饋電試驗(yàn)在地鐵雜散電流干擾排流中的應(yīng)用

韓非

（深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，深圳518049）

饋電試驗(yàn)在地鐵雜散電流干擾排流中的應(yīng)用

韓非

（深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，深圳518049）

埋地鋼質(zhì)管道受地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的緩解是管道界的一個(gè)難題。本工作嘗試使用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的方式，用強(qiáng)化的陰極保護(hù)電流緩解地鐵動(dòng)態(tài)干擾對(duì)管道的腐蝕影響。饋電試驗(yàn)有助于選取合適的強(qiáng)制電流陽(yáng)極地床位置以及強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出，取得最優(yōu)的排流效果。

動(dòng)態(tài)直流雜散電流；饋電試驗(yàn)；緩解；陰極保護(hù)

城市地鐵系統(tǒng)一般都采用直流牽引供電方式。電力機(jī)車通過(guò)受電弓或者集電靴受電后，直流電流以機(jī)車走行鋼軌作為回流導(dǎo)體。地鐵的軌道設(shè)計(jì)中包含絕緣環(huán)節(jié)，以避免牽引電流泄漏入大地。但是現(xiàn)實(shí)情況中由于設(shè)計(jì)或施工、維護(hù)的問(wèn)題，軌道不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)地完全絕緣，部分回流電流會(huì)泄漏入大地形成雜散電流。這些雜散電流對(duì)周邊的埋地鋼質(zhì)管道造成干擾。在管道吸收直流雜散電流的部位，可能會(huì)出現(xiàn)防腐蝕層的剝離和管材氫脆問(wèn)題；在管道排放雜散電流的區(qū)域，存在加劇管壁腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

地鐵直流雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)管道造成的干擾問(wèn)題，是目前困擾管道業(yè)界的一個(gè)重大課題。犧牲陽(yáng)極和強(qiáng)制電流是埋地鋼質(zhì)管道常用的兩種陰極保護(hù)方式，在城市天然氣管道的腐蝕與防護(hù)中，這兩種陰極保護(hù)系統(tǒng)都有使用。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的管道在受到動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾時(shí)，干擾電流可以通過(guò)犧牲陽(yáng)極泄放入大地，減緩管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；但是這種保護(hù)模式存在的問(wèn)題是在管道吸收雜散電流的部位，由于犧牲陽(yáng)極的存在，相當(dāng)于管道防腐蝕層存在諸多漏點(diǎn)，所以管道吸收的直流雜散電流量也會(huì)相應(yīng)增加。近年來(lái)部分業(yè)主單位在利用犧牲陽(yáng)極進(jìn)行直流干擾排流時(shí)，為了減少犧牲陽(yáng)極吸收直流雜散電流的數(shù)量，使用單向?qū)ǖ难b置連接犧牲陽(yáng)極與管道［1］。該裝置只允許管道通過(guò)犧牲陽(yáng)極排泄電流，直流電流不能通過(guò)犧牲陽(yáng)極逆流進(jìn)入管道。該方法的有效性有待進(jìn)一步的研究。此外因?yàn)闋奚?yáng)極本身排流能力有限且單向?qū)ㄑb置在雷暴頻繁地區(qū)易于損壞，所以其應(yīng)用性受到限制。

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在直流雜散電流緩解方面，也有廣泛的應(yīng)用。在北美常見(jiàn)的應(yīng)用模式是采用恒電位控制的直流電源（整流器）為管道提供陰極保護(hù)［2］。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3］，當(dāng)管地界面的極化電位達(dá)到-850 mV（CSE，下同）或者更負(fù)時(shí)，陰極保護(hù)即為有效。對(duì)于遭受動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的埋地管道，只要確保其極化電位達(dá)到-850 mV，即可排除腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

在使用極化電位或斷電電位對(duì)動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾情況下的陰極保護(hù)有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是管道斷電電位短時(shí)間的正向波動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致陰極保護(hù)有效性結(jié)論很難確定。就此問(wèn)題，目前國(guó)際上可以參考的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS2832.1［4］。在該標(biāo)準(zhǔn)中，利用斷電電位偏正的時(shí)間比例來(lái)判斷陰極保護(hù)是否有效。

1 管道受干擾情況的調(diào)查

某次高壓燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)度為10km，防腐蝕層為三層PE，沿管道每隔500m埋設(shè)一組鋅陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)。在日常電位檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該管道受到強(qiáng)烈的直流雜散電流干擾，通電電位波動(dòng)劇烈。圖1為使用電位數(shù)據(jù)記錄儀在2號(hào)測(cè)試樁處進(jìn)行管道通電電位長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。從該通電電位數(shù)據(jù)可以看到在地鐵運(yùn)行期間管道通電電位波動(dòng)比較劇烈，而在地鐵停運(yùn)期間電位恢復(fù)正常。

