地鐵維修基地雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕及防護(hù)措施

顏達(dá)峰，劉乃勇，袁鵬斌，舒 江，李月娥

（1.上海天然氣管網(wǎng)有限公司，上海201204；2.上海海隆石油管材研究所，上海200949）

地鐵作為城市交通的重要組成部分發(fā)展迅速。由于地鐵建設(shè)逐漸擴(kuò)張，地鐵與高壓力級(jí)別的鋼質(zhì)管道交叉或平行的情況越來(lái)越多。地鐵機(jī)車多采用直流750V或1 500V作為電力牽引供電[1]。地鐵系統(tǒng)中的電流絕大部分經(jīng)過(guò)走行軌流回到電源負(fù)極。一般來(lái)說(shuō)，部分電流從軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到道床及周圍土壤介質(zhì)中，形成雜散電流[2－3]。流入土壤中的雜散電流進(jìn)入高壓天然氣管道，嚴(yán)重危害管道的安全。一旦發(fā)生天然氣腐蝕穿孔等，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和浪費(fèi)。

管道維護(hù)工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)結(jié)果表明，地面運(yùn)行的地鐵對(duì)埋地鋼質(zhì)天然氣管道的影響較小，而地鐵維修基地附近管道容易受到雜散電流腐蝕。本工作對(duì)埋地鋼質(zhì)管道受地鐵雜散電流腐蝕的相關(guān)規(guī)律、特點(diǎn)進(jìn)行分析，利用遙測(cè)裝置及同步測(cè)試法查找雜散電流干擾源，并結(jié)合上海市高壓天然氣管道的雜散電流檢測(cè)情況，對(duì)地鐵基地內(nèi)的雜散電流原因進(jìn)行分析并提出建議措施。

1 直流雜散電流對(duì)鋼質(zhì)管道的腐蝕

1.1 地鐵雜散電流與金屬質(zhì)量損失相關(guān)性

埋地鋼質(zhì)管道遭受損失的質(zhì)量與雜散電流成正比，服從法拉第定律：

式中：m為金屬腐蝕減少的質(zhì)量，g；M為金屬的摩爾質(zhì)量，g·mol－1；I為雜散電流大小，A；t為腐蝕時(shí)間，s；Q為金屬離子的電荷數(shù)（金屬的腐蝕價(jià)態(tài)）；F為法拉第常數(shù)，96 500C·mol－1。

由式（1）可知，1A的雜散電流1a損失鋼鐵達(dá)9.1kg。在上海錦秋路基地中，每臺(tái)機(jī)車運(yùn)行時(shí)的電流約300A，而整個(gè)地鐵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行機(jī)車可達(dá)幾十輛機(jī)車，消耗的電流超過(guò)5 000A。即使系統(tǒng)有1%電流泄漏到土壤中形成雜散電流，其危害程度都是十分巨大的，泄漏的雜散電流將嚴(yán)重危害周邊金屬構(gòu)件及管線的安全。因此，預(yù)防和消除雜散電流對(duì)埋地金屬管道的安全是至關(guān)重要的。

1.2 地鐵雜散電流干擾情況下鋼質(zhì)管道的腐蝕

雜散電流在流入管道和流出管道的區(qū)域形成陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)。管道采取外防腐蝕層保護(hù)，陽(yáng)極區(qū)面積極小，腐蝕形成了大陰極小陽(yáng)極，管道在陽(yáng)極區(qū)發(fā)生腐蝕。雜散電流進(jìn)入管道后，在陽(yáng)極區(qū)腐蝕且極易發(fā)生穿孔。例如上海地鐵2號(hào)線沿線世紀(jì)大道下的DN300鋼管已發(fā)生近10次腐蝕泄漏事故，造成的直接或間接損失高達(dá)200萬(wàn)元[4]。管道泄漏對(duì)燃?xì)夤镜恼９猱a(chǎn)生了消極影響，對(duì)周邊的環(huán)境也造成很大的破壞。此外，上海浦東地區(qū)東線管道也存在雜散電流腐蝕，管道內(nèi)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該管壁局部腐蝕嚴(yán)重。將腐蝕嚴(yán)重的管段開挖、截取下并去除外防腐蝕層，發(fā)現(xiàn)管道外壁存在許多腐蝕坑，如圖1所示。腐蝕坑處壁厚減薄較嚴(yán)重，超聲波測(cè)厚結(jié)果顯示坑洞處剩余壁厚最薄僅為6mm，而管道正常壁厚為10mm。

