埋地管道地鐵雜散電流干擾的測(cè)試技術(shù)

孟慶思,杜艷霞,董 亮,戴 舒,徐洪福

(北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

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腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)

埋地管道地鐵雜散電流干擾的測(cè)試技術(shù)

孟慶思,杜艷霞,董 亮,戴 舒,徐洪福

(北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

深圳地鐵發(fā)展迅猛，泄漏到大地中的雜散電流可導(dǎo)致埋地管道腐蝕加速。對(duì)深圳地鐵雜散電流干擾下的輸水管道進(jìn)行檢測(cè)，確定管道的自腐蝕電位，探討試片材質(zhì)和表面狀態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)研究了管道受雜散電流干擾的規(guī)律。結(jié)果表明：雜散電流干擾程度與地鐵和管道的相對(duì)位置有一定的關(guān)系,隨著管道與地鐵間距離減小，管道受到雜散電流干擾越來越嚴(yán)重；并且在相同距離下，交叉段受到干擾程度要大于平行段。同時(shí)不同材質(zhì)的管道抗干擾能力也不相同。

地鐵雜散電流;輸水管道;自腐蝕電位;干擾規(guī)律

我國城市鐵路交通系統(tǒng)發(fā)展迅猛。截至到2014年底，全國已有22個(gè)城市建成地鐵95條，運(yùn)營里程達(dá)到2 900 km。盡管地鐵給城市交通帶來了巨大便利，但泄漏到大地中的雜散電流對(duì)埋地管道、金屬結(jié)構(gòu)物有加速腐蝕的作用。

地鐵采用直流供電系統(tǒng)提供動(dòng)力，鋼軌作為電流的回流通路。由于鋼軌自身具有一定的電阻，而鋼軌和大地之間也難以達(dá)到完全絕緣，部分電流會(huì)離開鋼軌進(jìn)入大地，稱之為地鐵雜散電流[1]。

地鐵雜散電流對(duì)埋地管道干擾受很多因素影響。除了地鐵系統(tǒng)本身的因素,例如:供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、鐵軌電導(dǎo)率、軌道與大地連接材料和結(jié)構(gòu)的選擇以及其絕緣性能、供電站的間距、日常檢查和軌道的清理工作等[2]，進(jìn)入管道雜散電流的大小也與土壤電阻率、埋地管道的接地電阻、地鐵路線與管道的相對(duì)位置以及管道材質(zhì)等因素相關(guān)。近年來,城市地鐵建設(shè)加快，線路覆蓋面更廣，分布更加密集,埋地的各種金屬管道如輸水管道、天然氣管道、煤氣管道縱橫交錯(cuò)，導(dǎo)致地鐵雜散電流的干擾規(guī)律更加復(fù)雜。

對(duì)于地鐵雜散電流干擾下埋地管道的檢測(cè)，前人已經(jīng)做了大量研究。張豐等[3]介紹了試片斷電法在管道陰極保護(hù)檢測(cè)中的應(yīng)用，探究了不同試片面積對(duì)所測(cè)電位的影響。楊敬杰[4]采用試片斷電法對(duì)某地受地鐵雜散電流干擾管道進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)，結(jié)果顯示,不同管段受雜散電流干擾程度不同，距離地鐵較近的管段受到雜散電流干擾較為嚴(yán)重，但該檢測(cè)只針對(duì)單根管道。Chen等[5]在不同時(shí)段對(duì)上海地鐵雜散電流干擾下埋地天然氣管道的管地電位、流經(jīng)試片的電流以及電位梯度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果證實(shí),埋地管道受到較強(qiáng)的雜散電流干擾，并提出了一系列緩解方法。Casas等[6]對(duì)芝加哥市中心的預(yù)應(yīng)力鋼筒管混凝土(PCCP)進(jìn)行了地鐵雜散電流干擾檢測(cè)，并設(shè)計(jì)和優(yōu)化了極性排流法。盡管關(guān)于地鐵雜散電流對(duì)管道干擾檢測(cè)的資料有很多，但大多數(shù)側(cè)重于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試以及對(duì)某管道整體受干擾強(qiáng)度的評(píng)價(jià)。本工作重點(diǎn)研究了地鐵雜散電流干擾的測(cè)試方法，并對(duì)深圳市內(nèi)多條地鐵干擾下雜散電流對(duì)埋地輸水管網(wǎng)的干擾規(guī)律進(jìn)行了探討。

