CN216449407U

CN216449407U - 研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置

Info

Publication number: CN216449407U
Application number: CN202122618011.4U
Authority: CN
Inventors: 王彬彬; 李开鸿; 朱建平; 侯浩; 王爱玲; 闫茂成; 韩曙光; 王垒超; 轩恒; 刘雪光; 何黎; 张睿; 刘宇婷
Original assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp; National Pipeline Network Southwest Pipeline Co Ltd
Current assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp; National Pipeline Network Southwest Pipeline Co Ltd
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2031-10-28

Abstract

本实用新型提供了一种研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置。所述实验装置包括管道试片、接地极直流干扰模拟系统、阴保系统和干扰测试系统。管道试片上具有阴极区涂层缺陷和阳极区涂层缺陷，接地极干扰模拟系统能够模拟接地极放电电流，进而模拟阴极保护下的腐蚀阴极区和腐蚀阳极区。阴保系统能够为管道提供阴极保护。干扰测试系统能够进行阳极区电化学测试。本实用新型的有益效果可包括：能够在室内同时模拟接地极放电环境下电流流入和流出点处管道发生的阴极和阳极反应，为高压输电线路接地极放电对埋地钢质油气管线的干扰影响的评估和防控提供参考。

Description

研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置

技术领域

本实用新型涉及腐蚀模拟实验和测量技术领域技术，具体来讲，涉及一种研究高压直流接地极放电对埋地钢制管道干扰影响的电化学实验装置。

背景技术

我国地域广阔，能源主要分布在西部地区，而人口和工业主要集中在东部地区，因此，长距离、大容量、高效率、低造价的能源输送战略应运而生，高压电网和长输油气管网工程也进入建设高峰期。到2020年底，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。由于直流输电工程与长输油气管网选址要求十分相似，二者在传输路径上可能存在交叉或重合，直流接地极与埋地油气管道邻近的情况屡见不鲜，埋地钢制管道不可避免受到直流接地极入地电流的干扰影响。

在正常运行时，通过接地极的不平衡电流仅为系统额定直流电流的1％，对周围埋地管道的干扰较小。当输电系统调试或发生故障时转为单极运行，此时，大地作为一根导线加入到输电系统中，电流从受端接地极流经大地返回到送端接地极，此时入地电流为系统额定直流电流，数值可能达到几千安，瞬间大电流会击穿埋地管道涂层造成管道穿孔，且会烧毁附近的阴保设备，对操作人员造成人身伤害。电流流入管道，在金属/电解质界面发生阴极反应，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分解产生OH^-和H，OH^-增大管道表面的pH值，析氢反应严重将会造成涂层剥离；原子氢溶解到金属管道中会导致钢制管材发生氢损伤；电流流出管道，金属/电解质界面发生阳极反应，导致阳极溶解腐蚀；同时，干扰可能引起阴极欠保护，增大管道腐蚀风险。

目前，关于直流接地极对金属管道干扰腐蚀影响的针对性研究并不多见，已有研究结果一般采用现场测试和室内仿真计算等检测直流接地极放电对管线干扰的影响。现场测试一般进行干扰管线的阴极保护有效性测试、试片法进行腐蚀速率检测以及电位远程监测等；另一种是室内进行管道材料极化曲线测试、阳极反映模拟以及干扰模拟仿真计算等。管道服役现场环境复杂，实际中接地极单极运行时放电极性可能为阴极或阳极，单一阴极保护有效性或试片腐蚀速率等检测结果与室内模拟的测试不匹配，二者往往存在很大误差，导致实验数据并不能真实反映接地极对埋地管道干扰影响。

高压直流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，管道涂层缺陷处金属/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众多现象和问题尚不清晰；加之接地极极性和单极运行时间不确定，高压直流干扰还具有干扰强度大、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，可以室内同步模拟接地极放电电流流入点管道阴极反应和电流流出点管道阳极反应，量化研究和评估不同干扰水平下管道材料的腐蚀行为和氢损伤特征及规律，实现针对高压直流输电线路接地极放电对埋地钢制管道干扰影响的室内模拟实验研究。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，提供一种可以室内同步模拟接地极放电电流流入点管道阴极反应和电流流出点管道阳极反应的实验装置。

