.5°N）监测的地磁场变化（包括磁偏角、水平强度、垂直强度）调研，赛里木湖区域（地理经度：81.1°E，地理纬度：44.5°N）与地磁台位置接近，推测地磁扰动波形应相近。地磁场受外界影响，长期处于波动状态，同时由于赛里木湖段特殊的地理（近高纬度地区）及地质结构（土壤电阻率较大），该段管线容易受到地磁场的影响，造成管地电位一直处于波动状态。

基于以上背景，为了进一步掌握赛里木湖管道受地磁干扰的影响程度及腐蚀风险，拟通过对被干扰区域内管道阴极保护系统、管地电位、腐蚀速率等开展连续监测，根据采集数据掌握阴极保护系统的干扰影响规律，结合腐蚀速率数据及内检测数据评估干扰对管道本体的影响情况，给出影响程度评估。

2 阴极保护电位监测

西二线、西三线霍尔果斯至精河段管道阴极保护监测点的位置如图3所示。

图3 西二线和西三线赛里木湖段阴极保护监测点位置图

图4为西三线管道沿线4个监测点2021年5月的电位监测结果，可以看出，4个监测点的管道通电电位和断电电位均存在持续不规则波动，波动趋势一致，但均未呈现出明显的随时间变化的周期性特点，也无明显的静息期。在特定时间段内，4个监测点的管道电位波动幅度同时增大，如图中红框所示5月12日～13日的监测结果，表明地磁干扰在这段时间内有所增强。经查询空间环境预报中心网站，5月12日20:00～5月13日02:00这段时间内发生Kp=7的大地磁暴事件，因此，管道受到的地磁干扰相较于其他时间明显增强。

图4 2021年5月12日大地磁暴时管段沿线智能测试桩电位-时间分布图及大磁暴事件-空间环境预报中心

3 阴极保护效果评估

3.1 评估方法

针对大地电流对埋地管道造成的干扰影响，本报告将借助空间环境预报中心网站发布的地磁暴等级信息，根据地磁暴等级分类进行阴保效果评估。评估时将计算一段时间（以代表性的整月监测数据为例）内每个智能电位测试桩的通电电位、断电电位的平均值、最大值、最小值，根据以上数据评估阴极保护的有效性。

3.2 大地磁暴

在2021年5月份数据监测期间内，发现5月12日20:00～5月13日02:00这段时间内干扰显著增强，Kp等级达到7级，与空间环境预报中心网站发布的“2021年5月12日发生大磁暴”事件一致，如图5所示。

图5 2021年5月12日大地磁暴时管段沿线智能测试桩电位-时间分布图及大磁暴事件-空间环境预报中心

西二线智能电位测试桩干扰监测情况：

在2021.05.01～2021.05.31数据监测期间内，KP77-KP103管段监测到明显的地磁干扰现象，表现为所有监测点的通电电位均存在不规则波动，而且所有监测点的通电电位波动趋势具有相似性。由于管道埋设的土壤为典型的戈壁干燥环境，水含量低，氧含量高，因此各监测点的试片难以维持稳定的极化效果，使得断电电位表现为对电流响应较快的频繁波动特点，如图6所示。

图6 西二线KP7 7-KP103管段断电电位-里程分布图

西三线智能电位测试桩干扰监测情况：

西三线KP77-KP103管段的地质情况与西二线KP77-KP103管段相同，在2021.05.01～2021.05.31数据监测期间内，从试片表面测得的直流电流密度来看，K P 7 7-K P 1 0 3 管段各监测点在2021.05.01～2021.05.31期间大多数时刻以流入电流为主，仅在极少数的个别时间点电流流出试片。因此整体来讲，该管段在地磁干扰情况下，保护电位仍可满足阴极保护电位准则要求。具体来讲，在2021年5月12日，KP77-KP103管段受地磁干扰的强度最大，其中监测点KP79的电位波动最大，最正通/断电电位为3.040V/-0.309V，断电电位不满足最小保护电位要求；最负通/断电电位为-4.104V/-1.322V，断电电位负于限值临界电位，如图7所示。

图7 西三线KP77-KP103管段断电电位-里程分布图

3.3 中小地磁暴

在2021年9月数据监测期间内，空间环境预报中心网站发布的地磁暴等级为5，为中小地磁暴，相较于5月12日的大地磁暴干扰来看，管道电位及直流电流密度波动大小明显较小，基本保持稳定，并且平均断电电位满足阴极保护电位准则要求，即在-0.75～-1.2V之间，如图8、图9所示。