1　地鐵雜散電流對(duì)埋地管道的干擾

深圳水務(wù)集團(tuán)管轄的供水管道長(zhǎng)約3 200 km，主要采用鋼質(zhì)管道和鑄鐵管道。管道涂層有特加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青玻璃布、加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青玻璃布以及涂浸熱瀝青。管道自1980年起陸續(xù)建設(shè)完成，大部分(約70%)建于1990年-2000年，使用年限為10～20 a。輸水管道縱橫交錯(cuò)，與地鐵線路多處并行交叉，見圖1。

圖1　輸水管道與地鐵線路相對(duì)位置圖Fig. 1　The relative position of water pipes and metro lines

選取深圳市埋地輸水管道與地鐵密集交匯區(qū)的39個(gè)管道測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試內(nèi)容包括干擾管道的地鐵線路、檢測(cè)點(diǎn)與地鐵的相對(duì)位置、管道材質(zhì)以及受雜散電流干擾程度；并對(duì)其中受到嚴(yán)重干擾的14個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了24 h監(jiān)測(cè)。為了得到理想的測(cè)量結(jié)果，24 h監(jiān)測(cè)時(shí)采用試片斷電法來測(cè)量管道的通電電位(管地電位)[7]。

盡管埋地管道并沒有陰極保護(hù)系統(tǒng)，但在雜散電流的干擾下管道并非處于自然腐蝕狀態(tài)。管道使用年限較久，涂層存在一定程度的老化，試片的面積選為10 cm2。數(shù)據(jù)記錄儀采用UDL-2，可采集通、斷電電位和流經(jīng)試片的電流。數(shù)據(jù)記錄頻率為1次/s。檢測(cè)前將試片與管道連接24 h，保證試片處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。文中電位即管地電位均相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極(CSE)。

1.1檢測(cè)結(jié)果

表1為部分檢測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。其中，44號(hào)檢測(cè)點(diǎn)的兩端分別為鋼質(zhì)管道和鑄鐵管道。

表1　部分測(cè)試點(diǎn)受地鐵雜散電流干擾檢測(cè)結(jié)果Tab. 1　The results of parts of the test points under metro stray current interference

由表1可見，各區(qū)域的管道均受到地鐵雜散電流的干擾。19號(hào)、28號(hào)、39號(hào)等檢測(cè)點(diǎn)受到嚴(yán)重的雜散電流干擾，最正管地電位達(dá)到1.969 0 V；9號(hào)和26號(hào)等檢測(cè)點(diǎn)受到干擾較弱。

由圖2可見，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管地電位明顯受到地鐵雜散電流的干擾。在地鐵工作時(shí)間段，管地電位波動(dòng)劇烈；當(dāng)?shù)罔F停止運(yùn)行，管地電位恢復(fù)到較為平穩(wěn)的狀態(tài)。

(a)　13號(hào)

(b)　21號(hào)圖2　部分測(cè)試點(diǎn)24 h監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 2　24 hours monitoring results of the test points of No. 13 (a) and No. 21 (b)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，對(duì)于未施加陰極保護(hù)的管道，當(dāng)其任意點(diǎn)上管地電位較自腐蝕電位正向偏移不小于100 mV時(shí)，管道干擾程度為不可接受，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。因此確定管道自腐蝕電位對(duì)判定雜散電流干擾程度具有重要意義。但在雜散電流干擾下,管地電位處于較為劇烈的波動(dòng)狀態(tài)，自腐蝕電位難以確定。

同時(shí)，由圖2可以看出，采用試片斷電法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采集到的斷電電位明顯要負(fù)于通電電位。

1.2輸水管道自腐蝕電位的確定

通常采用自腐蝕試片法確定管道的自腐蝕電位[9],這是由于自腐蝕試片的接地電阻大，不易吸收雜散電流而處于自腐蝕狀態(tài)。但是該方法的測(cè)試周期長(zhǎng)，需要現(xiàn)場(chǎng)開挖，施工難度較大，因此在短期檢測(cè)中，難以獲得較為準(zhǔn)確的自腐蝕電位。