圖1 2號(hào)測(cè)試樁處管道通電電位長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)圖Fig.1 Long-time monitoring of on-potential at test station 2#

為進(jìn)一步排查管道受干擾情況，使用Fluke289萬(wàn)用表對(duì)全線測(cè)試樁進(jìn)行10分鐘普測(cè)，記錄測(cè)試樁處通電電位的最大值、最小值和平均值，并繪圖見(jiàn)圖2。

圖2 次高壓管道1～10號(hào)測(cè)試樁處通電電位10 min普測(cè)圖Fig.2 On-potential at test stations No.1 to 10（10 minutes）

以上檢測(cè)數(shù)據(jù)表明管道受到強(qiáng)烈的地鐵直流雜散電流干擾，在某次10 min的檢測(cè)周期內(nèi)管道的通電電位波動(dòng)范圍為-3.0～+0.5 V。該動(dòng)態(tài)直流干擾嚴(yán)重影響了陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果，在電位偏正位置，存在管道腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于在存在雜散電流干擾的情況下無(wú)法通過(guò)通斷陰極保護(hù)電源的方式檢測(cè)管道斷電電位，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作中，采用了極化試片測(cè)試管道的斷電電位，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià)。測(cè)試中使用的極化試片為圓盤(pán)狀，面積6.5 cm2，材質(zhì)與管道一致。將試片埋設(shè)在管道同等深位置，距離管壁20～30 cm。試片通過(guò)測(cè)試樁與管道連接，將銅/飽和硫酸銅參比電極（CSE）放置在試片附近以減少電位讀數(shù)中的IR降，見(jiàn)圖3。

圖3 極化試片測(cè)試接線圖Fig.3 Wiring of polarization coupon for off-potential reading

在進(jìn)行試片的斷電電位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，使用數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)通斷試片與管道的電連接，并記錄試片的通電電位和斷電電位。以圖4中1號(hào)測(cè)試樁處埋設(shè)試片的通斷電電位24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例來(lái)說(shuō)明動(dòng)態(tài)干擾對(duì)陰極保護(hù)電位的影響。

圖4 1號(hào)測(cè)試樁處試片通斷電電位24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 On-potential and off-potential of polarization coupon at 1#test station

在對(duì)全線測(cè)試樁處極化試片進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的通斷電電位監(jiān)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)1號(hào)～10號(hào)樁管道的斷電電位均有部分時(shí)間無(wú)法達(dá)到-850 mV。根據(jù)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS2832.1將測(cè)試斷電電位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 直流干擾段管道試片斷電電位偏正情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Anodic excursion of coupon off-potential

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，除了1號(hào)和2號(hào)測(cè)試樁達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其他測(cè)試樁的斷電電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)+100 mV和+50 mV比例均無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此需要對(duì)此段進(jìn)行直流雜散電流排流。

2 饋電試驗(yàn)及排流方案設(shè)計(jì)

在該動(dòng)態(tài)直流干擾的排流方案設(shè)計(jì)中，嘗試使用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的方式給管道提供充足的保護(hù)電流，以抑制防腐蝕層破損點(diǎn)處雜散電流流出帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題。在方案設(shè)計(jì)中安裝臨時(shí)陽(yáng)極地床，使用直流電源進(jìn)行饋電試驗(yàn)，選取最合理的排流地點(diǎn)、優(yōu)化排流電流需求設(shè)計(jì)。在饋電試驗(yàn)中，仍使用前述的極化試片對(duì)陰極保護(hù)斷電電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在饋電試驗(yàn)運(yùn)行48 h后，對(duì)在測(cè)試樁附近埋設(shè)試片的電位進(jìn)行檢測(cè)、記錄，研究單個(gè)饋電點(diǎn)的有效排流緩解范圍。本次饋電試驗(yàn)點(diǎn)分別選擇3號(hào)～10號(hào)測(cè)試樁，試驗(yàn)中的臨時(shí)陽(yáng)極地床距離管道垂直距離盡量不小于50m。

以3號(hào)測(cè)試樁的饋電試驗(yàn)說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法。圖5中展示的是不同饋電電流對(duì)3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)測(cè)試樁處試片斷電電位的影響。從饋電試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在3號(hào)測(cè)試樁饋入2 A電流時(shí)，3號(hào)測(cè)試樁位置斷電電位接近達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；饋入4 A時(shí)，5號(hào)測(cè)試樁和7號(hào)測(cè)試樁能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2中統(tǒng)計(jì)的是利用AS2832.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及測(cè)試樁處24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)試片斷電電位所做出的有效性判斷統(tǒng)計(jì)。在3號(hào)測(cè)試樁饋電4 A 時(shí)，遠(yuǎn)至7號(hào)測(cè)試樁的斷電電位是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。

圖5 3號(hào)測(cè)試樁饋電試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Current requirement test results at 3#test station