为了实现上述目的，本实用新型的提供了一种研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述接地极为高压直流输电线路的接地极，所述装置包括管道试片、接地极直流干扰模拟系统、阴保系统以及接地极干扰测试系统。其中，管道试片表面涂覆涂层，所述涂层为三层结构的聚乙烯防腐涂层、环氧粉末防腐层或石油沥青防腐层，且涂层具有阴极区涂层缺陷和阳极区涂层缺陷。接地极直流干扰模拟系统包括直流电源控制、阴极区电解池和阳极区电解池。直流电源用于模拟接地极放电电流，且能够控制电流强度，直流电源的正极与阴极区电解池连接，负极与阳极区电解池连接。阴极区电解池内装有腐蚀介质，且腐蚀介质与所述阴极区涂层缺陷接触，阴极区电解池能够模拟阴极保护下接地极放电电流流进管道造成的腐蚀阴极区。阳极区电解池内装有腐蚀介质，且腐蚀介质与所述阳极区涂层缺陷接触，阳极区电解池能够模拟阴极保护下接地极放电电流流出管道造成的腐蚀阳极区。阴保系统能够为所述管道提供阴极保护。干扰测试系统包括参比电极、测试对电极、电化学工作站和计算机。电化学工作站能够测试电化学参数。计算机与电化学工作站连接，并能够记录所述电化学参数。电化学工作站的三个电极分别通过线路与测试接线点、参比电极、测试对电极相连组成三电极体系。测试接线点位于管道上且处于阴极电解池与阳极区电解池之间并更靠近阳极区电解池且更靠近阳极区电解池，参比电极不与电化学工作站连接的一端设置在阳极区电解池的腐蚀介质内，测试对电极设置在阳极区电解池的腐蚀介质内，所述电化学参数包括阳极区涂层缺陷的开路电位。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述直流电源通过第一对电极与阴极区电解池连接，且所述第一对电极设置在阴极区电解池的腐蚀介质内，所述直流电源通过第四对电极与阳极区电解池连接，且所述第四对电极设置在阳极区电解池的腐蚀介质内。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述实验装置还包括pH计，pH计能够监测阴极区电解池内的腐蚀介质的pH值。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述实验装置还包括除氧装置，所述除氧装置能够除去阴极区电解池内的氧气。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述腐蚀介质为土壤或土壤溶液。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述阴极区涂层缺陷的面积为7～10cm²，所述阳极区涂层缺陷的面积为7～10cm²。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述阴极区涂层缺陷的面积为6.5cm²，所述阳极区涂层缺陷的面积为6.5cm²。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述阴极区涂层缺陷面积与所述阳极区涂层缺陷的面积相等。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果可包括：(1)能够在室内同时模拟接地极放电环境下电流流入和流出点对管道发生的阴极和阳极反应；(2)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。

附图说明

图1示出了本实用新型的一个示例性实施例中所述装置的示意图。

图中标记：

1-管道试片，2-涂层，3-阴极区涂层缺陷，4-阳极区涂层缺陷，5-阴极区电解池，6-阳极区电解池，71-第一对电极，72-第二对电极，73-第三对电极，74-第四对电极，75-测试对电极，81-除氧进气管，82-除氧出气管，9-pH计，10-恒电位仪，11-直流电源，12-电流表，13-参比电极，14-电化学工作站，15-计算机，16-测试接线点。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本实用新型的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置。本文中，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本文中，“第一”、“第二”、“第三”“第四”仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

示例性实施例1

在本实用新型的第一示例性实施例中，如图1中所示，所述研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置可包括管道试片1、接地极直流干扰模拟系统、阴保系统以及干扰测试系统。这里，所述埋地管道为埋地钢质管道。这里，图1示出了本实施例中研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置的结构示意图。

其中，管道试片1表面涂覆有涂层2，管道试片1采用研究管道同种材质，可以为X65、X70或X80等，且涂层2具有阴极区涂层缺陷3和阳极区涂层缺陷4。这里，所述涂层2可以是三层结构的聚乙烯防腐涂层、环氧粉末防腐层或石油沥青防腐层。

所述阴极区涂层缺陷3的面积可以为6.5cm²，所述阳极区涂层缺陷4的面积可以为6.5cm²。

所述阴极区涂层缺陷3的面积还可以为7～10cm²，例如，7.5cm²、8cm²、8.5cm²、9cm²、或9.5cm²，所述阳极区涂层缺陷4的面积可以为7～10cm²，例如，7.5cm²、8cm²、8.5cm²、9cm²、或9.5cm²。

