埋地管道地鐵動態雜散電流防護設計方案研究

孫學鵬，高佳偉，焦亞龍，覃慧敏, 杜艷霞

(1.北京科技大學腐蝕與防護中心，北京 100083；2.北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035; 3.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司油氣儲運中心，河南 濮陽 457001)

0 前 言

隨著城市化進程不斷加快，城市軌道交通建設數量逐漸增多。至2018年底，我國內地的城市軌道交通(地鐵、輕軌和有軌電車)通車里程已達5 766.7 km，共有35座城市開通運營，城市軌道交通已經逐漸成為主要交通工具[1]。地鐵給城市交通帶來了極大便利，但是地鐵一般采用直流供電系統，運行軌道為其牽引供電回路的一部分，鐵軌不能做到完全對地絕緣，泄漏到土壤中的雜散電流會在附近的埋地管道上流入、流出，使得管地電位呈現動態波動特征。其中，劉杰[2]通過在一條受地鐵雜散電流干擾的管線上不同位置開展干擾參數的同步監測，并對數據進行統計分析，發現地鐵動態雜散電流干擾參數具有與地鐵運行時間相對應的典型時間特征。其具體表現為在夜間至凌晨地鐵停運的時間段內，管地電位基本無波動，而在日間地鐵運行時間段內，管地電位波動劇烈，同時波動周期與地鐵發車頻次有一定相關性。朱祥劍[3]對北京、上海、深圳、無錫4城市受地鐵雜散電流干擾的管道進行24 h管地電位監測，發現管地電位存在波動變化周期，其波動周期由眾多小波峰組成，這些小波峰能反映出地鐵雜散電流引起的管地電位上升、下降和在峰值時的平穩波動。管地電位的動態波動使得管地電位無法維持相對穩定，不但增大了管道的腐蝕風險，還給管道陰極保護電位進行有效測試、評估以及管道防護帶來了較大困擾[4-10]。

國內外學者圍繞雜散電流干擾下埋地管道防護開展了探索工作。其中，于志永[11]建立了地鐵車輛段牽引回流系統模型，提出了在車輛段設置回流回路、設置雜散電流收集網、鋼軌采用絕緣法安裝雜散電流防護措施。Qin等[12]在一段受雜散電流干擾較為嚴重的管道上使用原有的犧牲陽極作為接地極，在犧牲陽極和管道之間安裝極性排流器，防止雜散電流通過犧牲陽極流入管道。排流后通過測試樁監測到的電位明顯負移，管道受到的直流雜散電流干擾大幅降低。胡偉[13]介紹了中石化銷售華東公司成品油管網某管段的直流干擾治理實踐，通過現場調研提出了采用深井式埋設純鋅合金作為陽極材料的防護方法。Delascasas[14]利用極性排流方法對一條自來水主管道的動態直流雜散電流干擾進行緩解，在地鐵和管道之間跨接電纜并安裝反向電流限制開關。結果表明，流經跨接電纜的排流電流最大達70 A。Beggs[15]介紹了在輕軌交通(LRT)系統建設前，針對可能受影響區域的輸氣管道提出的一系列監測及防護措施，其中包括在關鍵位置埋設永久性參比電極、利用電流環測量電流的大小和方向、針對市區與軌道交通交叉的燃氣管網采取更換為塑料管道或者對管道安裝套管等特殊處理，同時使用絕緣接頭進行電氣隔離，增加管道的縱向電阻，減少了雜散電流吸收。Mccaffrey[16]總結了輸水管道新建和改造過程中受輕軌雜散電流影響的陰極保護設計防護的相關技術，包括在犧牲陽極系統中為防止陰極保護失效，每個陰極保護系統安裝2組陽極地床；為了減小陰極保護的電流輸出，對管道預先涂覆防腐層；為更好地實現電絕緣，在穿過輕軌下方的管道安裝在管套中時使用絕緣墊片實現套管和保護管道的電絕緣等。夏慧芳等[17]提出了智能控制接地排流和采用強制排流的2種方案。Brenna等[18]提出一種基于電流準則的雜散電流防護方法，設定一個最小陰極保護電流，在該電流下試片的極化電位滿足陰極保護電位準則，這樣可以有效改進陰極保護系統，消除恒電位儀在恒電位運行模式下IR降的影響。馬曉華[19]采用試片斷電法對虹橋機場航油管道干擾情況進行了檢測，從檢測報告中可以看出部分管道受雜散電流干擾嚴重，之后采用排流器+犧牲陽極材料作為排流接地體地床的極性排流形式，排流器一端與管道相連，另一端與排流地床相連，使干擾電流通過排流地床排出。同時針對管道電位出現正移的情況，管線增加外加電流強排陰極保護站，通過外加電流陰極保護系統使管道電位盡可能負移，消除電位正移。國內外學者圍繞雜散電流干擾下埋地管道防護開展的工作，大多集中在對于防護方法的介紹以及陰極保護系統的改進，對于地鐵動態雜散電流防護設計中關于管道電位動態波動、雜散電流影響范圍大、不同區域之間的相互影響等難點缺乏對整體排流防護設計方法的探索。因此，探索地鐵雜散電流防護設計方法對于動態直流雜散電流干擾下的管道防護具有重要的借鑒和指導意義。本工作以遭受地鐵雜散電流干擾的某實際埋地天然氣管段為研究對象，探索了基于現場排流試驗的防護設計方法，即對多個受干擾位置進行24 h動態直流干擾參數的連續監測，基于監測數據分析受干擾管段地鐵雜散電流流入、流出規律。根據雜散電流流入、流出規律，開展不同位置的現場排流試驗，基于現場試驗結果及相關計算確定了受干擾管段的地鐵雜散電流防護方案。同時，對防護效果進行了測試評估，測試評估結果說明此防護方案達到了預期的防護效果。

