地鐵雜散電流對(duì)埋地金屬管道陰極保護(hù)的影響

柯甜甜 方江敏 錢瑤虹 彭澤標(biāo)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,510640,廣州∥第一作者,碩士研究生)

地鐵雜散電流對(duì)埋地金屬管道陰極保護(hù)的影響

柯甜甜 方江敏 錢瑤虹 彭澤標(biāo)

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,510640,廣州∥第一作者,碩士研究生)

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立了走行軌-大地-金屬管道的有限元模型。通過(guò)改變走行軌回流、走行軌縱向電阻、土壤電阻率、走行軌與金屬管道間距大小,模擬雜散電流的影響,模擬結(jié)果表明:走行軌回流越小、土壤電阻率越大、走行軌與管道間距越小對(duì)陰極保護(hù)電位的影響越小;當(dāng)走行軌電壓載荷為80 V、走行軌與金屬管道間距為20 m時(shí),雜散電流無(wú)法使金屬管道陰極保護(hù)電位偏離正常范圍。

地鐵; 金屬管道; 雜散電流; 走行軌; 有限元分析; 陰極保護(hù)電位

1 地鐵雜散電流的形成及危害

我國(guó)大多城市軌道交通采用電力牽引方式,其供電系統(tǒng)也大多采用直流供電,比如北京地鐵采用的是750 V直流供電電壓,上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵等均采用的是1 500 V直流供電電壓。直流牽引供電系統(tǒng)在理想的狀況下,牽引電流由牽引變電站的正極出發(fā),經(jīng)由接觸網(wǎng)、電動(dòng)列車和走行軌返回牽引變電站的負(fù)極。但鋼軌與隧道或道床等結(jié)構(gòu)鋼之間的絕緣電阻不是很大,這樣勢(shì)必造成牽引電流不能全部經(jīng)由鋼軌流回牽引變電站的負(fù)極,有一部分的牽引電流會(huì)泄漏到隧道或道床等結(jié)構(gòu)鋼上,然后經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)鋼和大地流回牽引變電站的負(fù)極,這部分泄漏的電流就是地鐵雜散電流[1]。地鐵雜散電流對(duì)鋼質(zhì)管道的影響見(jiàn)圖1,其中I1和I2為變電站發(fā)出的牽引電流,I3和I4為通過(guò)走行軌回流到各自的牽引變電站的電流,I5和I6即為通過(guò)走行軌泄漏到土壤中的雜散電流。

圖1地鐵供電系統(tǒng)及雜散電流危害示意圖

雜散電流會(huì)造成地下金屬結(jié)構(gòu)的電腐蝕。如果這種電腐蝕長(zhǎng)期存在,將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞地鐵附近的各種結(jié)構(gòu)鋼筋和地下金屬管線,破壞結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度,影響其使用壽命[2]。當(dāng)軌道沿線地下有金屬管道或建筑物鋼筋等導(dǎo)電物時(shí),地中雜散電流必沿金屬導(dǎo)體流動(dòng),到了變電站附近再流向鋼軌回變電站,因此在變電站附近的金屬管道形成了陽(yáng)極區(qū)(對(duì)大地為正)。對(duì)“正”接觸導(dǎo)線情況,陽(yáng)極區(qū)總是在回流點(diǎn)處不動(dòng),這就使陽(yáng)極區(qū)內(nèi)的金屬物正離子流向大地,發(fā)生電解腐蝕現(xiàn)象[3-4]。

2 地鐵雜散電流有限元模擬

通過(guò)對(duì)地鐵雜散電流形成及流動(dòng)的研究,利用有限元法研究地鐵雜散電流對(duì)埋地金屬管道陰極保護(hù)電位的影響[5]。為了反映地鐵走行軌雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿烙绊懙恼鎸?shí)情況,在有限元仿真分析中定義了5種材料:走行軌、走行軌絕緣層、土壤、管道、外覆蓋層。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際情況,結(jié)合ANSYS電場(chǎng)模塊需要定義的材料屬性,選取并定義5種材料屬性。本文選用SOLID231分析單元[7-8]。有限元模型材料屬性見(jiàn)表1。