所述阴极区涂层缺陷3和所述阳极区涂层缺陷4可以具有相同的面积，也可以具有不同的面积。例如，所述阴极区涂层缺陷3和所述阳极区涂层缺陷4均为7.5cm²，以尽量接近管道涂层的最大缺陷面积。涂层缺陷面积一致可以营造相同的腐蚀反应参数，也有利于作为更改涂层缺陷面积参数试验的基准对比数据。

所述接地极直流干扰模拟系统包括直流电源11、阴极区电解池5和阳极区电解池6。所述直流电源11用于模拟高压直流输电线路的接地极放电电流，且能够控制电流强度，进而模拟阴极保护下管道试片1上的腐蚀阴极区和腐蚀阳极区。直流电源11的正极与阴极区电解池5连接，负极与阳极区电解池6连接。

在本实用新型的一个示例性实施例中，例如图1所示，所述接地极直流干扰模拟系统还可以包括电流表12，用于测试直流电源11的电流大小。

所述阴极区电解池5内装有腐蚀介质，且腐蚀介质能够与所述阴极区涂层缺陷3接触，阴极区电解池5能够模拟阴极保护下接地极放电电流流进管道试片1造成的腐蚀阴极区。所述阳极区电解池6内也装有腐蚀介质，且腐蚀介质与所述阳极区涂层缺陷4接触，阳极区电解池6能够模拟阴极保护下接地极放电电流流出管道试片1造成的腐蚀阳极区。这里，所述腐蚀介质根据测试需要可以是土壤或土壤溶液，土壤或土壤溶液的类型也可以根据测试需要进行选择。

在本实用新型的一个示例性实施例中，例如图1所示，所述阴极区电解池5上可以设有阴极区电解池盖板，所述阳极区电解池6上设有阳极区电解池盖板，以避免外界干扰。

例如，直流电源11可以通过第一对电极71与阴极区电解池5连接，且所述第一对电极71设置在阴极区电解池5的腐蚀介质内，所述直流电源11通过第四对电极74与阳极区电解池6连接，且所述第四对电极74设置在阳极区电解池6的腐蚀介质内，用于为涂层2的所述阴极区涂层缺陷3和所述阳极区涂层缺陷4提供直流电流，以模拟接地极放电。这里，所述第一对电极71和第四对电极74均可以是镀铂钛网、铂片或不锈钢片等阴极电极材料。

所述阴保系统能够为所述管道试片1提供阴极保护，进而，为管道试片1上的所述阴极区涂层缺陷3和所述阳极区涂层缺陷4提供阴极保护电位，模拟实际管道阴极保护。

所述阴保系统可以包括恒电位仪10、第二对电极72和第三对电极73，恒电位仪10的正极连接第二对电极72和第三对电极73，第二对电极72设置在阴极区电解池5的腐蚀介质内，第三对电极73设置在阳极区电解池的腐蚀介质内，恒电位仪10的负极连接管道试片1，为管道试片1上的阴极区涂层缺陷3和阳极区涂层缺陷4提供阴极保护电位，模拟实际管道阴极保护。

这里，第二对电极72和第三对电极73可选用镀铂钛网、铂片或不锈钢片等阴极电极材料。这里，阴保系统的阴极保护电流受恒电位仪10控制，例如，阴极区阴极保护子系统的阴极保护电流为-1.05VCSE。可选用镀铂钛网。

所述干扰测试系统包括参比电极13、测试对电极75、电化学工作站14和计算机15。其中，电化学工作站14能够测试电化学参数。计算机15与电化学工作站14连接，并能够记录所述电化学参数。电化学工作站14的三个电极分别通过线路与所述测试接线点16、参比电极13、测试对电极75相连组成三电极体系。所述参比电极13一端设置在阳极区电解池6的腐蚀介质内，另一端通过电路与电化学工作站14连接。所述测试接线点16位于管道试片1上且处于阴极区电解池5与阳极区电解池6之间并更靠近阳极区涂层缺陷。所述测试对电极75设置在阳极区电解池6的腐蚀介质内。

