天然氣管道受強(qiáng)烈地鐵雜散電流干擾案例分析

朱 振,向 敏,陳啟斌,王偉陽

(國家管網(wǎng)集團(tuán)廣東省管網(wǎng)有限公司，廣州 510710)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，城市軌道交通作為緩解交通擁堵的有效工具，在國內(nèi)得到大力發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年1月20日，我國已有43個城市開通地鐵，投運(yùn)里程達(dá)6 488 km[1]。城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)采用直流電流驅(qū)動牽引，通過走行軌回流。地鐵鋼軌不可能實(shí)現(xiàn)完全對地絕緣，因此不可避免部分直流電流從走行軌泄入大地，對周邊埋地油氣管道等金屬構(gòu)件造成干擾[2-4]。雜散電流的干擾程度與變電所的位置、牽引電流大小、土壤電阻率等多個因素相關(guān)[5-7]。

1 案例概況

廣東地區(qū)某天然氣管道總長約39 km，管道采用外防腐蝕層+陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)，外防腐蝕層為3PE和雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末(熱煨彎管)。在日常檢測中，發(fā)現(xiàn)該段管道受廣州地鐵等直流雜散電流干擾非常嚴(yán)重。從圖1中可以看到：在地鐵運(yùn)行時段，管道電位波動劇烈，電位交替正向、負(fù)向偏移；地鐵停運(yùn)期間，管道電位波動較小，斷電電位滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a) 通電電位 (b) 斷電電位

該段管道與廣州地鐵3號線北延段的白云機(jī)場站距離約17.5 km；管道與地鐵14號線的直線距離約為2.1 km，最近的兩個地鐵站分別為太平地鐵站和神崗地鐵站，管道與地鐵近距離并行的長度約為8 km；地鐵21號線與廣惠干線存在交叉。

為摸清管道的受干擾程度，將管道腐蝕速率控制到最低水平，確保管道的安全運(yùn)行，管道管理方對交直流雜散電流進(jìn)行了詳細(xì)測試和評價，根據(jù)電位和敷設(shè)環(huán)境的測試數(shù)據(jù)，結(jié)合饋電試驗(yàn)進(jìn)行了防護(hù)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2 陰極保護(hù)下管道干擾檢測結(jié)果

2.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)

該段管道共有3個站場，分別為首站、分輸站和末站。在首站和末站均設(shè)有線路陰極保護(hù)站、干線絕緣接頭，管道測試樁及陰極保護(hù)站分布見圖2。

圖2 管道測試樁和陰極保護(hù)站分布

首站陰極保護(hù)電源為恒電位儀，其額定輸出為80 V/30 A，三用一備，分別保護(hù)三條進(jìn)出站管道，共用一個陽極地床。該設(shè)備的控制電位為-1.3 V，輸出電流在0～6.07 A波動，平均輸出電流為1.11 A。當(dāng)輸出電流達(dá)到最大值時，輸出電壓已經(jīng)達(dá)到額定輸出，夜間恒電位儀的輸出電流約為0.5 A，管道保護(hù)電位在-16.97～8.83 V波動，平均值為-2.60 V，見圖3。

圖3 首站至分輸站方向恒電位儀的輸出電流和管道保護(hù)電位

末站陰極保護(hù)電源為恒電位儀，其額定輸出為50 V/30 A，兩用一備，分別保護(hù)進(jìn)站和出站管道，共用一個陽極地床。進(jìn)站恒電位儀采用恒電位模式運(yùn)行，預(yù)置電位為-1.7 V，恒電位儀的輸出電流在0～10.81 A波動，平均輸出電流約為2.24 A；夜間恒電位儀輸出電流為0.6 A左右，輸出電壓在15.43～50.13 V波動，管道保護(hù)電位在-11.11～5.79 V波動，平均值為-1.93 V，見圖4。