表1 有限元模型材料屬性表

基于地鐵走行軌和埋地管道的的實(shí)際情況[9],選取牽引變電站間距為1 500 m的模型,埋地管道沿走行軌水平敷設(shè),水平間距為5 m。城市埋地管道陰極保護(hù)方式大部分為犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)[10]。為了簡(jiǎn)化模型,假設(shè)走行軌為實(shí)心圓柱體,模擬大地土壤環(huán)境的區(qū)域?yàn)? 500 m×40 m×20 m的立方體區(qū)域。其具體參數(shù)見(jiàn)表2。建模過(guò)程:將模型全局坐標(biāo)系的X軸設(shè)為管道徑向方向,Z軸為管道軸向方向,坐標(biāo)系的原點(diǎn)為管道末端中心點(diǎn)[11]。建立的走行軌與管道的有限元模型如圖2所示。

本文仿真分析中,只考慮第一類邊界條件。在管道左右兩端面分別施加-1.2 V電壓,走行軌左右兩端面分別施加-40 V、40 V的電壓,考慮到實(shí)際管地電流回路情況及自由度約束,大地立方體下表面模擬大地?zé)o限遠(yuǎn)處,施加電壓為0 V的約束[12-13]。

3 模擬結(jié)果分析

圖3為無(wú)地鐵雜散電流影響管道陰極保護(hù)電位分布云圖,圖4為地鐵雜散電流影響管道陰極保護(hù)電位分布云圖,圖5為地鐵雜散電流影響前后管道陰極保護(hù)電位分布對(duì)比圖。從圖3和圖4的對(duì)比可知:地鐵周邊土壤電位受走行軌的影響非常大,遠(yuǎn)離走行軌土壤電位受走行軌影響較小,整個(gè)模型中土壤電位梯度較大,土壤中存在雜散電流。由圖5可知:管道陰極保護(hù)電位在無(wú)走行軌影響時(shí)電位分布在-1 200 mV～-920 mV之間,處于良好的陰極保護(hù)狀態(tài);有走行軌影響時(shí),在走行軌電位處于正電位區(qū)間時(shí),管地電位可達(dá)+918 mV,相對(duì)于原陰極保護(hù)電位偏移了+1 933 mV,走行軌電位處于負(fù)電位區(qū)間時(shí),管地電位可達(dá)-2 765 mV,相對(duì)于原陰極保護(hù)電位偏移了-1 750 mV。

表2 有限元模型參數(shù)表

圖2 有限元分析模型局部放大圖

因此在地鐵周邊敷設(shè)管道時(shí),需要考慮地鐵雜散電流對(duì)管道陰極保護(hù)電位的影響[14],設(shè)置合理的走行軌與管道間距。通過(guò)改變牽引電流的大小、走行軌電位分布、地鐵周邊土壤電阻率的大小等因素,繼續(xù)運(yùn)用有限元法模擬不同條件下金屬管道陰極保護(hù)電位的分布,避免地鐵雜散電流對(duì)管道的陰極保護(hù)產(chǎn)生干擾[15]。

圖3 管道陰極保護(hù)電位分布結(jié)果云圖

圖4 走行軌影響管道陰極保護(hù)電位分布結(jié)果云圖

圖5 走行軌影響管道陰極保護(hù)電位分布對(duì)比

4 不同因素下雜散電流對(duì)陰極保護(hù)電位的影響

4.1 走行軌回流大小對(duì)管道陰極保護(hù)電位分布的影響

在模型及材料屬性不變的基礎(chǔ)上,改變列車牽引電流大小研究牽引電流大小對(duì)管道陰極保護(hù)電位分布的影響[16],具體情況見(jiàn)表3。提取管壁上的節(jié)點(diǎn)電位值繪制沿管道長(zhǎng)度陰極保護(hù)電位分布圖,如圖6所示。

表3 不同工況下走行軌載荷表

從圖6可知:牽引電流越大,對(duì)管道陰極保護(hù)電位的影響也越大;在走行軌為正電位區(qū)間處,管道陰極保護(hù)電位偏正,在走行軌為負(fù)電位區(qū)間處,管道陰極保護(hù)電位偏負(fù)。由此可見(jiàn)走行軌電位為正電位區(qū)間處為雜散電流流出段,走行軌電位為負(fù)電位區(qū)間處為雜散電流流入段。