1.3 地鐵雜散電流評(píng)價(jià)指標(biāo)

一般通過(guò)測(cè)試管道電位和土壤電位梯度大小評(píng)價(jià)雜散電流的干擾程度。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[5]，當(dāng)電位偏離其自然電位25mV或土壤電位梯度超過(guò)0.5mV·m－1時(shí)，認(rèn)為管道受雜散電流干擾。當(dāng)管道上任意點(diǎn)的管地電位較自然電位正向偏移100mV或管道附近土壤表面電位梯度＞2.5mV·m－1時(shí)，應(yīng)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施。實(shí)際上一般的管道都采取了陰極保護(hù)，可通過(guò)管道陰極保護(hù)電位的偏移情況來(lái)評(píng)價(jià)其腐蝕的。對(duì)管道直流雜散電流檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，地鐵形成的雜散電流并未形成穩(wěn)定的電位偏移，通常情況下受干擾的管段的管地電位都是呈現(xiàn)波動(dòng)特征。由于存在相鄰軌道上兩列列車同時(shí)異向行駛、列車速度不斷變化等情況，造成了雜散電流干擾的復(fù)雜性。有研究表明，動(dòng)態(tài)雜散電流越大，管地電位波動(dòng)范圍越大[5]。同時(shí)，測(cè)試管道直流電位與其埋設(shè)環(huán)境下的土壤電位梯度時(shí)，發(fā)現(xiàn)管道電位與土壤電位梯度呈現(xiàn)高度一致，管道電位波動(dòng)情況受雜散電流影響對(duì)應(yīng)關(guān)系十分明顯。

2 管道雜散電流干擾源的檢測(cè)

2.1 利用遙測(cè)裝置監(jiān)測(cè)管道雜散電流

遠(yuǎn)程遙測(cè)技術(shù)在上海高壓天然氣管線中已被成功應(yīng)用[6]。遠(yuǎn)程遙測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并全天24h連續(xù)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)管線受到雜散電流干擾等電位異常情況，提高了管道管理和維護(hù)的水平。另一方面，遙測(cè)數(shù)據(jù)可掌握雜散電流的運(yùn)行時(shí)間，可根據(jù)其規(guī)律來(lái)查找雜散電流干擾源。如圖2所示為上海9標(biāo)12號(hào)測(cè)試樁管地電位的24h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

從圖2可知，在晚上11點(diǎn)30分至凌晨5點(diǎn)30這段時(shí)間，管道的電位波動(dòng)干擾小，管道受到雜散電流最小。在該時(shí)間段，雜散電流干擾源停止了雜散電流的泄漏。對(duì)該管段附近雜散電流檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，距離該管段東側(cè)約200m有上海地鐵七號(hào)線錦秋路基地。對(duì)比圖2與上海七號(hào)線地鐵的運(yùn)行時(shí)間，發(fā)現(xiàn)上海地鐵七號(hào)線在上述時(shí)間段正好處于停止運(yùn)行階段。從這兩者時(shí)間上的一致性，說(shuō)明該雜散電流與七號(hào)線地鐵可能存在直接的關(guān)系。

