研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置及方法

摘要

本发明属于腐蚀实验技术和测量领域，涉及一种研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的电化学实验装置及其实验方法，解决现有技术无法在室内获取全面可靠的高压输电线路接地极放电对埋地管道干扰数据等问题。阴极区电解池、阳极区电解池内的防腐层破损点分别模拟阴极保护下接地极放电电流流进和流出管道造成的腐蚀阴极区和阳极区，直流干扰系统为直流恒流源控制，阴极区阴极保护系统为恒电位仪控制，阳极区阴极保护系统为恒电位仪控制，阳极区测试系统由电化学工作站控制。该装置及其实验方法可用于高压直流输电线路接地极放电对埋地道的电干扰腐蚀模拟研究。

说明书

技术领域

本发明属于腐蚀实验技术和测量领域，涉及一种研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置及其实验方法。

背景技术

近年来，随着我国经济快速发展，对能源的刚性需求持续上升，高压电网和长输油气管网日益取得了蓬勃发展。高压直流输电具有其长距离、大容量、低损耗、低造价等优点，成为我国跨区域电力输送的主流技术之一。到2020年底，我国将建成直流输电工程38项，其中高于±800千伏的特高压直流工程15个，我国已经成为世界上直流输电工程数量最多，电压等级最高，输送容量最大的国家。高压直流输电系统有双极运行和单极运行2种运行模式：正常运行时为双极运行模式；检修或故障时采用单极运行模式，这时利用大地构成回路，几千安的工作电流由接地极注入大地。同时，油气储运管线建设快速推进，出现了较多大功率高压/特高压输电线路与埋地油气管道交叉、平行敷设的情况，引发了高压输电线路接地极放电对油气管网产生严重的电干扰，引发了重要油气管线腐蚀、氢损伤等严重影响管线运行安全的一些列问题。近年来，国外报道了大量的高压直流输电系统接地极单极运行对埋地管道干扰的案例。

直流接地极系统运行初期或发生故障以及检修时常采用单极运行模式，这时系统利用一根或两根导线和大地构成回路，工作电流由一端接地极注入大地并沿大地流向另一端接地极；入地电流为系统额定直流电流，数值会达到几千安培，如此大的电流除了产生电效应、热效应外，对附近埋地管道及相关设备造成严重危害：瞬间大电流会击穿埋地管道防腐层造成管道穿孔，并烧毁附近的阴极保护设备。据已有报道，大电流将影响阴极保护系统的正常运行，导致引压管绝缘卡套两侧打火放电烧蚀；电流流入管道的地方，在金属/电解质界面发生阴极腐蚀反应，阴极反应导致管道电位向负向偏移，过大的阴极电流或缺氧会导致水的分解产生OH

目前，常用的接地极放电对管线干扰影响检测方法分为两类，现场检测和室内模拟实验。现场检测是现场或远程监控测试接地极附近或疑似干扰条件下管线的阴极保护电位、管地电位、直流电流密度、土壤电阻率、极化试片埋设(腐蚀速率)等，汇总数据判断管道电干扰影响程度。另一种是室内进行干扰影响参数模拟测试，但均模拟阳极反应。现场检测消耗大量人力和物力，操作复杂、耗时长、成本高，并且与室内模拟的阳极反应不同步，这就造成实验数据对接地极对埋地管道干扰真实影响结果的参考价值降低。

高压直流输电线路接地极放电产生的干扰影响程度远大于常规杂散电流干扰源，在大幅高压直流干扰下，管道涂层破损点处金属/土壤界面电化学极化规律和腐蚀行为、土壤水和离子在电场中的电迁移，以及土壤本身的电效应和热效应等等众多现象和问题尚不清晰；加之接地极性和单极运行时间不确定，高压直流干扰还有干扰强度大、影响范围大、干扰时间短等特点，现场检测和研究耗时耗力，且难以量化研究。