图8 2021年9月地磁暴强度表-空间环境预报中心

图9 西二线KP77智能测试桩2021年5月与9月电位时间对比图

西二线智能电位测试桩干扰监测情况：

在2021.09.01～2021.09.30数据监测期间内，对西二线KP77-KP103管段监测点的电位分布做统计分析，从图10可知，除无数据或数据异常监测点外：

图10 西二线KP77-KP103管段断电电位-里程分布图

西三线智能电位测试桩干扰监测情况：

在2021.09.01～2021.09.30数据监测期间内，对西三线KP77-KP103管段监测点的电位分布做统计分析，从图11可知，除无数据或数据异常监测点外：

图11 西三线KP77-KP103管段断电电位-里程分布图

4 地磁干扰分析

4.1 评估标准地磁干扰评价准则的确定

国内外提到关于地电流干扰评价的标准主要有澳大利亚标准AS 2832.1-2015[3]和国际标准ISO 21857-2021[4]。

西二线和西三线赛里木湖管段受到明显的地电流干扰，管道电位存在持续频繁的正向和负向波动，表明阳极干扰和阴极干扰密集交替。对比澳大利亚AS 2832.1-2015和国际标准ISO 21857-2021的地电流干扰评价准则后，本项目拟采取以下准则进行干扰评价：

（1）结合地磁暴强度信息查询结果，利用“干扰电位正于标准规定保护电位（Ep）的时间占比不超过5%”确定干扰是否可以接受；

（2）腐蚀速率低于0.01mm/y。

4.2 地磁干扰的规律分析

空间环境预报中心给出的2020-2021年全年地磁暴等级如表1和图12所示，Kp=7的大地磁暴1次，Kp=6的中小地磁暴5次、Kp=5的中小地磁暴45次、而Kp≤4的轻度地磁扰动每天都在发生，每个月的日最大电位差正好是地磁暴等级较大的时候。其中，2021年5月12日地磁暴等级达到2年来最高，为Kp=7，持续时长6h，仅占一年总时长的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴持续时长占一年总时长的0.07%～0.14%；Kp=5的中小地磁暴持续时长占一年总时长的0.51%～1.02%；Kp≤4的轻度地磁扰动持续时长占一年总时长的98.77%-99.42%，如表1所示。可见，全年Kp≥5的地磁暴干扰总时长占比并不高，绝大部分时间都是Kp≤4的轻度地磁暴干扰，应不会造成管体发生腐蚀/氢脆或者防腐层剥离。

表1 地磁暴等级占比时间-2 020～2021年

图12 2020-2021年地磁暴等级统计-空间环境预报中心

4.3 地磁干扰腐蚀分析

本项目综合利用失重试片法、 ER腐蚀速率探头法、内检测对比分析法三种腐蚀速率检测方法对西二线和西三线赛里木湖受地磁干扰管段的腐蚀风险进行评价。

截止目前，在西二线KP87测试桩处通过ER腐蚀速率探头测得试片腐蚀速率为0.00042mm/y，在西二线KP97测试桩处通过ER腐蚀速率探头测得试片腐蚀速率为0.0044mm/y，均小于0.01mm/y。这表明，在当前的地磁干扰强度下，西二线现有阴极保护水平可有效降低地磁干扰导致的腐蚀风险，这与2015年的现场调研测试得到的结论一致。

以下通过西二线和西三线的内检测缺陷数据对地磁干扰段的腐蚀风险进行分析。西二线霍尔果斯-精河段分别在2012年、2015年和2019年进行了三轮漏磁内检测，该检测区间内的金属损失缺陷分布对比如图13所示，由图可知，在受到地磁干扰的大约里程70～100km管段内检出的外部金属损失缺陷数量显著减少。地磁干扰管段在2012年、2015年和2019年三轮漏磁内检测中检出的外部金属损失缺陷总数量分别为17个、59个和34个，其中深度大于10%的数量分别为1个（14%wt，里程：90446.4m）、1个（10%wt，里程：93426.45m）和8个（最深为22%wt，里程：93406.152m）。