2.2 管地電位與土壤電位梯度的同步測(cè)試

利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的十字交叉法測(cè)試管道周邊雜散電流方向和大小。9標(biāo)12＃樁管道所在位置土壤的土壤電位梯度較大，最大值5mV·m－1。在基地外圍空地上測(cè)試土壤電位梯度，同樣顯示雜散電流干擾源為基地。即從方向上來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為雜散電流來(lái)源于上海地鐵七號(hào)線錦秋路基地內(nèi)。在基地內(nèi)部測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)該基地內(nèi)電位梯度明顯增大。利用上海正方電子電器公司生產(chǎn)的雜散電流測(cè)試儀，同步測(cè)試9標(biāo)12＃測(cè)試樁、12＃樁附近土壤電位以及基地內(nèi)土壤電位梯度，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，管道附近土壤電位梯度波動(dòng)以及基地變電所附近土壤電位梯度波動(dòng)規(guī)律一致，同步變化。這充分說(shuō)明導(dǎo)致管道電位波動(dòng)的原因與地鐵基地的變電所有直接聯(lián)系，即地鐵錦秋路基地泄漏電流是形成9標(biāo)管道雜散電流的直接原因。

3 錦秋路基地雜散電流形成原因分析

3.1 鐵軌絕緣的檢查

一般來(lái)說(shuō)由于回流軌存在著一定的電阻，牽引電流在回流軌中產(chǎn)生電壓降，同時(shí)回流軌對(duì)地也存在著電位差[7]。軌道對(duì)地電位差使回流軌中的部分電流漏泄到土壤中后流入地下構(gòu)筑物、埋設(shè)金屬管線等，沿地下構(gòu)筑物、埋地金屬管線流動(dòng)的電流流至負(fù)回饋點(diǎn)附近后通過(guò)土壤重新歸入鋼軌，從而使鋼軌及其附近地下構(gòu)筑物鋼筋、金屬管線等在電流流出處產(chǎn)生腐蝕，如圖4所示[8]。

利用便攜式硫酸銅參比電極對(duì)基地內(nèi)局部段鐵軌進(jìn)行了軌地電位測(cè)試，軌地電位為＋0.89～－8.81V，由于鐵軌和地面之間過(guò)度電阻的存在以及軌道自身的縱向電阻導(dǎo)致軌道和大地之間出現(xiàn)電位差。由于該電位差的存在，電流從電勢(shì)高向電勢(shì)低處流動(dòng)，進(jìn)而是將泄漏到道床和周圍土壤中?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)基地多處鐵軌對(duì)地絕緣不好，如圖5所示，鐵軌有積水。積水的存在使得軌道回流的電阻顯著降低，導(dǎo)致鐵軌回流電阻降低。此外，基地24h都有地鐵列車運(yùn)行，且在基地內(nèi)各條軌道相互連接在一起，不便于對(duì)軌道的接地電阻進(jìn)行測(cè)量。

3.2 架空電線電流檢測(cè)及分析

利用鉗形電流表測(cè)試了基地內(nèi)架空電線往地鐵人工接地方向連接線，結(jié)果顯示該電線存在電流。電流呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，電流最大超過(guò)19A，方向?yàn)榧芸针娋€流向變電站接地。同步測(cè)試土壤電位梯度與電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該電流值變化規(guī)律與基地內(nèi)土壤電位梯度變化規(guī)律一致。說(shuō)明該電流與基地內(nèi)雜散電流干擾源存在直接的關(guān)系。

另一方面，由于架空電線與高壓觸網(wǎng)電線長(zhǎng)距離平行，在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中觸網(wǎng)電流會(huì)發(fā)生變化變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，觸網(wǎng)電流的變化使得架空電線形成感應(yīng)電流。由于架空電桿接地與變電所人工接地體連接在一起，大部分泄漏的電流通過(guò)自然接地體進(jìn)入到變電所人工接地體（接地銅排），而部分電流直接通過(guò)電桿流入土壤。架空電線的電流形成受多方面的影響，目前無(wú)這方面的報(bào)道，可對(duì)其做進(jìn)一步研究和討論。

