軌交雜散電流對天然氣主干網(wǎng)的腐蝕影響及防護(hù)探究

上海天然氣管網(wǎng)有限公司　高玉珍

軌交雜散電流對天然氣主干網(wǎng)的腐蝕影響及防護(hù)探究

上海天然氣管網(wǎng)有限公司高玉珍

針對軌道交通雜散電流的動(dòng)態(tài)性，采用雜散電流自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，對上海天然氣主干網(wǎng)高壓管道進(jìn)行管地電位及土壤電位梯度等測試，分析軌道交通雜散電流對主干網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕干擾的形態(tài)和傳播機(jī)理，并嘗試采用不同的排流方式開展試點(diǎn)，初步提出具有可操作性的防護(hù)措施，以消除或減少雜散電流對主干網(wǎng)的腐蝕干擾影響，從而提高天然氣主干網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠。

天然氣管網(wǎng)雜散電流防護(hù)措施

在我國城市化水平不斷提高的過程中，大力發(fā)展公共交通，尤其是城市軌道交通(簡稱軌交)是解決城市交通問題的重要手段之一。軌交的發(fā)展在大幅提升城市運(yùn)能和效率的同時(shí)，對沿線其他基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行環(huán)境、生產(chǎn)安全等產(chǎn)生了潛在的影響。

軌交系統(tǒng)一般采用直流牽引、走行軌回流的供電模式，考慮到軌交運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生雜散電流，軌交建設(shè)時(shí)采取了多種措施來預(yù)防或消除雜散電流，常見方法有增設(shè)排流網(wǎng)、減小鋼軌電阻和增強(qiáng)軌道絕緣性能等措施，但由于隨著軌交運(yùn)行時(shí)間的延長，軌道設(shè)施老化和盾構(gòu)內(nèi)部積水等原因，導(dǎo)致軌地過渡電阻減小，所產(chǎn)生的雜散電流對周邊的埋地金屬管道(如埋地燃?xì)怃摴艿?造成腐蝕隱患。

本文針對軌交雜散電流的動(dòng)態(tài)性，采用雜散電流自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對上海天然氣主干網(wǎng)(以下簡稱主干網(wǎng))高壓管道進(jìn)行管地電位及土壤電位梯度等測試，分析上海軌交雜散電流對主干網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕干擾的形態(tài)和傳播機(jī)理，并嘗試采用不同的排流方式開展試點(diǎn)，初步提出具有可操作性的防護(hù)措施，以消除或減少雜散電流對主干網(wǎng)的腐蝕干擾影響，從而提高天然氣主干網(wǎng)運(yùn)行的安全性，確保能源供應(yīng)的安全可靠。

1　上海軌交與天然氣主干網(wǎng)位置關(guān)系

隨著上海城市建設(shè)快速發(fā)展，上海軌交近年來迅速發(fā)展，其建設(shè)逐漸從城市中心向郊區(qū)延伸。至“十二五”末，上海軌交擁有14條地鐵線路，運(yùn)營里程達(dá)600余公里，車站360余座，檢修基地20余座，13條線路在外環(huán)線(S20)外均有運(yùn)行車站及正線軌道。同時(shí)，為配合上海能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。天然氣主干網(wǎng)經(jīng)過10余年的發(fā)展，已形成“南北貫通、東西互補(bǔ)、兩環(huán)相連”的管網(wǎng)格局，長度約740 km，設(shè)計(jì)壓力為1.6~6.0 MPa的高壓埋地鋼管，主要沿著上海郊環(huán)線和外環(huán)線成環(huán)敷設(shè)，2015年供氣規(guī)模超過72億m3，承擔(dān)著向全上海供應(yīng)天然氣任務(wù)，是一條重要的能源生命線。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前上海天然氣主干網(wǎng)與上海軌交共有16處存在相互交叉或伴行的關(guān)系，見表1、圖1。