1 干擾測試及規律分析

1.1 研究方法

所考察的管段位于A站與B站之間，管道與地鐵線路相對位置如圖1所示。管段進出站均安裝了絕緣接頭，管道防腐層為3PE涂層。管線離地鐵線路最近距離約1 km。前期管線的現場調研干擾檢測結果表明，管地電位存在明顯的波動，導致管道原有的陰極保護系統由于干擾無法正常運行。

圖1 管道與地鐵線路相對位置圖

為了進一步掌握地鐵動態雜散電流干擾的程度，對管段不同位置的干擾情況進行了詳細測試，在管段上選擇了7個測試點，測試點的位置如圖1所示。根據GB/T 21246-2020“埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法”[20]規定的埋地管道管地電位測量方法，本工作采用試片斷電法進行測試，測試內容包括測試樁處試片通電電位、斷電電位、直流電流密度等參數。首先，在測試樁附近埋設試片和硫酸銅參比電極，將試片全部埋入土壤中，硫酸銅參比電極放置在與試片同深且距離試片1 cm處。試片和硫酸銅參比電極埋設完畢后，將UDL-2型數據記錄儀的黑色導線與試片對應的導線相連接，紅色導線與硫酸銅參比電極對應的導線相連接，藍色導線與測試樁里管道線相連接。之后，使用UDL-2型數據記錄儀對埋地管道沿7個測試點的試片通電電位、斷電電位以及直流電流密度進行24 h的同步連續監測。其中，UDL-2型數據記錄儀所測最小電位可達10-6V，最小電流可達10-6A。同時，本次測試采用的UDL-2型數據記錄儀設置參數為：數據采集頻率為1 s采集一個數據，循環周期20 s，斷電3 s，斷電延遲150 ms，通電延遲150 ms，電位只選擇直流電壓，電流只選擇直流電流。試片通、斷電電位及電流密度測量示意如圖2所示。

圖2 試片通、斷電電位及電流密度測量示意圖

獲得埋地管道上不同位置的地鐵雜散電流干擾參數后，通過Origin軟件作圖得到了通、斷電電位的測試結果，分析了管道通、斷電電位隨時間的波動變化規律，探索了管道上不同位置雜散電流的流入、流出關系，并對管道動態直流干擾風險進行評價。

1.2 測試結果及分析

此管段共有7個測試點，由于1號測試點和2號測試點相距較近，故沒有在2號測試點進行同步測試。此管段監測獲取了管道上6處不同位置的干擾參數波動數據，下面以5號測試點為例來分析管道通、斷電電位隨時間的波動特征，其通、斷電電位波動圖如圖3所示。由圖3可見地鐵雜散電流作用下的電位-時間記錄有一個顯著的特點：白天管地電位波動強烈，而夜間波動很小，呈現出典型動態直流干擾的特征。測試點的斷電電位在一定時間內比-0.85 V(vs CSE)要正，表明管道存在一定的腐蝕風險。