图13 西二线三轮漏磁内检测外部金属损失缺陷的里程对齐结果图

西三线霍尔果斯-精河段分别在2015年和2018年进行了两轮漏磁内检测，该检测区间内的金属损失缺陷分布对比如图14所示，由图可知，在受到地磁干扰的大约里程70～100km管段内检出的外部金属损失缺陷数量显著减少。地磁干扰管段在2015年和2018年两轮漏磁内检测中检出的外部金属损失缺陷总数量均为3个，所有缺陷深度均小于10%。

图14 西三线两轮漏磁内检测外部金属损失缺陷的里程对齐结果图

不同内检测工具存在性能和精度差异，其检出缺陷的位置、数量和尺寸均有差异，相互间难以比较。因此，可以采用全寿命的方法来预测腐蚀缺陷的增长速率，获取最深腐蚀缺陷的腐蚀增长率和全部腐蚀缺陷的平均增长率。全寿命腐蚀增长速率应用如下公式计算：

式中，GRc表示腐蚀增长速率，mm/y；d2表示最近一次检测的腐蚀深度，mm；d1表示上一次检测的腐蚀深度，mm；T2表示最近一次检测的时间，y；T1表示上一次检测的时间，如果没有，表示管道投产的时间，y。

根据全寿命腐蚀增长速率计算可知：西二线在赛里木湖地磁干扰段的外部金属损失的平均增长速率为0.1757mm/y。该腐蚀速率远大于利用ER探头测得的腐蚀速率值。考虑到内检测检出的外部金属损失可能属于稳定缺陷，而且检测精度一般为10%wt，因此基于内检测结果的全寿命腐蚀增长速率值具有相当的保守性。

西三线两轮内检测缺陷对比结果表明，在地磁干扰段的3个检出外部金属损失缺陷均为稳定缺陷，深度未发生变化。而根据全寿命腐蚀增长速率计算得到平均增长速率同样为0.176mm/y。

5 结语

（1）根据历史数据统计发现，全年大地磁暴干扰（Kp≥7）次数极少，仅有1次，持续时长仅占全年时间的0.07%，而绝大部分时间都是Kp≤4的轻度地磁暴干扰；

（2）当发生大地磁暴时，即Kp≥7，管道受地磁干扰严重，管道电位将发生较大波动，西二线最正通/断电电位达到3.191V/-0.209V（KP97），最负通/断电电位达到-5.619V/-1.284V（KP97）；西三线最正通/断电电位达到3.040V/-0.309V（KP79），最负通/断电电位达到-4.104V/-1.322V（KP79），断电电位均不满足阴极保护电位准则要求；

（3）当发生中小磁暴时，即Kp≤6，管道受地磁干扰程度相较于大地磁暴时明显减小，西二线和西三线KP77-KP103管段沿线智能电位测试桩的平均断电电位能保持在-0.75～-1.2V之间，满足阴极保护电位准则要求；

（4）当发生Kp≥7的大地磁暴事件时，西二线和西三线KP77-KP103管段部分监测点的断电电位相对保护准则正向偏移所对应的时间比例超出了标准要求的5%的限值；当发生Kp≤6的中小地磁暴事件时，西二线和西三线KP77-KP103管段所有监测点的断电电位相对保护准则正向偏移所对应的时间比例低于标准要求的5%的限值，表明管道受干扰程度可接受；

（5）同一时间段内，西二线和西三线KP77-KP103管段沿线所有监测点的电位波动方向同步—电位正向偏移，电流流出管道；电位负向偏移，电流流入管道。因此，该管段上并不存在明显区分的电流流入段或流出段；

（6）在西二线KP87和KP97测试桩处通过ER腐蚀速率探头测得试片腐蚀速率均远小于0.01mm/y，表明在当前的地磁干扰强度下，西二线现有阴极保护水平可有效降低地磁干扰导致的腐蚀风险。基于内检测结果得到西二线地磁干扰段的外部金属损失的平均增长速率为0.1757mm/y，远大于利用ER探头测得的腐蚀速率值。考虑到内检测检出的外部金属损失可能属于稳定缺陷，而且检测精度一般为10%wt，因此全寿命腐蚀增长速率值具有相当的保守性；

（7）西三线两轮内检测缺陷对比结果表明，在地磁干扰段的3个检出外部金属损失缺陷均为稳定缺陷，深度未发生变化。而根据全寿命腐蚀增长速率计算得到平均增长速率同样为0.176mm/y，同样具有相当的保守性。