青島地鐵13號線對某管道直流干擾及治理研究

范 鋒 龐洪晨 王 朋 喬 實 張培洲 張京賢

1. 中國石化皖能天然氣有限公司, 安徽 合肥 230000;2. 山東省國實管道天然氣有限公司, 山東 濟(jì)南 250000;3. 中國石化石油工程設(shè)計有限公司, 山東 東營 257026

0 前言

伴隨城市建設(shè)及軌道交通的不斷發(fā)展,城市軌道交通設(shè)施對于埋地管道的直流干擾影響日益頻繁[1-5],部分埋地管道遭受的地鐵干擾嚴(yán)重[6-10]。城市軌道交通運(yùn)行對于臨近的埋地管道一般具有影響范圍大、周期性強(qiáng)、干擾程度劇烈等特點[11-15]。本文針對青島地鐵13號線對埋地天然氣管道的直流干擾影響,在評估管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行有效性的基礎(chǔ)上,通過現(xiàn)場檢測管道電位的波動變化、雜散電流的方向等,明確直流干擾的影響范圍、程度,分析其干擾規(guī)律,并在現(xiàn)場開展腐蝕速率的監(jiān)測和相關(guān)緩解治理措施試驗,制定相應(yīng)的緩解治理及腐蝕監(jiān)測方案。

1 工程概況

本段管道起點為1#站、終點為4#站,線路長度130.5 km,管道采用3 PE防腐層,強(qiáng)制電流陰極保護(hù),在2#站和3#站分別設(shè)有線路陰保站。青島地鐵13號線與管道在12#樁～13#樁之間呈垂直交叉。管道自2015年投運(yùn)以來，陰保電位平穩(wěn),2018年12月份青島地鐵13號線投運(yùn)后,管道陰保電位波動頻繁,2#站內(nèi)恒電位儀設(shè)備受到直流雜散電流干擾無法穩(wěn)定輸出。

2 管道直流干擾檢測評價

針對青島地鐵13號線對管道干擾的檢測評估主要包括管道陰保系統(tǒng)(陰保站和管道斷電電位)運(yùn)行有效性檢測評估、管道直流干擾影響的檢測、臨時饋電試驗以及設(shè)置臨時犧牲陽極情況下對管道干擾緩解影響。

2.1 檢測方法及監(jiān)測點選取

2.1.1 現(xiàn)場檢測方法

針對管道直流干擾的長周期(≥24 h)檢測采用在監(jiān)測點設(shè)置UDL2記錄儀+1 cm2試片的方式;短周期的檢測采用FLUKE萬用表檢測。陰保電位檢測方法按照GB/T 21246—2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》執(zhí)行。臨時饋電試驗采用具有恒通電、恒斷電、恒電流模式的設(shè)備,臨時犧牲陽極采用帶狀鋅合金犧牲陽極。

2.1.2 現(xiàn)場監(jiān)測點設(shè)置

為科學(xué)準(zhǔn)確地評估地鐵13號線對管道的直流干擾影響,自管道1#站至3#站沿線130.5 km范圍內(nèi)設(shè)置20處監(jiān)測點,其中1#樁～2#閥室14個點監(jiān)測時間為6 d,76#～146#樁6個點的監(jiān)測時間為24 h。

2.2 管道陰保及雜散電流干擾檢測

2.2.1 管道直流電位監(jiān)測數(shù)據(jù)

測試周期內(nèi),統(tǒng)計各監(jiān)測點電位的最大、最小和平均值,流經(jīng)試片電流的流入、流出所占比例。管道沿線通電電位的最大值、最小值以及平均值曲線見圖1。

圖1 管道沿線通電電位曲線分布圖

管道通電電位全線均存在波動，在與地鐵交叉前后的11#樁～16#樁之間波動劇烈，在13#樁位置通電電位波動最為劇烈,波幅為16.4 V。

管道沿線斷電電位的最大值、最小值以及平均值曲線見圖2。

圖2 管道沿線斷電電位曲線分布圖

管道沿線的斷電電位存在一定的波動,斷電電位在與地鐵交叉前后的11#樁～16#樁之間以及與膠濟(jì)客運(yùn)專線交叉的117#樁波動相對劇烈;在12#樁位置斷電電位波動最為劇烈,波幅為1.52 V。