圖6 走行軌回流大小對(duì)陰極保護(hù)電位分布影響圖

4.2 土壤電阻率對(duì)管道陰極保護(hù)電位分布的影響

在模型及其他材料屬性不變的基礎(chǔ)上,在走行軌左右兩端面分別施加-10 V、10 V的電壓,以及500 A的電流。改變土壤電阻率的大小研究土壤電阻率對(duì)雜散電流分布的影響。提取管壁上的節(jié)點(diǎn)電位值繪制沿管道長(zhǎng)度陰極保護(hù)電位分布圖如圖7所示。

圖7 土壤電阻率對(duì)雜散電流分布的影響

由圖7可知:在走行軌回流為500 A的載荷下,土壤電阻率越大,雜散電流在土壤中傳導(dǎo)能力減弱,對(duì)管道陰極保護(hù)電位的影響也減弱;當(dāng)土壤電阻率為150 Ω·m時(shí),管道處于良好的陰極保護(hù)狀態(tài);雜散電流流出的地方區(qū)域增大,流入的區(qū)域減小,因此在土壤電阻率大的區(qū)域,需要加強(qiáng)牽引變電站區(qū)域的雜散電流防護(hù)。

4.3 走行軌與管道間距對(duì)陰極保護(hù)電位分布的影響

在模型及其他材料屬性不變的基礎(chǔ)上,改變走行軌與管道之間的間距,在走行軌兩端面分別施加-80 V、80 V的電壓,以及2 000 A的電流,研究走行軌與管道之間的間距對(duì)管道陰極保護(hù)電位分布的影響。提取管壁上的節(jié)點(diǎn)電位值繪制沿管道長(zhǎng)度陰極保護(hù)電位分布圖,如圖8所示。

圖8 走行軌與管道間距對(duì)陰極保護(hù)電位分布的影響

由圖8可知:當(dāng)走行軌與管道之間間距增大時(shí),走行軌雜散電流對(duì)管道陰極保護(hù)電位分布的影響減弱,在走行軌電壓為80 V、走行軌與管道間距為20 m時(shí),走行軌雜散電流對(duì)管道的陰極保護(hù)電位分布影響非常小,管道的陰極保護(hù)電位都在正常范圍值內(nèi)。對(duì)于在地鐵周邊新建埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?應(yīng)選取合理的走行軌與管道間距。

5 結(jié)論

利用ANSYS有限元法模擬走行軌雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)電位分布的影響,結(jié)果表明:

(1) 當(dāng)走行軌與管道間距為5 m、走行軌電壓為40 V、電流為2 000 A時(shí),在走行軌電位處于正電位區(qū)間,管道陰極保護(hù)電位可達(dá)+935 mV,管道處于嚴(yán)重的腐蝕狀態(tài)。在走行軌電位處于負(fù)電位區(qū)間,管道陰極保護(hù)電位可達(dá)-2 760 mV,電位過(guò)于偏負(fù),會(huì)對(duì)外防腐層產(chǎn)生剝離效應(yīng)。

(2) 列車牽引電流越小、土壤電阻率越大、走行軌與管道間距越小,對(duì)管道陰極保護(hù)電位分布的影響越小;當(dāng)走行軌電壓為80 V、走行軌與管道間距為20 m時(shí),走行軌雜散電流已經(jīng)不能使管道陰極保護(hù)電位偏離正常范圍。因此,對(duì)于在地鐵周邊新建鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥离娮杪实拇笮∵x取合理的地鐵與管道間距,以保證管道陰極保護(hù)電位不受地鐵雜散電流的影響。

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Effect of Metro Stray Current on Cathode Protection for Buried Metal Pipelines

KE Tiantian, FANG Jiangmin, QIAN Yaohong, PENG Zebiao

Software ANSYS is used to establish a finite element model of the running track-earth-steel pipeline. By changing the running rails reflux, running track longitudinal resistance,bsoil resistivity and the spacing sizes between running track and metal pipe tracks, the factors of stray current are simulated. It shows that the lower the running track current, the higher the soil resistivity, the smaller the space between running track and steel pipeline, the smaller the impact on cathode protection potential. When 80V voltage load is imposed to the running track, the distance between running track and steel pipeline is about 20 m, the stray current will not influence the cathode protection potential obviously.

metro; steel pipeline; stray current; running track; finite element analysis; cathode protection potential

School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,510640,Guangzhou,China

U 223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.03.020

2016-07-13)