地鐵雜散電流對成品油管道犧牲陽極的影響及防護(hù)措施*

(中國石化銷售股份有限公司華東分公司，上海 200050)

隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)尤其是地鐵建設(shè)出現(xiàn)快速發(fā)展的局面。由于地鐵動(dòng)力系統(tǒng)采用的是直流供電牽引模式，地鐵投入運(yùn)行之后產(chǎn)生的雜散電流對周圍埋地鋼質(zhì)管線的影響也日趨嚴(yán)重，給管道的安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。在深圳、佛山、上海等地，由于受地鐵雜散電流的影響，地鐵附近管道陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，有些區(qū)域的管道曾發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[1-5]。

在以往地鐵雜散電流對埋地管道干擾的研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地鐵的雜散電流方向不斷變化：在地鐵加速運(yùn)行時(shí)，附近的埋地管道電位相對于地鐵軌道電位為負(fù)，雜散電流從地鐵走行鐵軌流出，經(jīng)過土壤流入管道；在地鐵減速運(yùn)行時(shí)，附近的埋地管道電位相對于地鐵走行鐵軌電位為正，雜散電流從管道流出，經(jīng)過土壤流入地鐵軌道[6]。犧牲陽極是緩解埋地管道地鐵雜散電流干擾的一種常用措施。

當(dāng)?shù)罔F雜散電流從犧牲陽極流出時(shí)，陽極溶解加速，壽命減少；而當(dāng)雜散電流流入犧牲陽極時(shí)，陽極表面發(fā)生極化反應(yīng)而導(dǎo)致陽極出現(xiàn)極性逆轉(zhuǎn)，犧牲陽極的電流效率下降，甚至可能加速管道的腐蝕。由于地鐵雜散電流的這一雙向特性，在對埋地管道采取犧牲陽極排流緩解措施時(shí)，通常采用極性排流器連接到陽極上,以避免雜散電流從地鐵軌道通過犧牲陽極流入管道[7]。有必要研究在地鐵干擾環(huán)境下極性排流器的采用對犧牲陽極排流效果的具體影響。

對中石化華東地區(qū)受地鐵雜散電流影響管段的干擾情況進(jìn)行了測量和評價(jià)，探討在地鐵雜散電流干擾環(huán)境下極性排流器的采用對犧牲陽極排流作用的影響。

1 研究對象和測試方法

該次研究的中石化華東地區(qū)受地鐵雜散電流影響管段，位于5084號測試樁至5121號測試樁之間，全長約10 km。管道的直埋段防腐層采用加強(qiáng)級熔結(jié)環(huán)氧粉末，穿越段防腐層采用3PE。管道在5106號測試樁附近與當(dāng)?shù)氐罔F2號線交叉。在所測量的管段范圍內(nèi)，共埋設(shè)有5處淺埋式犧牲Mg陽極。

在淺埋式Mg陽極與排流樁之間接入極性排流器，并且在犧牲陽極或犧牲陽極+極性排流器與排流樁之間串聯(lián)數(shù)據(jù)記錄儀測量犧牲陽極的排流電流數(shù)值，其連接方法見圖1，數(shù)據(jù)采集頻率為1個(gè)數(shù)據(jù)/s。

圖1 犧牲陽極排流電流測量接線示意

采用試片法對埋設(shè)犧牲陽極前后所研究管段的測試樁通斷電電位數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。在通斷電電位測試時(shí)接線電路見圖2。在埋地鋼質(zhì)油品管道測試樁上用導(dǎo)線接入帶有信號斷路器的數(shù)據(jù)記錄儀，數(shù)據(jù)記錄儀的一個(gè)端口與管道材質(zhì)相同的試片相連接，另一個(gè)端口與Cu/飽和CuSO4參比電極相連接。將數(shù)據(jù)記錄儀信號斷路器的通斷周期設(shè)置為5 s一個(gè)周期，每個(gè)周期斷電1 s，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)。

圖2 試片法通斷電電位測量示意

2 結(jié)果與討論

2.1 極性排流器的作用

為了充分了解地鐵雜散電流干擾下管道與犧牲陽極電回路中電位及電流的情況，分別對石化油品管道與地鐵交叉點(diǎn)附近管地電位和犧牲陽極輸出電流進(jìn)行了測量。

2014年11月9—11日管道與地鐵交叉點(diǎn)附近5106號測試樁24 h管地通電電位和斷電電位隨時(shí)間變化曲線見圖3。由圖3可知，在每天晚上約23點(diǎn)至凌晨5點(diǎn)地鐵停運(yùn)的夜間，管地通電電位和斷電電位保持平穩(wěn)，基本不受雜散電流干擾；在地鐵運(yùn)行的其他時(shí)間段，由于受到地鐵雜散電流的干擾，管地通電電位和斷電電位與夜間通斷電電位相比有非常明顯的上下波動(dòng)。