表1　天然氣主干網(wǎng)與軌交位置關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

圖1　上海軌交與天然氣主干網(wǎng)位置關(guān)系示意

2　軌交雜散電流產(chǎn)生機(jī)理及危害

2.1軌交雜散電流產(chǎn)生機(jī)理

目前，軌交的牽引供電方式一般采用750 V或1500 V架空單軌直流供電方式。牽引電流從牽引變電站的正極出發(fā)，經(jīng)由接觸網(wǎng)，電車以及走行軌回流至牽引變電站的負(fù)極。由于承擔(dān)回流任務(wù)的走行軌本身具有電阻且對地做不到完全絕緣，造成一部分牽引電流不經(jīng)由走行軌流回到牽引變電所站的負(fù)極，從軌交盾構(gòu)結(jié)構(gòu)泄漏流到大地，這部分泄漏電流就稱為雜散電流。雜散電流漏泄到土壤中后流入埋設(shè)金屬管線等地下設(shè)施，并沿著管線流動(dòng)至負(fù)回饋點(diǎn)附近后通過土壤重新歸入牽引變電站的負(fù)極，從而使軌交附近埋地金屬管線等地下設(shè)施在電流流出處產(chǎn)生腐蝕。軌交對埋地管道雜散電流干擾原理如圖2：

圖2　軌交對埋地管道雜散電流干擾原理

2.2軌交雜散電流的危害

雜散電流腐蝕危害要強(qiáng)于土壤腐蝕或電偶腐蝕。依據(jù)法拉第定律，1 A的直流電流1年可使鋼鐵腐蝕大約9.1 kg。雜散電流干擾腐蝕是長期的積累效應(yīng)，通常發(fā)生在管道防腐層破損處，因而容易引起坑蝕，導(dǎo)致穿孔。雖然軌交系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮雜散電流消減措施，以降低雜散電流泄漏水平，但國內(nèi)軌交系統(tǒng)的雜散電流泄漏量通常無法控制在5%以內(nèi)，造成軌交雜散電流引起的腐蝕情況普遍存在?？偟膩碚f，雜散電流對外界腐蝕危害主要體現(xiàn)在以下二個(gè)方面：

(1)雜散電流對埋地管道的電化學(xué)腐蝕。軌交系統(tǒng)附近的埋地金屬管道會(huì)受到雜散電流的不同程度的腐蝕。不斷受到雜散電流腐蝕干擾影響的主干網(wǎng)，會(huì)引起局部點(diǎn)管壁逐漸變薄，如不及時(shí)采取有效措施，可能會(huì)發(fā)生管道穿孔、引起天然氣泄漏燃爆事故，危及城市安全。

(2)雜散電流對鋼筋混凝土金屬結(jié)構(gòu)物的電腐蝕。雜散電流通過混凝土?xí)r對混凝土本身并不產(chǎn)生影響。但因?yàn)榛炷林写嬖阡摻?，在電流離開鋼筋返回混凝土的部位，鋼筋呈陽性并發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)生物排擠混凝土而使之開裂，破壞了混凝土的整體強(qiáng)度，縮短建構(gòu)筑物使用壽命。

3　軌交雜散電流對主干網(wǎng)的腐蝕干擾

3.1主干網(wǎng)受腐蝕干擾的發(fā)現(xiàn)

上海天然氣主干網(wǎng)防腐措施主要采用外加電流陰極保護(hù)，以及用聚乙烯三層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)級外防腐層(簡稱3PE)，同時(shí)為確保安全運(yùn)行，主干網(wǎng)定期進(jìn)行外防腐層檢測。2011年7月，在進(jìn)行防腐層修復(fù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)管道遭到嚴(yán)重雜散電流腐蝕現(xiàn)象，最大缺陷深度5.1 mm，金屬損失為壁厚的53.7%(管線設(shè)計(jì)壁厚9.5 mm)，見圖3。

圖3　雜散電流腐蝕造成管道50%壁厚損失

管地電位遙測系統(tǒng)的使用為尋找腐蝕干擾源起到了關(guān)鍵作用。對比軌交檢修基地和郊環(huán)線附近管道的24 h管地電位曲線圖，見圖4。從圖中可清楚看到，在軌交檢修基地旁邊，白天軌道交通運(yùn)行期間，附近管道管地電位波動(dòng)劇烈，而晚上軌道交通停運(yùn)期間，管地電位又呈一水平直線，恢復(fù)正常；而在郊區(qū)郊環(huán)線附近無地鐵的管道管地電位全天都處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4　軌交干擾區(qū)和非干擾區(qū)管道24小時(shí)管地電位曲線