管道沿線監(jiān)測點試片電流統(tǒng)計信息見圖3。

圖3 監(jiān)測點試片雜散電流方向統(tǒng)計圖

統(tǒng)計分析試片電流方向,判斷雜散電流的流入、流出狀態(tài),監(jiān)測周期內(nèi)在直流電位正向偏移的11#樁～27#樁,以及交流電壓較高的34#樁、117#樁位置,流經(jīng)試片電流為流出狀態(tài)的占比高,管道腐蝕風(fēng)險相對較高。

2.2.2 直流干擾的影響規(guī)律研究

2.2.2.1 直流干擾影響的評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,針對陰極保護(hù)系統(tǒng)已投運(yùn)的管道,當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時,應(yīng)及時采取干擾防護(hù)措施[16]。

分析現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),在陰保系統(tǒng)運(yùn)行的情況下,管道沿線1#樁～76#樁位置,由于受到雜散電流干擾的影響,管道斷電電位不能完全滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的最小保護(hù)電位≤-0.85 V要求[17],見圖4。與此同時在陰保系統(tǒng)停運(yùn)的情況下,76#樁～146#樁管道因雜散電流干擾影響電位負(fù)向偏移,管道斷電電位出現(xiàn)部分時間滿足最小電位要求的情況,見圖5。

圖4 57#樁管道直流電位曲線—設(shè)備運(yùn)行圖

圖5 129#樁管道直流電位曲線—設(shè)備停運(yùn)圖

2.2.2.2 直流干擾的周期性規(guī)律

管道沿線監(jiān)測點位置直流電位的波動,不論是正向還是負(fù)向,均存在一定規(guī)律的周期性,一般在夜間11:30—凌晨5:30左右波動較小,白天波動劇烈,波動周期與地鐵運(yùn)行時間保持一致,參見圖6。

圖6 2020年4月監(jiān)測點管道電位周期性變化圖

從管道直流電位波動的周期性規(guī)律和管理單位反饋可知，2#站恒電位儀設(shè)備輸出受到干擾影響的開始時間與地鐵投運(yùn)的時間基本一致，進(jìn)一步綜合分析可知,青島地鐵13號線是該天然氣管道直流干擾的主要干擾源。

2.2.2.3 管道全線直流電位偏移規(guī)律

統(tǒng)計管道沿線1#樁～146#樁直流電位偏移情況發(fā)現(xiàn),直流電位的偏移整體可分為三段：1#樁～8#樁管道電位負(fù)向偏移,長度約8 km,在6#樁位置通電電位和斷電電位最負(fù),分別為-4.03 V和-1.31 V,見圖7;8#～27#樁管道電位正向偏移,長度約15 km,其中在13#樁位置通電電位和斷電電位最正,分別為8.2 V和0.234 V,見圖8;27#樁～146#樁管道電位負(fù)向偏移,長度約107 km,其中在2#閥室通電電位最負(fù),為-4.2 V;在76#測試樁位置斷電電位最負(fù),為-1.23 V,見圖9。

圖7 6#樁管道電位曲線圖

圖8 2020年4月13#樁管道電位曲線圖

圖9 76#樁管道電位曲線圖

2.2.2.4 現(xiàn)場試片腐蝕速率監(jiān)測

在管道沿線電位正向偏移位置,設(shè)置腐蝕失重試片,其中交叉點附近11#樁、12#樁、13#樁位置干擾組試片的腐蝕速率較高,見表1。從試片的腐蝕形貌分析,試片腐蝕面呈孔蝕狀,創(chuàng)面光滑,現(xiàn)場可明顯觀察到電解跡象;腐蝕產(chǎn)物呈褐色細(xì)粉狀。試片的腐蝕特征均符合直流雜散電流的腐蝕特征[16],見圖10。

表1 腐蝕試片腐蝕速率統(tǒng)計表

圖10 4月16日8:08～4月20日16:10期間11#樁1 cm2試片腐蝕形貌照片

3 直流干擾緩解措施研究

針對現(xiàn)場監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)的2#站恒電位儀設(shè)備無法穩(wěn)定輸出、管道沿線電位波動劇烈等問題,采取臨時饋電試驗和設(shè)置臨時犧牲陽極排流保護(hù)措施,現(xiàn)場驗證有效性。