地鐵雜散電流的方向和大小是在瞬息萬變的，受到干擾的管道也不存在穩(wěn)定的陰陽極極化。盡管并未處于自腐蝕狀態(tài)，一旦地鐵雜散電流停止干擾，管道很快獲得較為穩(wěn)定的自腐蝕狀態(tài),如圖2所示。因此在地鐵雜散電流干擾下，針對(duì)沒有陰極保護(hù)的埋地管道，24 h監(jiān)測(cè)中地鐵停止運(yùn)行一段時(shí)間后的管地電位最接近真實(shí)的自腐蝕電位。

1.3試片材質(zhì)的選擇

在雜散電流干擾下，管地電位存在一定的電壓降(IR降)，為了消除IR降，獲得干擾下管道的真實(shí)電位，采用試片斷電法進(jìn)行測(cè)量。試片材質(zhì)應(yīng)與管道材質(zhì)完全相同，用于模擬管道的涂層破損點(diǎn)。

管道使用年限較為久遠(yuǎn)，存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。將試片與管道連接24 h獲得較為穩(wěn)定的狀態(tài)后進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，部分檢測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果顯示異常。以21號(hào)檢測(cè)點(diǎn)為例，試片的斷電電位明顯負(fù)于管地電位，這是由于試片剛加工，表面較為光滑，沒有銹層，自腐蝕電位要比管道的更負(fù)，見圖2(b)。這樣試片就不能完全代表管道涂層破損點(diǎn)。但在實(shí)際測(cè)試中，試片的表面電化學(xué)性能很難完全和管道破損點(diǎn)達(dá)到一致，最好在測(cè)試前將試片埋設(shè)一段時(shí)間以減小電位差。但試片材料的選擇以及表面狀態(tài)的確定并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有待于進(jìn)一步的研究。

2　地鐵雜散電流對(duì)埋地管道干擾的規(guī)律

基于輸水管道受到雜散電流干擾的程度，結(jié)合不同干擾因素如管道與地鐵相對(duì)位置、干擾地鐵線路以及管道材質(zhì)，對(duì)動(dòng)態(tài)雜散電流干擾規(guī)律進(jìn)行了研究。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，在對(duì)比同類干擾因素影響下的干擾規(guī)律時(shí)，測(cè)試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)的選擇應(yīng)盡量減少其他干擾因素。

2.1管道與地鐵相對(duì)位置對(duì)埋地管道的干擾

39個(gè)測(cè)試點(diǎn)都與地鐵存在不用程度的交叉或并行。當(dāng)?shù)罔F線路與埋地管道平行時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)與軌道距離指兩者間的水平距離。由表2可見，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)與軋道距離為695 m時(shí)，管地電位的波動(dòng)范圍為-0.397 0～-0.332 9 V，雜散電流的干擾微弱；當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)與軋道距離減小到38 m，管地電位波動(dòng)范圍為-0.872 5～-0.315 5 V，干擾較為強(qiáng)烈；當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)與軋道距離只有13 m時(shí)，管地電位波動(dòng)范圍為-2.569 3～0.870 9 V，干擾極為強(qiáng)烈。當(dāng)管道與地鐵并行，隨著檢測(cè)點(diǎn)與管道之間的距離不斷減小，管地電位的波動(dòng)范圍越來越大。

表2　與地鐵平行的管道受雜散電流干擾的 測(cè)試結(jié)果Tab. 2　The testing results of pipelines parallel with metro under stray current interference

當(dāng)?shù)罔F線路與管道交叉時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)與軌道距離指兩者間的垂直距離。由表3可見,24號(hào)檢測(cè)點(diǎn)管地電位波動(dòng)范圍大于26號(hào)的，14號(hào)檢測(cè)點(diǎn)的管地電位波動(dòng)范圍大于16號(hào)的。當(dāng)管道與地鐵線路交叉時(shí)，隨著測(cè)試點(diǎn)與管道之間距離的減小，雜散電流對(duì)管道的干擾作用越來越強(qiáng)烈。

表3　與地鐵交叉的管道受雜散電流干擾的 測(cè)試結(jié)果Tab. 3　The testing results of pipelines crossed with metro under stray current interference

綜上所述，雜散電流對(duì)管道干擾程度與地鐵線路和管道之間的距離相關(guān)。為了進(jìn)一步研究在不同相對(duì)位置下地鐵雜散電流對(duì)管道干擾強(qiáng)弱，選取交叉和平行兩種相對(duì)位置進(jìn)行對(duì)比。