4 地鐵基地雜散電流防護(hù)對(duì)策

地鐵在設(shè)計(jì)雜散電流防護(hù)時(shí)主要是考慮地鐵的運(yùn)行安全，較少考慮其泄漏的電流對(duì)管道的影響。天然氣管道的安全運(yùn)行同樣關(guān)乎百姓的生產(chǎn)生活。在地鐵雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要考慮雜散電流周邊管道的影響。結(jié)合地鐵維修基地內(nèi)雜散電流檢測(cè)結(jié)果，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）加強(qiáng)鐵軌絕緣施工與管理 由于軌道作為機(jī)車回流線路，鐵軌絕緣不良將導(dǎo)致明顯的電流泄漏進(jìn)而形成雜散電流危害周邊管道。筆者在對(duì)管道常規(guī)陰極保護(hù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，軌道絕緣不良泄漏到大地對(duì)管道電位干擾嚴(yán)重，部分由于雷雨天氣導(dǎo)致軌道間形成積水，電流通過(guò)積水進(jìn)入土壤進(jìn)而形成雜散電流。因此，加強(qiáng)軌道的絕緣處理，不允許軌道直接接地，不允許與其他金屬構(gòu)件直接連接，同時(shí)注意軌道上排水的通暢，避免形成積水造成電流泄漏。

（2）加強(qiáng)變電站接地極的檢測(cè)與管理 由于車輛基地共用一個(gè)人工接地，接地不良將導(dǎo)致變電站附近土壤的電位升高，當(dāng)存在雷擊或短路情況時(shí)，將嚴(yán)重危害設(shè)備及操作人員的安全。另一方面，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定人工接地體與架空電線電桿等自然接地體連接在一起，由于變電站人工接地不良，接地處電流可通過(guò)自然接地體漏泄電流，導(dǎo)致位于接地極附近的金屬管道會(huì)受到接地極形成的電場(chǎng)干擾，管道局部形成陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。由于管道一般采取外防腐蝕層保護(hù)，腐蝕的陽(yáng)極區(qū)很小，形成大陰極小陽(yáng)極的腐蝕特點(diǎn)，陽(yáng)極區(qū)的腐蝕速率很大，管道容易發(fā)生穿孔。

在多個(gè)地鐵基地檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干擾源距離管道較遠(yuǎn)時(shí)，雜散電流干擾將顯著的減小，甚至幾乎對(duì)管道無(wú)影響。接地極附近土壤電位梯度較大，距離接地極較遠(yuǎn)處電位梯度明顯減小。筆者在上海閔行吳中路基地測(cè)量土壤電位梯度發(fā)現(xiàn)，接地極附近土壤電位梯度為23mV·m－1，而距離吳中路基地較遠(yuǎn)的外環(huán)公路邊上電位（距離基地約800m）梯度為3.5mV·m－1，電位梯度方向指向接地極。

因此，建議定期測(cè)量接地極的基地電阻，當(dāng)人工接地體接地不良時(shí)，采取加導(dǎo)電鹽或者增加接地電極的方法，降低接地極的接地電阻；另一方面，注意接地極與埋地管道的相對(duì)位置，盡量增加接地極位置與管道之間的距離，以減弱雜散電流對(duì)管道腐蝕影響程度。

（3）加強(qiáng)觸網(wǎng)絕緣檢測(cè) 由于觸網(wǎng)電壓較高，一旦觸網(wǎng)絕緣不良，將導(dǎo)致電流泄漏到周邊大地中，造成嚴(yán)重的雜散電流腐蝕危害。另一方面，當(dāng)絕緣端子在絕緣性能下降后同樣存在電流泄漏，甚至最終導(dǎo)致絕緣失效形成大電流泄漏。應(yīng)定期檢查絕緣端子絕緣性能，防止觸網(wǎng)電流泄漏形成雜散電流。

（4）對(duì)地極周邊埋地管道采取排流保護(hù) 由于干擾段管道主要是在基地地極附近，因此在其周邊加強(qiáng)排流，使得雜散電流流入管道后通過(guò)排流地極流入大地，減小雜散電流對(duì)管道的影響。筆者通過(guò)對(duì)相關(guān)排流工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，采取合適的排流措施，能起到排流的作用，管道電位明顯有所改善。

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