3.1 臨時饋電措施

在2#站設(shè)置臨時饋電試驗裝置,臨時饋電試驗采用具有恒通電、恒斷電、恒電流模式的恒電位儀設(shè)備。4月18日下午14:45調(diào)整設(shè)備輸出方式為恒電流模式,輸出電流2 A。

2#站臨時饋電恒電位儀設(shè)備在2 A輸出的情況下,從1#～2#閥室管道通電電位均出現(xiàn)明顯的負(fù)向偏移,其中16#樁管道電位負(fù)向偏移最明顯,電位由-0.45 V負(fù)向偏移至-0.97 V左右,見圖11。干擾情況下,饋電試驗對管道沿線斷電電位的糾偏僅在2#站附近的13#樁～16#樁約3 km范圍內(nèi)有效,糾偏范圍有限。

圖11 恒電流2 A時16#樁管道電位變化圖

3.2 臨時犧牲陽極排流

利用設(shè)置在管道沿線的帶狀鋅合金犧牲陽極作為臨時犧牲陽極排流措施,驗證在干擾區(qū)域設(shè)置犧牲陽極對干擾的緩解作用。經(jīng)過現(xiàn)場驗證,在管道電位正向偏移的位置,連接犧牲陽極后,通斷電電位的波動幅度明顯收窄,同時斷電電位出現(xiàn)負(fù)向偏移;在管道負(fù)向偏移的位置,連接犧牲陽極后,管道通電電位和斷電電位的波動幅度明顯偏小,同時斷電電位出現(xiàn)正向偏移。

4 干擾緩解治理及腐蝕監(jiān)測方案

針對地鐵對管道的直流干擾可采取的緩解措施有排流法、屏蔽法、絕緣分割法等。結(jié)合現(xiàn)場檢測情況,應(yīng)首先通過調(diào)整現(xiàn)有陰極保護(hù)輸出和分段絕緣措施來抑制其干擾影響,然后考慮在干擾嚴(yán)重的區(qū)域通過增設(shè)犧牲陽極的方式進(jìn)行緩解治理,同時對于腐蝕敏感區(qū)考慮采取必要的腐蝕監(jiān)測措施。

4.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)改造

針對管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的改造,建議依托2#站、3#站,將站場進(jìn)出干線的跨接電纜斷開,進(jìn)行分段絕緣;同時在2#站、3#站分別增設(shè)2路輸出的恒電位儀,恒電位儀、極化探頭應(yīng)具備一定抗干擾能力,在直流干擾較為嚴(yán)重的情況下可恒流輸出。

4.2 排流治理措施

在分段絕緣和增設(shè)陰極保護(hù)的基礎(chǔ)上,針對線路管道雜散電流存在流出的管段(8#樁～27#樁)應(yīng)加強(qiáng)管道防腐層的漏點檢驗,發(fā)現(xiàn)防腐層漏點應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。對于電位持續(xù)正向偏移的9#樁、10#樁、13#樁、14#樁、14#樁+500 m、18#樁、21#樁、25#樁位置應(yīng)補(bǔ)充犧牲陽極進(jìn)行補(bǔ)充保護(hù)。

4.3 現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測

針對現(xiàn)場監(jiān)測過程中試片腐蝕嚴(yán)重、電位波動較大以及一些特殊的環(huán)境敏感點,建議在加強(qiáng)日常管道電位、防腐層漏點監(jiān)測的同時,設(shè)置腐蝕失重試片,定期進(jìn)行腐蝕速率的監(jiān)測,確保管道本體的腐蝕速率安全可控。失重檢查片的設(shè)置按照SY/T 0029《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求執(zhí)行。

5 結(jié)論

通過開展相關(guān)的雜散電流干擾檢測和緩解措施驗證檢測工作,基本明確了青島地鐵13號線作為干擾源對天然氣管道的干擾影響范圍、影響程度、周期性變化以及電位偏移等規(guī)律,同時驗證了相關(guān)緩解措施的有效性,并提出了緩解治理和腐蝕監(jiān)測的方案。