因此，有必要开发一套实验装置及方法，可以室内同步模拟接地极放电电流流入点管道阴极腐蚀反应和电流流出点管道阳极腐蚀反应，量化研究和评估不同干扰水平下管道材料的腐蚀和氢损伤行为及规律，实现针对高压直流输电线路接地极放电对管道干扰影响的室内模拟实验研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置及方法，解决现有高压直流输电线路接地极对埋地管道电干扰影响研究技术中，不能同时进行室内模拟接地极放电环境下电流流入和流出点管道发生的阴极和阳极反应，无法量化研究和评估不同干扰水平下管道的腐蚀和氢损伤规律，无法在室内获取全面可靠的高压输电线路接地极放电对埋地管道干扰数据等问题。

本发明的技术方案是：

一种研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，包括如下部件：管道、防腐层、阴极区防腐层破损点、阴极区电解池、第一辅助电极、pH计、除氧进气管、第一恒电位仪、电流表、直流恒流源、第二恒电位仪、参比电极、第二辅助电极、阳极区电解池、阳极区防腐层破损点、第三辅助电极、第四辅助电极、电化学工作站、除氧出气管、第五辅助电极、计算机，具体结构如下：

管道表面涂敷防腐层，靠近管道两端制造两个同等面积防腐层破损点，防腐层破损点分别位于阴极区电解池和阳极区电解池底部中心；

阴极区防腐层破损点、第一辅助电极、第二辅助电极置于阴极区电解池中，第三辅助电极、阳极区防腐层破损点、第四辅助电极、第五辅助电极置于阳极区电解池中；

阴极区电解池和阳极区电解池内装腐蚀介质，直流恒流源的正极连接第一辅助电极，直流恒流源的负极接电流表后连接第四辅助电极，阴极区防腐层破损点和阳极区防腐层破损点之间由管道连接，以上共同构成直流干扰系统，为两个防腐层破损点提供直流电流，模拟接地极放电；

管道上靠近阴极区电解池的一侧设置管道阴极区测试接线点，第一恒电位仪的正极连接第二辅助电极，第一恒电位仪的负极连接管道阴极区测试接线点构成阴极区阴极保护系统，为阴极区防腐层破损点提供阴极保护电位，模拟实际管道阴极保护；

管道上靠近阳极区电解池的一侧设置管道阳极区测试接线点，第二恒电位仪的正极连接第三辅助电极，第二恒电位仪的负极连接管道阳极区测试接线点构成阳极区阴极保护系统，为阳极区防腐层破损点提供阴极保护电位，模拟实际管道阴极保护；

电化学工作站与计算机连接，电化学工作站的三个电极分别通过线路与管道阳极区测试接线点、参比电极、第五辅助电极相连组成三电极体系，作为阳极区测试系统，实现各参数测试。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，腐蚀介质根据测试需要选择土壤类型或土壤溶液。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，阴极区电解池上设有阴极区电解池盖板，阳极区电解池上设有阳极区电解池盖板。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，pH计、除氧进气管和除氧出气管沿竖向插装于阴极区电解池盖板上，pH计的下端伸至阴极区电解池内的下部，除氧进气管的下端伸至阴极区电解池内的下部，除氧出气管的下端伸至阴极区电解池内的上部。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，参比电极沿竖向插装于阳极区电解池盖板上，参比电极的下端伸至阳极区电解池内的下部。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，阴极区电解池、阳极区电解池分别模拟阴极保护下接地极放电电流流进和流出管道造成的腐蚀阴极区和阳极区，直流干扰系统为直流恒流源控制，阴极区阴极保护系统为恒电位仪控制，阳极区阴极保护系统为恒电位仪控制，阳极区测试系统由电化学工作站控制。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，防腐层为三层结构的聚乙烯防腐涂层，第一辅助电极、第二辅助电极、第三辅助电极、第四辅助电极、第五辅助电极选用镀铂钛网，参比电极为饱和甘汞电极。

一种研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验方法，安装好各部件后装入腐蚀介质，按以下步骤进行高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响实验：