圖3 管線5號測試點電位測試結果

AS2832.1-2015[21]中規定，對于短時間受雜散電流極化作用的影響且涂層性能良好的金屬埋地管道而言，測量電位大于規定電位(即受保護下的電位)的時間不應超過測量時間的5%，大于規定電位50 mV(對于鋼鐵結構來說即所測電位大于-800 mV)的時間不應超過測量時間的2%，大于規定電位100 mV(對于鋼鐵結構來說即所測電位大于-750 mV)的時間不應超過測量時間的1%，大于規定電位850 mV(對于鋼鐵結構來說即所測電位大于0 mV)的時間不應超過測量時間的0.2%。根據AS2832.1-2015對管道沿線的6個測試點的管道通電電位波動范圍，斷電電位最大值、最小值、平均值以及直流腐蝕風險評價進行統計，結果如表1所示。從表1中可以看出，3、5、7號測試點的斷電電位統計結果遠遠大于標準要求，表明雜散電流對管道的干擾比較嚴重，需要采取一定的防護措施。

表1 管道動態直流干擾風險評估結果

1.3 管段上雜散電流流入、流出位置規律分析

管道中檢測到電流的正、負向流動對應雜散電流的流入、流出管道，對管道上多個位置電流的同步測試數據進行分析對比，研究管段上的雜散電流流入、流出相對位置關系及變化規律。

3、4、5、6號4個測試點在同一方向上，其電流的流入、流出的規律更明顯，因此，將3、4、5、6號4個測試點同步測試的電流密度數據繪圖，如圖4所示。圖4顯示了管道不同位置在相同時間段內的電流流向情況。由沿線電流密度同步記錄數據局部放大圖(圖4b)可以看出，在同一時刻，3、4、5號測試點同步電流密度流向一致，6號測試點電流密度流向與3、4、5號測試點相反，說明在同一時刻，3、4、5號測試點是雜散電流的流入點時，6號測試點是雜散電流的流出點；3、4、5號測試點是雜散電流的流出點時，6號測試點是雜散電流的流入點。3、4、5號測試點和6號測試點的電流密度變化趨勢相反，對應雜散電流的流入與流出，說明3、4、5號測試點和6號測試點互為地鐵雜散電流的流入、流出位置，即當雜散電流從3、4、5號測試點流入時，6號測試點流出雜散電流，反之亦然。具體的部分測試點雜散電流流入、流出示意圖如圖5所示。在進行雜散電流防護方案設計的時候需要考慮管道不同位置雜散電流流入、流出的關系。

圖4 部分測試點的電流密度流入、流出情況

圖5 部分測試點雜散電流流入、流出示意

2 現場排流試驗

為了確定被干擾管段所需的排流量及排流地床的位置，根據管道的干擾水平，雜散電流流入、流出規律，管道的干擾水平和地床開挖的可行性，選擇在管線的兩端進行饋電試驗，分別于1號和7號測試點附近埋設2個臨時陽極地床1號和2號，2個地點的饋電輸出如表2和表3所示，同時于沿線測試樁處安裝數據記錄儀進行干擾緩解前后的通、斷電電位測試。陽極地床的材質為扁鐵，埋設位置垂直距離管道40 m左右，現場排流試驗如圖6所示。電源為恒電流輸出模式。

表2 1號臨時陽極地床

表3 2號臨時陽極地床

圖6 現場排流試驗示意圖

強制排流試驗結果如圖7所示，根據4個測試點的分布位置及雜散電流流入、流出規律，選擇1、3、5、6號測試點，給出1、3、5、6號測試點的強制排流效果。由圖7可知在1號臨時陽極地床饋入3 A電流時，只有1號測試點電位明顯負移，其他位置無明顯變化。在1號臨時陽極地床饋電時，隨著饋入電流的增大，3號測試點處試片斷電電位正于陰極保護標準的比例逐漸減小，但始終存在正于陰極保護準則的比例，說明管道依然存在腐蝕風險。在2號臨時陽極地床饋電時，隨著饋入電流的增大，6個測試點通、斷電電位都明顯負向偏移，各測試點處試片斷電電位正于陰極保護標準的比例逐漸減小，當饋入電流達到7 A時，所有測試點處試片斷電電位均達到陰極保護準則要求的范圍。

由饋電試驗結果(圖7)可知，在1號臨時陽極地床饋電到3 A時，只有距離最近的1號測試點的電位明顯負移，3號測試點和5號測試點電位無明顯變化，饋電效果不明顯。在2號臨時陽極地床饋電到7 A時，排流效果可以達到最遠的1號測試點。同時，3號測試點和5號測試點饋電效果明顯。在2號臨時陽極地床饋電電流為7 A時，全線測試樁均達到陰極保護標準。2號陽極地床相對于1號陽極地床排流效果更佳，與2號陽極地床的位置更靠近干擾最嚴重的管段及干擾源有關，饋電試驗說明在進行地鐵雜散電流排流地床位置選擇時，應充分考慮干擾嚴重管段及與干擾源的相對位置?？紤]到用電設備的電源需求，初步選擇在2號臨時陽極地床附近安裝防護地床。