3.2主干網(wǎng)受腐蝕干擾影響的檢測和分析

在軌交公司協(xié)助下，本文通過實(shí)測軌交檢修基地內(nèi)不同位置土壤電位梯度、鐵軌對地電位，并測試檢修基地外管道管地電位的同步性等數(shù)據(jù)，嘗試分析軌交檢修基地內(nèi)是否存在雜散電流及軌交雜散電流對主干網(wǎng)的干擾影響。

3.2.1雜散電流檢測依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T 0017—2006)，判斷管道受直流雜散電流干擾主要通過管地電位偏移量和土壤電位梯度這兩種指標(biāo)，如下：

(1)處于直流電氣鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道, 當(dāng)管道上任意點(diǎn)的管地電位較自然電位正向偏移20 mV時(shí)，或管道附近土壤的電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，就確認(rèn)有直流干擾。

(2)當(dāng)管道上任意點(diǎn)管地電位較處自然電位正向偏移100 mV時(shí)，或管道附近土壤的電位梯度大于2.5 mV/m時(shí)，應(yīng)及時(shí)對管道采取直流排流保護(hù)措施。

一般情況下，當(dāng)確認(rèn)存在直流雜散電流對埋地金屬燃?xì)夤艿栏蓴_時(shí)，應(yīng)進(jìn)行長期監(jiān)控，并根據(jù)具體情況采取補(bǔ)救措施。

3.2.2雜散電流檢測方法及數(shù)據(jù)分析

3.2.2.1土壤電位梯度測量

本文采用十字交叉法測試土壤電位梯度，實(shí)際測量時(shí)，規(guī)定電位梯度以東向西為正、北向南為正，測量距離為10m，測量間隔1 s，測試時(shí)間1 800 s。測量原理見圖5。

圖5　十字交叉法原理示意

電位梯度測試在圖6中的位置①、②進(jìn)行了反復(fù)多次不同時(shí)長的測試，位置①位于檢修基地西側(cè)圍墻，近地鐵檢修線，為基地距離管線最近位置；位置②位于檢修基地變電所西側(cè)草坪，位置關(guān)系見圖6。

圖6　某軌交檢修基地平面圖及測試點(diǎn)①、②位置

位置①檢測結(jié)果見圖7。

圖7　某軌交檢修基地位置①土壤電位梯度曲線

從檢測結(jié)果看，位置①土壤電位梯度波動(dòng)幅度大、絕對數(shù)值大，記錄數(shù)據(jù)中最大達(dá)到11 mV/m，現(xiàn)場設(shè)備顯示數(shù)據(jù)甚至超過20 mV/m，說明位置①處地下存在較大雜散電流，且雜散電流方向指向基地變電所。

位置②雖然靠近基地變電所，但現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)一般波動(dòng)幅度在1~3 mV/m，最大在3 mV/m左右。

3.2.2.2土壤電位梯度與電位同步測試

為掌握軌交雜散電流干擾來源、干擾變化規(guī)律以及電位與軌道電位相關(guān)性，本文對軌道基地內(nèi)土壤電位梯度與埋地天然氣管線管地電位同步測試，結(jié)果如圖8。

圖8　軌交檢修基地內(nèi)電位梯度與基地外管道管地電位同步測試曲線

由檢測結(jié)果可知，軌道基地內(nèi)土壤電位梯度與埋地管道管地電位變化呈現(xiàn)高度一致，當(dāng)土壤電位梯度指向管道時(shí)，管地電位變負(fù)；當(dāng)土壤電位梯度方向背離管道時(shí)，管地電位變正，土壤電位梯度測量點(diǎn)與埋地管線距離約150 m。

通過對軌交檢修基地的測試，可確定軌交在運(yùn)行期間，正線產(chǎn)生強(qiáng)雜散電流，雜散電流從正線和管道交叉處流入管道，通過大地回流至檢修基地變電站負(fù)極，進(jìn)而可以判定天然氣主干網(wǎng)受到了軌交雜散電流嚴(yán)重腐蝕干擾影響。

4　軌交雜散電流防護(hù)措施的探究

基于軌交雜散電流對天然氣主干網(wǎng)的干擾現(xiàn)狀，本文致力于研究干擾消減的措施，本文所采用的防護(hù)措施主要從兩方面進(jìn)行考慮，根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50991—2014)等標(biāo)準(zhǔn)，受干擾方直流雜散電流排流方式主要有接地排流、直接排流、極性排流和強(qiáng)制排流四種，如圖9所示，目前國內(nèi)主流排流方式是采用接地排流。