(1)采用氮气进行阴极区电解池除氧；

(2)打开第一恒电位仪和第二恒电位仪开关，设定阴极保护电位值，为阴极区防腐层破损点和阳极区防腐层破损点提供阴极保护电位；

(3)打开直流恒流源的开关，设定电流值，为阴极区防腐层破损点和阳极区防腐层破损点提供模拟接地极放电电流；

(4)打开计算机，设定电化学工作站的测量参数，进行阳极区防腐层破损点开路电位电化学数据测试；

(5)pH计实时监测阴极区电解池内腐蚀介质的酸碱度；

(6)断开所有设备电源，取下两个电解池：阴极区电解池、阳极区电解池，在两个防腐层破损点处取样进行形貌观察、腐蚀失重测试；

(7)根据管道防腐层破损点处腐蚀形貌、腐蚀失重、以及电流密度曲线积分值参数，评估不同干扰水平下管道材料的腐蚀速率；根据实验前后试样的屈服强度、抗拉强度及延伸率力学性能指标，评价管道材料的氢损伤程度。

所述的研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验方法，若需要根据现场反馈信息进行直流电流梯度实验，或改变防腐层破损点面积，或改变防腐层种类及厚度，或更换土壤及溶液种类，则重复步骤(3)～(6)。

本发明的设计思想是：

高压直流输电线路接地极放电对油气管道电干扰是近几年出现的新问题，在如此大的高压直流干扰下，人们对管道涂层破损点金属/土壤界面电化学极化规律和腐蚀行为、土壤水和离子在电场中的电迁移，以及土壤本身的电效应和热效应等等众多现象和问题尚缺少深入理解和认识。对此，一直以来都是发现干扰现象甚至造成腐蚀影响后才进行现场调研测试，费时费力，且难于量化研究和评估不同干扰水平下管道材料的腐蚀和氢损伤行为及规律。而目前室内进行的模拟实验往往进行电流流入或流出管道单一腐蚀反应，忽略了接地极放电流入流出在管道不同位置造成的同步腐蚀影响。所以，针对接地极放电这种特殊腐蚀环境，基于腐蚀预防思想，还原现场腐蚀工况，本发明同时模拟阴极保护下接地极放电电流入流出管道全过程，将电流流入、流出管道的协同腐蚀作用和该环境下阴极保护有效性同步展现，量化研究和评估不同干扰水平下管道材料的腐蚀和氢损伤行为及规律。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明装置能产生直流干扰电流，能模拟阴极保护，能进行不同直流电流密度、不同管道材质、不同防腐层、不同防腐层破损点面积、不同腐蚀介质等多因素影响实验，能同步进行电干扰和阴极保护共同作用下管道阳极区和阴极区腐蚀模拟实验，同步评估干扰电流强度对管道阴极反应界面pH值的影响、析氢程度和干扰电流强度、持续时间、干扰周期及阴极保护水平等对阳极区管线腐蚀的影响规律，为高压输电线路接地极放电对油气管线的干扰影响的评估和防控提供参考。

2、本发明装置及其实验方法可用于高压直流输电线路接地极放电对埋地道的电干扰腐蚀模拟研究。

附图说明

图1为研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置结构示意图。

图2为研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置主体俯视图。

图3为研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置主体侧视图(阴极区电解池侧)。

图4(a)-图4(b)为施加不同直流电流密度干扰实验；其中，图4(a)为施加阳极DC干扰曲线，横坐标Time代表时间(ks)，纵坐标Potential代表电位(vs.SCE/V)，Anodicinterference表示阳极干扰；图4(b)为施加阴极电流干扰曲线，横坐标Time代表时间(ks)，纵坐标Potential代表电位(vs.SCE/V)。