圖4 末站進(jìn)站方向恒電位儀的輸出電流和管道保護(hù)電位

2.2 直流雜散電流干擾

2.2.1 管道電位的異步監(jiān)測

為了評價管道的陰極保護(hù)效果，在首站和末站陰極保護(hù)電源均以原始輸出狀態(tài)運(yùn)行，即恒電位分別為-1.3 V和-1.7 V，且原有的交直流排流措施正常運(yùn)行狀態(tài)下，異步監(jiān)測首站至末站段管道的直流干擾情況，結(jié)果見圖5和圖6。首站至末站段管道的通電電位在-18.041～+16.161 V波動，斷電電位在-1.359～+0.670 V波動。全線測試樁24 h通電電位和斷電電位波動規(guī)律與圖1中X048測試樁的相似：在地鐵運(yùn)行時間段內(nèi)(05∶13至第二天00∶27)，通電電位在-16.05～13.90 V波動，斷電電位在-1.14～-0.27 V波動，電位波動劇烈；在地鐵停運(yùn)時間段內(nèi)，管道通電電位和斷電電位波動小，通電電位在-2.35～-1.61 V波動，斷電電位在-1.09～-1.07 V波動。

(a) 管道通電電位

圖6 恒電位儀原始輸出狀態(tài)下首站至末站管道夜間通/斷電電位(異步監(jiān)測)

從地鐵運(yùn)行時間和管道電位分析可知，此段管道受到的直流雜散電流干擾是由于地鐵雜散電流造成的。從管道全線電位的波動規(guī)律可以看出，靠近地鐵線路管段(靠近末站段管道)的電位波動幅度明顯大于遠(yuǎn)離地鐵線路管段(靠近首站段管道)的，這進(jìn)一步驗(yàn)證了地鐵是造成管道直流雜散電流干擾的干擾源。

在夜間地鐵停運(yùn)期間，管道的斷電電位均滿足GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，管道處于有效保護(hù)狀態(tài)。如采用GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，11個測試樁處斷電電位滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，處于有效保護(hù)狀態(tài)，其他測試樁處斷電電位均正于保護(hù)準(zhǔn)則，處于欠保護(hù)狀態(tài)。根據(jù)AS 2832.1-2015 Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables標(biāo)準(zhǔn)，管道斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位高出部分占標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的比例(以下稱比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例)不能超過5%。按照此標(biāo)準(zhǔn)要求，首站至末站段有11.08 km管道處于有效保護(hù)狀態(tài)(分別為首站至X016、X019、X022～X023、X041、X044、X046、X050)；約27.6 km管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，最高斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位高50.73%，見圖7，欠保護(hù)的管段主要分布在X024至末站間。

圖7 恒電位儀原始輸出狀態(tài)下首站至末站管道斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位高出比例(異步監(jiān)測)

2.2.2 管道電位的同步監(jiān)測

為了考察直流雜散電流的干擾規(guī)律，在首站至末站段管道受地鐵雜散電流干擾時，同步監(jiān)測了首站出站、X005、X011、X017、X021、X025、X030、X034、X038、X044、X048和末站進(jìn)站12處位置24 h內(nèi)管道的通電電位，結(jié)果見圖8。由圖8可見，靠近末站管道的電位波動幅度大于靠近首站管道的，在首站和X044測試樁出現(xiàn)兩個干擾峰，X017測試樁處電位波動最小。

圖8 管道12處位置24 h的通電電位(同步監(jiān)測)

根據(jù)地鐵運(yùn)行時段與夜間地鐵停運(yùn)時段無干擾時測得的管道通電電位的差值(以下稱電位偏移量)，判斷地鐵直流雜散電流的流向。該電位偏移量為正，表明由地鐵造成的直流雜散電流流出；電位偏移量為負(fù)，表明由地鐵造成的直流雜散電流流入。電位偏移量為負(fù)時的時長與測試總時長的比值為直流雜散電流流出管道的時間占比。

分別統(tǒng)計(jì)測試時間段管道通電電位平均值Eon和直流雜散電流流出管道的時間占比T，結(jié)果見表1。由表1可見，X025至X044測試樁處通電電位平均值較正常的自然電位偏正，X017至X044測試樁處直流雜散電流流出的時間占比大于50%,表明此段管道的雜散電流流出效應(yīng)強(qiáng)于流入效應(yīng)。

表1 管道12處位置通電電位平均值及直流雜散電流流出時間占比(同步監(jiān)測)