圖9　直流雜散電流排流方式原理

4.1接地排流法現(xiàn)場應(yīng)用分析

接地排流法就是日常所說的犧牲陽極排流，在電流排放區(qū)安裝鎂或者鋅犧牲陽極，為管道創(chuàng)造一個(gè)順暢的電流流出途徑，讓管道內(nèi)的雜散電流通過犧牲陽極流入大地，而不是通過管道外壁流入大地，防止管道外壁金屬腐蝕。但由于軌交雜散電流干擾是一個(gè)動(dòng)態(tài)干擾的過程，使得管道上管地電位波動(dòng)劇烈，不單單有正向電位存在，同時(shí)也存在相當(dāng)大部分的負(fù)向電位，因此為了使接地陽極不額外成為雜散電流引入點(diǎn)，還需要再管道和接地陽極之間安裝極性排流器(二極管)，確保電流單向流通，只能從管道通過犧牲陽極流入土壤，防止雜散電流通過犧牲陽極進(jìn)入管道。

本文對主干網(wǎng)3個(gè)受干擾管段采取犧牲陽極排流，主要在干擾大且正電位出現(xiàn)頻率高的管段采用鎂陽極或鋅陽極和極性排流器相結(jié)合的排流方式。圖10所示為某管道2個(gè)干擾點(diǎn)采用犧牲陽極排流前后管地電位波動(dòng)變化圖，從圖中可以清晰看出，排流前后，管地電位正向偏移部分有一定程度的減少，犧牲陽極排流法能取得一定的排流效果，但是仍然存在較多的正電位，排流效果有限。此外，軌交雜散電流排流中鎂陽極消耗快，某管段設(shè)計(jì)壽命15年的鎂陽極3年竟然完全消耗，排流能力大大降低；且犧牲陽極費(fèi)用高，需要定期更換，經(jīng)濟(jì)性差且仍無法完全消除雜散電流干擾的影響，因此亟需尋求更加有效的管道排流方式。

圖10　某管段采用犧牲陽極排流前后2個(gè)干擾點(diǎn)管地電位隨時(shí)間變化

4.2極性排流法試驗(yàn)研究分析

極性排流法原理見圖11。

圖11　極性排流法原理

考慮到常規(guī)的犧牲陽極排流法有限的排流能力，無法完全消減軌交對主干網(wǎng)的干擾影響，本文尋求極性排流法這一排流方式，提高主干網(wǎng)對于軌交雜散電流排流防護(hù)能力。極性排流法原理是將被干擾管道與干擾源地鐵變電站負(fù)極母排用一根電纜相連接，中間串聯(lián)一個(gè)單向?qū)ǘO管和限流電阻，目的是只允許雜散電流從管道流向軌道，而不允許從軌道逆流向管道，同時(shí)可以用限流電阻根據(jù)管地電位控制排流量的大小。排流點(diǎn)的選擇，在管道側(cè)考慮管地電位正，且持續(xù)時(shí)間長，軌-管電位差最大的點(diǎn)；軌道側(cè)考慮直流負(fù)極，軌地電位為負(fù)，數(shù)值大、時(shí)續(xù)時(shí)間長，且軌-管電位差較大的點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)該綜合考慮管道和軌道之間的距離較小。

通過排摸上海天然氣主干網(wǎng)受軌交雜散電流干擾情況，本文選取主干網(wǎng)與軌交平行的情況進(jìn)行排流試驗(yàn)。見圖12。

圖12　平行段試驗(yàn)示意

此次極性排流試驗(yàn)選取4 km與軌交連續(xù)平行的管段，管道與軌道的水平間距在10 m，變電站位于軌道1.8 km位置，本次試驗(yàn)將離變電站最近的管道與變電站負(fù)極母牌相連接，中間串聯(lián)二極管和限流電阻(電阻可調(diào)節(jié)1 Ω和2 Ω)，在管道上方設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測不同限流電阻情況下管道通電電位及極化電位的變化情況。