图5为酸性土壤中管道钢HVDC电压干扰试样腐蚀行为曲线。图中，横坐标Time代表时间(s)，纵坐标i

图中，1、管道；2、防腐层；3、第一辅助电极；4、阴极区防腐层破损点；5、第二辅助电极；6、阴极区电解池；7、除氧进气管；8、阴极区电解池盖板；9、pH计；10、第一恒电位仪；11、直流恒流源；12、电流表；13、第二恒电位仪；14、阳极区电解池盖板；15、参比电极；16、第三辅助电极；17、阳极区电解池；18、阳极区防腐层破损点；19、第四辅助电极；20、第五辅助电极；21、腐蚀介质；22、电化学工作站；23、计算机；24、管道阳极区测试接线点；25、管道阴极区测试接线点；26、除氧出气管。

具体实施方式

如图1所示，本发明研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，主要包括如下系统：管道1、阴极区电解池6、阳极区电解池17、一个直流干扰系统、一个阴极区阴极保护系统(CP系统)、一个阳极区阴极保护系统(CP系统)以及一个阳极区测试系统。直流干扰系统模拟接地极放电电流，阴极区阴极保护系统和阳极区阴极保护系统提供阴极保护，阳极区测试系统进行阳极区电化学测试。其中，阴极区电解池6、阳极区电解池17分别模拟阴极保护下接地极放电电流流进和流出管道造成的腐蚀阴极区和阳极区。直流干扰系统包括直流恒流源11、第一辅助电极3、第四辅助电极19、电流表12，直流干扰系统为直流恒流源控制。阴极区阴极保护系统包括第二辅助电极5、第一恒电位仪10，阴极区阴极保护系统为恒电位仪控制。阳极区阴极保护系统包括第二恒电位仪13、第三辅助电极16，阳极区阴极保护系统为恒电位仪控制。阳极区测试系统包括参比电极15、第五辅助电极20、电化学工作站22、计算机23，阳极区测试系统采用三电极体系，由电化学工作站控制。

如图1-图3所示，研究高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，主要包括如下部件：管道1、防腐层2、第一辅助电极3、阴极区防腐层破损点4、第二辅助电极5、阴极区电解池6、除氧进气管7、阴极区电解池盖板8、pH计9、第一恒电位仪10、直流恒流源11、电流表12、第二恒电位仪13、阳极区电解池盖板14、参比电极15、第三辅助电极16、阳极区电解池17、阳极区防腐层破损点18、第四辅助电极19、第五辅助电极20、腐蚀介质21、电化学工作站22、计算机23、管道阳极区测试接线点24、管道阴极区测试接线点25、除氧出气管26等，具体结构如下：

管道1表面涂敷防腐层2，靠近管道1两端制造两个同等面积防腐层破损点：阴极区防腐层破损点4、阳极区防腐层破损点18，在阴极区防腐层破损点4及其外侧的防腐层上罩设阴极区电解池6，在阳极区防腐层破损点18及其外侧的的防腐层上罩设阳极区电解池17，阴极区防腐层破损点4位于阴极区电解池6底部中心，阳极区防腐层破损点18位于阳极区电解池17底部中心；阴极区电解池6上设有阴极区电解池盖板8，阳极区电解池17上设有阳极区电解池盖板14。

阴极区防腐层破损点4、第一辅助电极3、第二辅助电极5置于阴极区电解池6中，pH计9、除氧进气管7和除氧出气管26沿竖向插装于阴极区电解池盖板8上，pH计9的下端伸至阴极区电解池6内的下部，除氧进气管7的下端伸至阴极区电解池6内的下部，除氧出气管26的下端伸至阴极区电解池6内的上部。其中，除氧进气管7和除氧出气管26用于阴极区电解池6的除氧，pH计9用于监测阴极区电解池6内腐蚀介质21的pH值。

第三辅助电极16、阳极区防腐层破损点18、第四辅助电极19、第五辅助电极20置于阳极区电解池17中，参比电极15沿竖向插装于阳极区电解池盖板14上，参比电极15的下端伸至阳极区电解池17内的下部。