由表4可見，在地鐵線路與管道距離相同的情況下，與地鐵交叉的管道受干擾程度明顯高于與地鐵并行的管道。這是由于管道和地鐵線路交匯處管道與地鐵的絕對(duì)距離最小，交叉處的電流相對(duì)集中。

表4　相對(duì)位置對(duì)管道受雜散電流干擾的程度Tab. 4　The effect of relative position on the interference degree

2.2不同地鐵線路雜散電流對(duì)埋地管道的干擾

不同地鐵線路的運(yùn)營狀態(tài)不同，牽引所的間距也有差異，軌道與大地絕緣性等因素都會(huì)導(dǎo)致地鐵線路泄漏到大地中的雜散電流有差異。為了進(jìn)一步了解不同地鐵線路對(duì)埋地輸水管道的干擾狀況，選取了深圳市民中心附近的管道進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見表5。

表5　不同地鐵線路對(duì)管道受雜散電流干擾的程度Tab. 5　The effect of different subways on the interference degree

由表5可見，40號(hào)、33號(hào)、38號(hào)三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都距離地鐵2號(hào)線很近，但距離其他3條地鐵相對(duì)較遠(yuǎn)；隨著測(cè)試點(diǎn)與2號(hào)線距離的減小，埋地管道受到雜散電流干擾越來越嚴(yán)重。35號(hào)檢測(cè)點(diǎn)距離3號(hào)線只有33 m，41號(hào)檢測(cè)點(diǎn)距離1號(hào)線和3號(hào)線都很近，而42號(hào)檢測(cè)點(diǎn)距離4號(hào)線只有8 m，同時(shí)這三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離地鐵2號(hào)線均很遠(yuǎn)，但受到雜散電流干擾程度也最低，管地電位波動(dòng)幅度很小?？梢钥闯龅罔F2號(hào)線對(duì)埋地管道的干擾較為強(qiáng)烈。從蓮花到市民中心有供電站，可能是地鐵2號(hào)線對(duì)管道造成嚴(yán)重干擾的重要因素。

2.3不同材料管道受雜散電流的干擾

深圳水務(wù)集團(tuán)輸水管道材料分為鋼和鑄鐵兩種。為了對(duì)比不同材料管道抗雜散電流干擾能力，選取了三個(gè)區(qū)域不同材料的管道進(jìn)行對(duì)比,如表6所示。其中44號(hào)檢測(cè)點(diǎn)兩側(cè)分別為鑄鐵和鋼兩種材料，鋼管和鑄鐵管之間采用承插方式連接，中間有橡膠材料阻隔，即二者間存在電絕緣。鋼管和鑄鐵管的管徑都為300 mm，鋼管長(zhǎng)度在5 km左右，鑄鐵管長(zhǎng)度為380 m，鑄鐵的接地電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼管的，這是導(dǎo)致鋼管的管地電位波動(dòng)范圍大于石墨鑄鐵管道的重要原因。而梅林和蓮花的不同材料的管道都是獨(dú)立管道，沒有共用接頭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管材料為鋼的8號(hào)和28號(hào)檢測(cè)點(diǎn)距離地鐵相對(duì)較遠(yuǎn)，但受到地鐵干擾更加嚴(yán)重，管地電位波動(dòng)范圍明顯大于9號(hào)和29號(hào)檢測(cè)點(diǎn)的。這與石墨鑄鐵的電導(dǎo)率相對(duì)較低，抗雜散電流干擾能力較強(qiáng)有很大關(guān)系。

表6　不同材料管道受雜散電流干擾的測(cè)試結(jié)果Tab. 6　The testing results of different materials on the interference degree of pipelines

2.4局部測(cè)試點(diǎn)斷電電位存在瞬間強(qiáng)烈波動(dòng)現(xiàn)象

在24 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，7號(hào)和8號(hào)檢測(cè)點(diǎn)斷電電位存在尖峰而且出現(xiàn)在同一時(shí)刻，如圖3所示。類似的情況也有發(fā)生在其他檢測(cè)點(diǎn)。為進(jìn)一步確定瞬間強(qiáng)烈干擾的干擾特點(diǎn)，再次對(duì)該區(qū)域的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。補(bǔ)測(cè)24 h通斷電電位中并沒有出現(xiàn)尖峰，顯示正常。

(a)　7號(hào)

(b)　8號(hào)圖3　24 h監(jiān)測(cè)中斷電電位存在異常尖峰Fig. 3　The existance of abnormal peak in the off-potential in 24 h test