測試點(diǎn)通電電位和試片極化電位隨時(shí)間變化情況見圖13，隨著排流試驗(yàn)開啟，管道通電電位波動(dòng)變大，甚至達(dá)到-5 V；從管道極化電位圖上看，未排流前，管道極化電位正于-0.85 V，未滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，極性排流開始，試片極化電位負(fù)于-0.85 V，較未排流時(shí)負(fù)向偏移100~200 mV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且限流電阻越小，極化電位越負(fù)，效果越好。

圖13　測試點(diǎn)通電電位和試片極化電位隨時(shí)間變化

從測試結(jié)果看出，隨著極性排流試驗(yàn)的開始，管道的極化電位明顯負(fù)偏，管道吸收來自軌交的雜散電流并通過臨時(shí)敷設(shè)的電纜通路最終回到軌交變電站負(fù)極母排，從地鐵側(cè)看，本次試驗(yàn)最終通過電纜流入負(fù)極母排的電流值在0~18 A變化，排流時(shí)間段內(nèi)(21：30~23：00)，極性排流法并沒有造成軌道對地電位的明顯改變，因此，0~18 A的排流電流并不會(huì)對地鐵的鐵軌造成腐蝕影響。

5　結(jié)語

通過分析研究軌交雜散電流對主干網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕干擾的形態(tài)和傳播機(jī)理，并開展排流措施的防護(hù)探究，本文得到如下結(jié)論：

(1)軌交雜散電流對埋地管道的干擾傳播機(jī)制一般是由于軌交正線上有機(jī)車運(yùn)行時(shí)，雜散電流從正線和管道交叉處流入管道，通過大地回流至正線變電站負(fù)極，導(dǎo)致變電站附近管道面臨嚴(yán)重雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)變電站附近管道狀態(tài)的監(jiān)測。

(2)軌交運(yùn)行期間，靠近軌交檢修基地的主干網(wǎng)管道周圍存在較大土壤電位梯度，波動(dòng)范圍3~5 mV/m，最大可達(dá)15 mV/m，雜散電流總體方向?yàn)檐壗徽€流向基地，軌交運(yùn)行對犧牲陽極保護(hù)電流產(chǎn)生較大影響，增大了陽極電流，增快陽極消耗。

(3)進(jìn)行軌交雜散電流干擾排流時(shí)，犧牲陽極排流因驅(qū)動(dòng)電壓相對較小，排流能力受限，排流效果有限，無法完全消減軌交雜散電流干擾。

(4)采用極性排流試驗(yàn)時(shí)，管道側(cè)通電電位和極化電位均有明顯負(fù)移，排流后管道極化電位負(fù)于-0.85 V的保護(hù)狀態(tài)，排流效果基本達(dá)到天然氣管道保護(hù)的要求，是較為理想的排流方式。

(5)采用極性排流試驗(yàn)時(shí)，0~18 A的排流電流對地鐵鐵軌的軌地電位無明顯影響，因此，可認(rèn)為極性排流法產(chǎn)生的0~18 A電流對軌交鐵軌基本沒有腐蝕影響。

本文所試點(diǎn)的排流措施是在軌交公司配合下實(shí)施，建議仍需進(jìn)一步深化研究，并形成軌交檢修基站與正線附近的天然氣主干網(wǎng)對雜散電流的防護(hù)技術(shù)以及新建軌道交通工程對天然氣主干網(wǎng)雜散電流腐蝕干擾評定和防控的技術(shù)規(guī)程或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)軌交公司應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行上做好各類絕緣防護(hù)措施，確保走行軌對地絕緣性能，降低雜散電流泄漏量，降低對周邊埋地構(gòu)筑物和管道的影響。

Research of the Influence of Metro Stray Current Corrosion on Natural Gas Main Pipeline Network and Related Protection Measures

Shanghai Natural Gas Pipeline Network Co., Ltd.Gao Yuzhen

According to the dynamic nature of metro stray current, a series of experimental investigation on pipe-to-soil potential and potential gradient in soil is carried out. This paper analyzes morphology and propagation mechanism of stray current corrosion interference on natural gas main pipeline. Then, it puts forward feasible protection measures by using different ways of discharge pilot, in order to eliminate or reduce the influence of stray current corrosion and ensure the safety of main pipeline network.

natural gas main pipeline network, stray current, protection measures