圖7 強制排流效果試驗結果

3 干擾排流方案設計

根據現場排流試驗結果及現場安裝條件，選擇在距離7號測試點較近的A站附近安裝深井陽極地床。選取φ50 mm×1 000 mm(預包裝尺寸φ273 mm×2 000 mm，50 kg/支)的MMO陽極，其最大輸出電流密度為100 A/m2。根據排流量的需求(>7 A)，為了保證電源輸出不是太大，控制陽極接地電阻為3 Ω。按照陽極接地電阻的要求計算陽極的數量。單只陽極接地電阻采用式(1)計算：

(1)

式中：Ra，h為陽極的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為陽極長度，m；d為陽極直徑,m；t為地表下的埋深，m。根據現場實測，取土壤電阻率ρ為100 Ω·m，根據式(1)進行計算得Ra，h≈15.9 Ω。

連接至同一主電纜的多支水平式陽極組的接地電阻采用式(2)和式(3)計算：

(2)

(3)

式中：Rgb，h為N支水平式陽極的總接地電阻，Ω；Ra，h為單支陽極的電阻，Ω；N為陽極數量；S為陽極之間的中心間距，m；F為群集因子。

陽極中心間距S為5 m，計算得Rgb,h<3 Ω，N>9.1。因此，深井選用10支及以上的MMO陽極能滿足輸出電流的要求?？紤]到實際地下環境條件，設計深井陽極100 m，活性區長度50 m，陽極中心間隔5 m(端部間距3 m)，共10支預包裝MMO陽極。

深井陽極系統中每組陽極用一根電纜引至陽極接線箱，每支陽極的電纜在井口預留3 m。選擇陽極電纜時主要考慮電流容量和機械強度2方面，另外環境中鹵素離子也是一個重要因素。綜合以上考慮，選擇的陽極電纜型號為YJV-1KV-1×16 mm2。

通過回路中電壓的計算設計強制排流電源。其中，回路總電阻采用式(4)進行計算：

RT=Ra+RW+Ru+R

(4)

式中：Ra為陽極接地電阻(此處為1.98 Ω)；RW為導線電阻；Ru為未知組件電阻；R為陰極對地電阻。

取RW=0.20 Ω；Ru=0.50 Ω；Rc=0.02 Ω計算得到RT=3.7 Ω。

電壓采用式(5)進行計算：

E=IR+Ep

(5)

式中：I為總排流電流量，A；R為回路總電阻，Ω；Ep為反電動勢，一般取2 V。計算得到E≈30 V。

考慮服役時間及余量，強制排流電源選擇2臺抗干擾恒電位儀(50 V/20 A，一用一備)，型號為SMART IMRT-1H。

4 防護效果評價

實施防護方案后，進行了效果測試與評價，2號臨時陽極地床附近的智能抗干擾恒電位儀以恒電位模式運行，其預置電壓為-1.2 V，輸出電壓為0～5 V，輸出電流為0～4 A。開啟智能抗干擾恒電位儀后，對沿線管道進行了24 h的電位測試，測量結果如表4所示。

表4 沿線管道測試結果

從表4可以看出，所有測試點的斷電電位均滿足標準要求。其中腐蝕風險高的3號測試點、7號測試點所測電位相對于正于保護準則比例、正于保護準則50 mV比例、正于保護準則100 mV比例、正于保護準則850 mV比例均為0，說明管道施加陰極保護后達到了預期要求，設備可長期進行運行。

5 結 論

本工作以遭受地鐵雜散電流干擾的埋地天然氣管道為研究對象，探索了基于現場排流試驗的防護設計方法，得到以下結論：

(1)管段多點同步監測數據分析可以獲得地鐵雜散電流在受干擾管道上的流入、流出分布規律。本文案例中受地鐵雜散電流干擾的管道3、4、5號測試點與6號測試點之間互為流入、流出位置，同一位置雜散電流的流入、流出特性隨時間變化。管地電位測試數據表明，3號、5號和7號測試點存在較為嚴重的雜散電流干擾，腐蝕風險比較高；

(2)開展不同位置的現場排流試驗，發現在1號臨時陽極地床饋電的饋電效果不明顯。在2號臨時陽極地床饋電，饋電效果明顯，說明在進行地鐵雜散電流排流地床位置選擇時，應充分考慮干擾嚴重管段及與干擾源的相對位置關系，不同位置的排流效果會有明顯差異；

(3)基于現場排流試驗，確定了排流方案。實施防護方案后，測試評估結果表明防護方案取得了良好的效果。說明基于現場試驗及相關計算確定的受干擾管段雜散電流防護方案合理，可以為同類工程提供參考。