淺談關于地鐵對埋地鋼質管道直流干擾影響的防護

(惠州市大亞灣華德石化有限公司，惠州 516081)

近年來，我國城市規(guī)模不斷擴大，地鐵總里程相應增長。然而，在我國發(fā)達地區(qū)(華東區(qū)域、華南區(qū)域等)由于受到土地限制，埋地鋼質管道不可避免會與地鐵鄰近或交叉。雜散電流會導致埋地鋼質管道發(fā)生嚴重的腐蝕，一般集中于電阻小的局部位置，如防腐蝕層破損處，強度大，可使金屬溶解量大大增加，在短時間內引發(fā)管道腐蝕穿孔。雜散電流的存在給城市埋地輸氣、輸油、輸水等金屬管線的安全運行帶來了巨大隱患。

國內于1988年開始提出埋地鋼質管道與雜散電流排流與陰極保護技術[1]；于2000年前后開始研究直流雜散電流特別是地鐵造成的直流雜散電流對埋地鋼質管道造成干擾的機理、腐蝕問題和防護方法[2-5]；于2010年前后出現(xiàn)了地鐵直流雜散電流對埋地鋼質管道特別是城鎮(zhèn)燃氣管道造成干擾的腐蝕防護案例[6-8]，但對地鐵開通前后埋地鋼質管道受干擾情況的對比分析較少。本工作對地鐵開通前后，附近埋地鋼質管道陰極保護電位的波動和干擾規(guī)律進行了現(xiàn)場檢測，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取了防護措施，以期為受直流雜散電流干擾的埋地鋼質管道的測試、評價和緩解防護提供新思路。

1 問題提出

某城市地鐵于2017年底投入運營，經(jīng)過測算，地鐵軌道距離所研究的管道最近處不到800 m，并行長度約11 km。在地鐵投入運營后，立即開展了受干擾段埋地鋼質管道陰極保護電位的檢測和長期監(jiān)測，并與地鐵投運前的數(shù)據(jù)進行對比，見表1，本文中所使用的參比電極均為Cu/飽和CuSO4參比電極(CSE)。

由圖1可見：地鐵運營后，管道通電電位波動幅度變大，波幅最大值達到6.37 V，而地鐵運營前的管道通電電位波幅最大值僅為1.84 V，這說明2017年底前該段管道受較小的直流干擾，而新建地鐵運營后該段埋地管道受到的直流干擾大大增加。

表1 地鐵投運前后的管道通電電位Tab. 1 On-potential of the pipeline before and after the operation of subway V

圖1 地鐵運營前后的管道通電電位波動幅度Fig. 1 Fluctuation range of on-potential of pipeline before and after subway operation

為了進一步研究地鐵對埋地鋼質管道通電電位和斷電電位的影響，采用6.5 cm2圓柱形試片和數(shù)據(jù)記錄儀(uDL2)對距離地鐵最近的兩處測試樁7#和8#的電位進行監(jiān)測，結果見圖2。

由圖2可見：7#和8#測試樁處的通電/斷電電位在夜間0∶00～5∶30時是平穩(wěn)的，而在其他時間段內波動劇烈，符合受地鐵直流雜散電流干擾的管道電位變化特征。同時查閱該地鐵運營時間，地鐵停止運行的時間段與測試樁處電位恢復平穩(wěn)的時間段基本吻合。

2 國內外技術標準及評價

GB/T 21447—2018《鋼質管道外腐蝕控制規(guī)范》中指出，在一般土壤和水環(huán)境中，無IR降陰極保護電位EIRFree，應處于-0.85～-1.20 V，直流干擾防護措施及防護效果應滿足GB 50991—2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》的有關規(guī)定：已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施。

(a) 測試樁7#

(b) 測試樁8#圖2 測試樁7#和8#處的電位監(jiān)測結果Fig. 2 Potential monitoring results at piles 7# and 8#