防腐层2为三层结构的聚乙烯(3PE)防腐涂层，阴极区防腐层破损点4、阳极区防腐层破损点18面积均为6.5cm

阴极区电解池6和阳极区电解池17内装腐蚀介质21，根据测试需要可以选择土壤溶液或土壤等。直流恒流源11的正极连接第一辅助电极3，直流恒流源11的负极接电流表12后连接第四辅助电极19，阴极区防腐层破损点4和阳极区防腐层破损点18之间由管道1连接，以上共同构成直流干扰系统，为两个防腐层破损点(阴极区防腐层破损点4和阳极区防腐层破损点18)提供直流电流，模拟接地极放电。

管道1上靠近阴极区电解池6的一侧设置管道阴极区测试接线点25，第一恒电位仪10的正极连接第二辅助电极5，第一恒电位仪10的负极连接管道阴极区测试接线点25构成阴极区阴极保护系统，为阴极区防腐层破损点4提供阴极保护电位，模拟实际管道阴极保护。

管道1上靠近阳极区电解池17的一侧设置管道阳极区测试接线点24，第二恒电位仪13的正极连接第三辅助电极16，第二恒电位仪13的负极连接管道阳极区测试接线点24构成阳极区阴极保护系统，为阳极区防腐层破损点18提供阴极保护电位，模拟实际管道阴极保护。

电化学工作站22与计算机23连接，电化学工作站22的三个电极分别通过线路与管道阳极区测试接线点24、参比电极15、第五辅助电极20相连组成三电极体系，作为阳极区测试系统，实现各参数测试。

如图1-图3所示，安装好各部件后，阴极区电解池6、阳极区电解池17分别装入腐蚀介质21，按以下步骤进行高压直流输电线路接地极放电对埋地管道干扰影响实验：

(1)采用氮气进行阴极区电解池6除氧；

(2)打开第一恒电位仪10和第二恒电位仪13开关，设定阴极保护电位值(一般为-1.05V

(3)打开直流恒流源11的开关，设定电流值，为阴极区防腐层破损点4和阳极区防腐层破损点18提供模拟接地极放电电流；

(4)打开计算机23，设定电化学工作站22的测量参数，进行阳极区防腐层破损点18开路电位等电化学数据测试；

(5)pH计9实时监测阴极区电解池6内腐蚀介质的酸碱度；

(6)断开所有设备电源，取下两个电解池：阴极区电解池6、阳极区电解池17，在两个防腐层破损点(阴极区防腐层破损点4和阳极区防腐层破损点18)处取样进行形貌观察、腐蚀失重等测试；

(7)若需要根据现场反馈信息进行直流电流梯度实验，或改变防腐层破损点面积，或改变防腐层种类及厚度，或更换土壤及溶液种类等多参数影响实验，则重复步骤(3)～(6)。

(8)根据管道防腐层破损点处腐蚀形貌、腐蚀失重、以及电流密度曲线积分(电量)值等参数，评估不同干扰水平下管道材料的腐蚀速率；根据实验前后试样的屈服强度、抗拉强度及延伸率等力学性能指标参数，评价管道材料的氢损伤程度。

通过本发明装置及方法，进行室内模拟实验，分别进行不同直流电流密度梯度干扰实验和酸性土壤中管道钢HVDC电压干扰试样腐蚀实验，得到以下规律：

1)干扰管道涂层破损点处的极化规律：如图4(a)所示，施加阳极DC干扰，钢电位正向偏移；如图4(b)所示，施加阴极电流干扰，钢电位负向偏移，偏移量随干扰电流密度而增大。

2)如图5所示，酸性土壤中管道钢HVDC电压干扰试样腐蚀行为，直流干扰电位分别为10V、100V、200V、300V和400V时，腐蚀速率随干扰电位呈先增大后减小趋势，这与土壤中电流密度变化有关。电流密度曲线积分(电量)值可用于评价管道的腐蚀速率。

结果表明，本发明可以室内同步模拟阴极保护下接地极放电电流流入点管道阴极腐蚀反应和电流流出点管道阳极腐蚀反应，实现高压直流输电线路接地极放电对管道干扰影响的室内模拟实验研究。