(a)　7號(hào)

(b)　8號(hào)圖4　異常點(diǎn)斷電電位補(bǔ)測(cè)結(jié)果Fig. 4　The supplement measurement results of off-potential of abnormal test points

地鐵運(yùn)行狀態(tài)很有可能是導(dǎo)致管道電位出現(xiàn)尖峰的原因。當(dāng)?shù)罔F啟動(dòng)時(shí)瞬間電流可達(dá)到5 000 A，如果幾條地鐵線路同時(shí)啟動(dòng)，瞬間電流疊加更大，這很有可能是導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果突然出現(xiàn)較大波動(dòng)的原因。當(dāng)然，對(duì)于尖峰的出現(xiàn)還沒有定論，仍有待于進(jìn)一步研究，但加強(qiáng)對(duì)管道電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)保障管道安全運(yùn)行是必要的。

3　結(jié)論

(1) 對(duì)于沒有陰極保護(hù)的埋地管道，在地鐵雜散電流干擾下可以選擇地鐵停止運(yùn)行一段時(shí)間后的管地電位作為近似的管道自腐蝕電位。

(2) 試片斷電法測(cè)量管道斷電電位時(shí)，試片材質(zhì)以及表面狀態(tài)的選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，試片的選擇和設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步的研究。

(3) 對(duì)于與地鐵并行和交叉的管道，與地鐵距離越小，受干擾程度越嚴(yán)重；同時(shí)在相同距離情況下，與地鐵交叉的管道受干擾程度要比平行位置的

管道嚴(yán)重；與地鐵并行和交叉且距離較近的管道是監(jiān)測(cè)和排流的重點(diǎn)選擇點(diǎn)。

(4) 鑄鐵管電導(dǎo)率低，與鋼管相比，其抗雜散電流干擾能力更強(qiáng)。

(5) 24 h監(jiān)測(cè)中電位突然出現(xiàn)尖峰可能是由于多條地鐵同時(shí)啟動(dòng)，瞬間干擾電流突然升高導(dǎo)致的，加強(qiáng)對(duì)管道電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于保證管道的安全運(yùn)行是必要的。

[1]吳祥祖,張慶賀,高衛(wèi)平. 地鐵雜散電流產(chǎn)生機(jī)理及其防護(hù)措施[J]. 建筑安全,2003(5):28-30.

[2]LINDEMUTH D,CRABTREE D. AC and DC stray current mitigation and corrosion control for a new urban pipeline[C]//Corrosion 2012. Atlanta,TX:NACE,2012.

[3]張豐,齊曉忠,金宏,等. 試片斷電法在管道陰極保護(hù)中的應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(7):760-763.

[4]楊敬杰. 地鐵直流干擾影響下管道陰保電位的測(cè)試和評(píng)價(jià)[J]. 腐蝕與防護(hù),2014,35(3):288-291.

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[8]SY/T 0017-2006埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[S].

[9]SY/T 0029-2012埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

A Detecting Technique of Metro Stray Current Interference on Buried Pipelines

MENG Qing-si, DU Yan-xia, DONG Liang, DAI Shu, XU Hong-fu

(Corrosion and Protection Center, Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

With the rapid development of Shenzhen metro, the leaked stray current into ground leads to corrosion of buried pipelines accelerated. A comprehensive inspection of water pipelines in different areas of Shenzhen under the interference of stray current was conducted, and the corrosion potential was determimed. The effects of materials and surface conditions of samples on the detection results were discussed. And a certain of stray current interference rules on pipelines were obtained. The results show that there is some relationship between the relative position and the degree of metro stray current interference on pipelines. With the decrease of the distance between pipelines and metro, the stray current interference becomes more serious; and in the same distance, the interference degree of the pipelines crossed with metro is higher than that of parallel with metro. At the same time, the ability of anti-interference of different materials is in difference.

metro stray current; water pipeline; corrosion protential; interference rule

10.11973/fsyfh-201605001

2015-03-18

國家自然科學(xué)基金(51401017); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(FRF-TP-14-096A2); 深圳水務(wù)集團(tuán)輸水管道雜散電流干擾測(cè)試及評(píng)估項(xiàng)目資助

杜艷霞(1980-),副教授，博士，從事陰極保護(hù)的工作,15801429530,duyanxia@ustb.edu.cn

TG172.84

A

1005-748X(2016)05-0355-05