2015年3月24—26日安裝極性排流器前后犧牲陽極電流的變化見圖4。由圖4可知，在加入極性排流器之前，陽極輸出電流表現(xiàn)出了與圖3中管地電位類似的變化規(guī)律：在地鐵停運(yùn)的夜間時(shí)間段，陽極輸出電流基本保持平穩(wěn)；在地鐵運(yùn)行的白天時(shí)間段，陽極輸出電流存在劇烈的正負(fù)波動(dòng)，其正向電流最大達(dá)到 1.29 A，負(fù)向電流最小至-0.86 A。加入極性排流器之后，從陽極流入管道的負(fù)向電流為0，表明電流通過犧牲陽極流入管道的問題得到了有效解決?？梢钥吹綐O性排流器的引入使陽極正向輸出電流有明顯地降低。極性排流器安裝后，白天犧牲陽極正向電流最大值從1.29 A降低至0.89 A，夜間正向電流也從0.194 A降低至0.038 A，僅為未加排流器時(shí)陽極輸出電流的1/5。

圖3 通斷電電電位隨時(shí)間變化曲線

圖4 排流器安裝前后陽極電流變化情況

2015年3月27日對極性排流器兩端電壓差和管地通電電位進(jìn)行同步監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖5。從圖5可以看出：當(dāng)管地通電電位往負(fù)向偏移時(shí)，極性排流器兩端電壓差隨管地電位同步變化；當(dāng)管地通電電位正向偏移時(shí)，極性排流器兩端電壓差在0.3 V附近略有波動(dòng)。由于排流器的單向?qū)ê推骷旧淼拈_啟特性，管道在雜散電流流入和流出時(shí)，排流器在管道與犧牲陽極電回路中起到截然不同的作用。當(dāng)管道處于雜散電流流入時(shí)，管地電位負(fù)向偏移，排流器處于斷路狀態(tài)，犧牲陽極輸出電流為0,排流器兩端電位為受干擾管道通電電位與犧牲陽極接地電位的差，因而排流器兩端電位隨著通電電位同步變化。當(dāng)管道處于雜散電流流出狀態(tài)時(shí)，管道的通電電位正向偏移，管道與陽極導(dǎo)通，極性排流器兩端的電壓差等于其器件PN結(jié)自身的開啟電壓(約0.3 V)，此電壓隨管地電位的變化較小。由于極性排流器本身0.3 V左右開啟電壓的存在，當(dāng)犧牲陽極起到排流作用時(shí)，犧牲陽極與管道之間的電阻有所增加，因而當(dāng)排流器引入后犧牲陽極正向輸出電流有所下降(見圖4)。

圖5 通電電位與排流器二端電壓差變化

2.2 排流器對犧牲陽極排流效果的影響

為了研究極性排流器對犧牲陽極排流效果的影響，對排流器安裝前后不同排流樁或測試樁處管道監(jiān)測通電電位的最大值、最小值、平均值和夜間電位的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6和表1。由圖6和表1可知，在排流器安裝后，管道的通斷電電位波動(dòng)范圍及平均值均呈現(xiàn)增大的趨勢。對于管道的通電電位來說，排流器安裝后管道通電電位最小值的負(fù)向偏移值，要遠(yuǎn)大于管道電位最大值的正向偏移值。顯然，極性排流器對犧牲陽極排流效果的影響可以分成兩個(gè)方面：一方面，在管道通斷電電位處于最小值附近，電位受到干擾負(fù)向偏移，由于極性排流器此時(shí)不導(dǎo)通，從犧牲陽極引入電流提高管道電位的作用被遏止，有利于通斷電電位維持在較低的水平；另一方面，在管道通斷電電位最大值附近，電位受到干擾正向偏移，由于極性排流器具有一定的內(nèi)阻，使得從犧牲陽極流出電流降低管道電位的效果略有降低，有利于通斷電電位維持在較高的水平。安裝排流器前后，管道的通斷電電位平均值有所增加，表明管道受干擾電位正向偏移的概率較受干擾電位負(fù)向偏移的概率更大。

圖6 排流前后某段管道通電電位的變化

在直流電牽引的地鐵等產(chǎn)生的雜散電流干擾情況下，根據(jù)澳大利亞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可判斷雜散電流干擾是否在可接受的范圍內(nèi)。對管道斷電電位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。

表1 排流前后管道通電電位 V

表2 排流前后管道斷電電位統(tǒng)計(jì)分布

由表2可知，在排流器安裝后，除5106+132號排流樁外，其他排流樁或測試樁處管道斷電電位均有所增加，排流器的安裝在一定程度上降低了犧牲陽極對雜散電流的排流效果。由于極性排流器抑制了經(jīng)犧牲陽極引入的雜散電流，一定程度上減少了管中總體流入的雜散電流總量。

3 結(jié) 語

(1)采用犧牲陽極+極性排流器的方式對管道進(jìn)行地鐵雜散電流排流保護(hù)時(shí)，排流效果與管道電位的波動(dòng)特點(diǎn)和陽極的排流量有關(guān)。

(2)極性排流器能夠有效抑制從犧牲陽極引入管道的負(fù)向電流。極性排流器會(huì)在犧牲陽極與管道之間造成0.3 V左右的電位降，犧牲陽極流向大地的正向電流大大減小。

(3)極性排流器安裝之后，一方面，降低了犧牲陽極的排流效果，造成管道的通電電位和斷電電位波動(dòng)幅度增加，大部分管段斷電電位超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的百分比例有所增加；另一方面，降低了從犧牲陽極引入的雜散電流，導(dǎo)致少數(shù)管段斷電電位不變或者降低。