这里，所述电化学参数包括阳极区涂层缺陷4的开路电位。所述参比电极13可以沿竖向插装于在阳极区电解池6，参比电极13的一端伸至阳极区电解池6内的下部。进一步地，当阳极区电解池6由阳极区电解池6盖板密封时，所述参比电极13可以沿竖向插装于阳极区电解池6盖板上。所述测试对电极75可以选用镀铂钛网。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述实验装置还包括pH计9。所述pH计9用于实施监测阴极区电解池5内的腐蚀介质的pH值(酸碱度)，辅助评价干扰电流强度对管道阴极反应界面pH值的影响。例如图1所示，pH计9的下端伸至阴极区电解池5内的下部测量阴极区电解池5的腐蚀介质的pH值。

在本实用新型的一个示例性实施例中，所述实验装置还包括除氧装置，所述除氧装置能够除去阴极区电解池5内的氧气，以维持反应过程电解池内真实pH值。所述除氧装置可以包括除氧进气管81和除氧出气管82，例如图1所示，除氧进气管81和除氧出气管82沿竖向插装于阴极区电解池5盖板上，通过除氧进气管81往阴极区腐蚀介质内通入氮气等化学性质不活泼的气体以排出阴极区电解池5的腐蚀介质内的氧气，例如土壤中的氧气和土壤溶液中溶解的氧气。

综上所述，本实用新型的有益效果可包括：

(1)所述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、不同涂层、不同涂层缺陷面积、不同腐蚀介质等多因素影响实验；

(2)能够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。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本实用新型，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims

1.一种研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述接地极为高压直流输电线路的接地极，所述装置包括管道试片、接地极干扰模拟系统、阴保系统以及干扰测试系统，其中，

管道试片表面涂覆有涂层，所述涂层为三层结构的聚乙烯防腐涂层、环氧粉末防腐层或石油沥青防腐层，且涂层具有阴极区涂层缺陷和阳极区涂层缺陷；

接地极干扰模拟系统包括直流电源控制、阴极区电解池和阳极区电解池，

直流电源用于模拟接地极放电电流，且能够控制电流强度，直流电源的正极与阴极区电解池连接，负极与阳极区电解池连接，

阴极区电解池内装有腐蚀介质，且腐蚀介质与所述阴极区涂层缺陷接触，阴极区电解池能够模拟阴极保护下接地极放电电流流进管道造成的腐蚀阴极区，阳极区电解池内装有腐蚀介质，且腐蚀介质与所述阳极区涂层缺陷接触，阳极区电解池能够模拟阴极保护下接地极放电电流流出管道造成的腐蚀阳极区；

阴保系统能够为所述管道试片提供阴极保护，所述阴保系统包括恒电位仪、第二对电极以及第三对电极，恒电位仪的负极与管道试片连接，为管道试片提供阴极保护，恒电位仪的正极分别与第二对电极连接和第三对电极连接，所述第二对电极设置在阴极区电解池的腐蚀介质内，所述第三对电极设置在阳极区电解池的腐蚀介质内；

干扰测试系统包括参比电极、对电极、电化学工作站和计算机，电化学工作站能够测试电化学参数，计算机与电化学工作站连接，并能够记录所述电化学参数，电化学工作站的三个电极分别通过线路与测试接线点、参比电极、对电极相连组成三电极体系，其中，测试接线点位于管道上且处于阴极电解池与阳极区电解池之间且更靠近阳极区电解池，参比电极不与电化学工作站连接的一端设置在阳极区电解池的腐蚀介质内，测试对电极设置在阳极区电解池的腐蚀介质内，所述电化学参数包括阳极区涂层缺陷的开路电位。

2.根据权利要求1所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述直流电源通过第一对电极与阴极区电解池连接，且所述第一对电极设置在阴极区电解池的腐蚀介质内，所述直流电源通过第四对电极与阳极区电解池连接，且所述第四对电极设置在阳极区电解池的腐蚀介质内。

3.根据权利要求1所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括pH计，pH计能够监测阴极区电解池内的腐蚀介质的pH值。

4.根据权利要求1所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括除氧装置，所述除氧装置能够除去阴极区电解池内的氧气。

5.根据权利要求1所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述腐蚀介质为土壤或土壤溶液。

6.根据权利要求1所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述阴极区涂层缺陷的面积为7～10cm²，所述阳极区涂层缺陷的面积为7～10cm²。

7.根据权利要求6所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述阴极区涂层缺陷面积与所述阳极区涂层缺陷的面积相等。

8.根据权利要求1所述的研究接地极放电对埋地管道干扰影响的实验装置，其特征在于，所述阴极区涂层缺陷的面积为6.5cm²，所述阳极区涂层缺陷的面积为6.5cm²。