表2 3號(hào)測(cè)試樁饋電試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)有效性統(tǒng)計(jì)Tab.2 Evaluation of current requirement test results for 3#test station

因各測(cè)試樁處饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)性質(zhì)重復(fù)，在此不再一一描述。在進(jìn)行8處測(cè)試樁位置的饋電試驗(yàn)后，總結(jié)如下：在3號(hào)和9號(hào)測(cè)試樁的位置饋電入電流時(shí)，保護(hù)范圍效果最好，且保護(hù)范圍最大。單獨(dú)使用3號(hào)測(cè)試樁的臨時(shí)地床輸出4 A電流時(shí)，能保護(hù)到7號(hào)測(cè)試樁，保護(hù)距離為7km；單獨(dú)使用9號(hào)測(cè)試樁的臨時(shí)地床輸出4 A 電流時(shí)，兩端能保護(hù)到6號(hào)和10號(hào)測(cè)試樁，保護(hù)距離為4km。表明在這兩個(gè)位置安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出相應(yīng)的電流，可以使整條管線的陰極保護(hù)到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且因?yàn)殡娏鳢B加的作用，兩處陰極保護(hù)系統(tǒng)各自的實(shí)際輸出電流不需要達(dá)到4 A。

根據(jù)饋電試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的管道干擾排流方案即為：在繼續(xù)使用原有犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的情況下，在3號(hào)和9號(hào)測(cè)試樁位置追加陰極保護(hù)站，每個(gè)站的使用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的方式緩解動(dòng)態(tài)直流雜散電流的干擾，可以較好地解決管道斷電電位正向偏移問(wèn)題，但是也會(huì)在部分時(shí)間加劇斷電電位偏負(fù)的問(wèn)題。管道斷電電位過(guò)負(fù)，可能導(dǎo)致防腐蝕涂層的剝離或其他對(duì)管材有害的影響。在GB 21448［3］中提出極限保護(hù)電位不能比-1 200 mV更負(fù)。但是從目前業(yè)界現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，很難找到一種同時(shí)解決電位偏正和偏負(fù)問(wèn)題的方案。在AS2832.1［4］中提到在使用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)對(duì)直流干擾排流時(shí)，短時(shí)間的電位偏負(fù)相對(duì)來(lái)說(shuō)不重要。然而在該標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)“短時(shí)間”進(jìn)行明確的定義，尚有待進(jìn)一步研究明確。

輸出電流至少為4 A。目前因征地以及電源問(wèn)題尚未解決，還未進(jìn)入工程施工階段。

3 討論

（1）使用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的方式對(duì)受到雜散電流干擾的管道進(jìn)行排流緩解，是一種可行的方式，當(dāng)管道電位滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)可以得到有效控制。

（2）使用饋電試驗(yàn)方法，可以對(duì)干擾緩解設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助優(yōu)化?？梢詢?yōu)選陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝位置以及電流輸出參數(shù)。

（3）強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式對(duì)管道斷電電位偏負(fù)的影響，以及電位偏負(fù)所帶來(lái)的防腐蝕層剝離和氫脆等問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)一步研究明確。

（4）設(shè)計(jì)方案的保護(hù)效果，有待陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝投產(chǎn)后進(jìn)一步測(cè)試研究。在陰極保護(hù)系統(tǒng)投產(chǎn)后，將進(jìn)一步對(duì)各測(cè)試樁的試片斷電電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)電流輸出，以求既能達(dá)到有效保護(hù)，又盡量避免過(guò)負(fù)電位的出現(xiàn)。

［1］陳飛，周吉祥，牟南翔.埋地管道直流雜散電流排除實(shí)踐［J］.腐蝕與防護(hù)，2013，34（2）：171-173.

［2］NACE International CP Interference training material［M］.Atlanta：January NACE International，2008.

［3］GB 21448-2008 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］AS2832.1-2004 Cathodic protection of metals part1：pipes and cables［S］.

Application of Current Requirement Test to Mitigation of DC Transit Stray Current Interference

HAN Fei
（Shenzhen Gas Corporation Ltd.，Shenzhen 518049，China）

Mitigation of DC transit stray current interference is one of the challenges faced by pipeline industry.In this study impressed current cathoclic protection（ICCP）was tried to mitigate the DC interference from DC transit system，using enhanced CP current as a counteract measure to prevent corrosion.Current requirement test is an optimal method to choose the anode site and output parameters for ICCP system to get an optimized mitigation result.

DC stray current；current requirement test；mitigation；impressed current cathoclic protection（ICCP）

TG174.4

B

1005-748X（2015）11-1101-03

10.11973/fsyfh-201511019

2015-08-13

韓 非（1981-），工程師，從事燃?xì)夤艿肋\(yùn)行管理工作，13632902155，jianainana@sina.com