采用數(shù)據(jù)記錄儀和試片，對受地鐵影響的管段進行長時間斷電電位測試，發(fā)現(xiàn)該段管道除通電電位劇烈波動外，斷電電位亦劇烈波動，波幅最大值達0.770 V，見表2。對于受直流雜散電流特別是動態(tài)直流雜散電流干擾的管道，斷電電位亦劇烈波動的情況，國內標準未能明確提出判斷其陰極保護達標與否的標準[9]。

GB 50991—2014的附錄中，列出了澳大利亞國家標準《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS2832.1—2004中關于受雜散電流干擾的埋地結構的保護準則，供使用者參考。

目前，該標準已經(jīng)更新至AS2832.1—2015，該標準中關于動態(tài)直流干擾的評價如下：

在評價牽引電流的影響時，應記錄足夠長時間的電位以確保所得數(shù)據(jù)包含最大程度的雜散電流影響。這個時間段包括早晚用電高峰，一般為20 h。如果用數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測電位，采樣頻率應每分鐘至少4次。受牽引電流影響構筑物的陰極保護電位準則根據(jù)構筑物極化時間的不同而異。

表2 受地鐵影響管道的斷電電位測量結果Tab. 2 Measurement results of the off-potential of pipeline affected by the subway V

對于短時間極化的構筑物，防腐蝕層性能良好的構筑物或已證實對雜散電流的響應為快速極化和去極化的構筑物，應遵循以下準則：

電位正于保護準則(鋼鐵構筑物電位為-850 mV )的時間不應超過測試時間的5%；

電位正于保護準則+50 mV(鋼鐵構筑物電位為-800 mV)的時間不應超過測試時間的2%；

電位正于保護準則+100 mV(鋼鐵構筑物電位為-750 mV)的時間不應超過測時間的1%；

電位正于保護準則+850 mV(鋼鐵構筑物電位為0 mV)的時間不應超過測試時間的0.2%。

考慮到本次雜散電流的實際情況，本項目采用AS2832.1—2015標準來進行直流干擾評價，并進行效果評定。

3 直流干擾防護措施

GB50991—2014提出了四種直流排流保護方式，即直接排流、極性排流、強制排流和接地排流?？紤]到現(xiàn)場實際情況，選用了接地排流方式作為該管道的直流干擾防護措施，采用在距離地鐵最近的7#和8#測試樁處埋設10支高電位鎂陽極和極性排流器的方式。

4 直流干擾防護效果評價

在防護措施施工完成后，利用數(shù)據(jù)記錄儀長時間監(jiān)測測試樁處的陰極保護電位，結果見圖3。采用AS2832.1—2015標準對直流干擾防護效果進行評價，直流干擾防護措施完工后，斷電電位正于-850 mV 數(shù)據(jù)百分比均小于5%，滿足該標準要求，見表3。但通過數(shù)據(jù)仍可以看到，防護施工后斷電電位正于-850 mV的比例較多，考慮到后期地鐵機車頻次的增加會導致管道受干擾的強度增大，本工程將會繼續(xù)對強制排流的方式進行研究。

表3 防護施工前后正于-850 mV的斷電電位百分比Tab. 3 The percentage of off-potential above -850 mV before and after protection construction

(a) 7#樁

(b) 8#樁圖3 防護施工后測試樁7#和8#處的電位監(jiān)測結果Fig. 3 Potential monitoring results at piles 7# and 8# after protection construction

5 結論

(1)地鐵運營后，附近埋地鋼質管道的通電電位與運營前的相比波動加劇，斷電電位亦有較大波動；

(2)鑒于國內標準中未明確提出受動態(tài)直流干擾管道斷電電位劇烈波動的情形下，直流干擾評價的標準，本工程借鑒采用AS2832.1—2015標準進行直流干擾評價，并進行效果評定；

(3)實施鎂陽極排流措施后，管道陰極保護水平明顯提升，可滿足AS2832.1—2015標準要求；

(4)建議國內相關機構和標準制定者，適時修訂GB 50991中的有關條款，增加有關直流干擾評定的描述；

(5)由于采取直流干擾排流措施后，兩處測試樁均存在斷電電位正于-850mV的情況，建議增加該處的監(jiān)測頻率，并在合適的時候增設強制排流措施進行排流。