由圖9可見，靠近首站的管道通電電位正向偏移，為直流雜散電流流出區(qū)域，靠近末站的管道通電電位負(fù)向偏移，為雜散電流流入?yún)^(qū)域，正向偏移管段的電位偏移峰值點(diǎn)出現(xiàn)在首站出站位置、負(fù)向偏移管段的電位偏移峰值點(diǎn)出現(xiàn)在X048測試樁位置，雜散電流流入流出的分界點(diǎn)在X017和X021測試樁中間。

圖9 某時刻管道受干擾時12處位置的管道電位分布(類型1)

由圖10可見，靠近首站和末站的管道電位負(fù)向偏移，為直流雜散電流流入?yún)^(qū)域，中間段管道電位正向偏移，為雜散電流流出區(qū)域。

圖10 某時刻管道受干擾時12處位置的管道電位分布(類型2)

通過對管道電位偏移量進(jìn)行分析，可以得到首站至末站段管道受到干擾時，管道電位的分布規(guī)律主要有兩個類型：靠近首站和靠近末站管道互為直流雜散電流流入和流出區(qū)域；首站至末站的中間管段與兩端靠近首站和末站管段互為直流雜散電流流入和流出區(qū)域。

2.2.3 直流雜散電流干擾治理方案

對首站至末站段管道的陰極保護(hù)效果檢測顯示，約有27.6 km管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，需要采取干擾防護(hù)措施。欠保護(hù)的管道主要分布在X024測試樁至末站間，干擾峰值點(diǎn)主要出現(xiàn)在X034和X048測試樁附近。在干擾治理方案設(shè)計(jì)時，需要在欠保護(hù)管段上選點(diǎn)進(jìn)行饋電試驗(yàn)，驗(yàn)證饋電的保護(hù)效果。該試驗(yàn)通過建立模擬陰極保護(hù)系統(tǒng)對埋地設(shè)施進(jìn)行臨時保護(hù)，待充分極化后，檢測埋地設(shè)施的電位分布和相應(yīng)的電流需求量，分析確定站內(nèi)的電流流失點(diǎn)、屏蔽區(qū)域和干擾等嚴(yán)重影響陰極保護(hù)效果的情況。根據(jù)現(xiàn)場情況和干擾具體情況，選取X046和X039測試樁位置進(jìn)行饋電試驗(yàn)。

(1)X046測試樁饋電試驗(yàn)及結(jié)果

靠近末站的管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和外電情況，優(yōu)先選取了X046測試樁位置進(jìn)行饋電試驗(yàn)。X046測試樁饋電試驗(yàn)的地床距離管道的垂直距離約100 m，地床與管道并行，共采用了50支角鋼地床。饋電試驗(yàn)時，分別在X035、X039、X042、X044、X046和X048測試樁處測試并記錄管道電位，結(jié)果見表2。

由表2可見，當(dāng)直流電源從X046測試樁向管道饋入10 A保護(hù)電流后，管道通電電位的平均值明顯負(fù)向偏移，夜間通電電位和斷電電位負(fù)向偏移。由表3可見，X046至X048測試樁處管道的斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例比饋電前均有明顯的下降，均降至5%以內(nèi)；X044測試樁處管道的斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例達(dá)到8.84%，該處管道仍處于欠保護(hù)狀態(tài);X035、X039和X042測試樁處管道的斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例比饋電前有明顯的下降，但是仍高于5%，處于欠保護(hù)狀態(tài)。本次饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在X046測試樁位置增加陰極保護(hù)站可以使X046測試樁至末站管道達(dá)到有效的保護(hù)狀態(tài)，但上游管道仍處于欠保護(hù)狀態(tài)，在此狀態(tài)下，X046測試樁處陰極保護(hù)站的有效保護(hù)范圍約為2 km。

表2 X046測試樁饋電對管道電位的影響

表3 X046測試樁饋電時管道斷電電位評價

(2)X039測試樁饋電試驗(yàn)及結(jié)果

X046測試樁饋電試驗(yàn)結(jié)果顯示，在X046測試樁處增加陰極保護(hù)站，仍無法使上游管道達(dá)到有效的保護(hù)狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和外電情況，又選取X039測試樁位置進(jìn)行饋電試驗(yàn)。X039測試樁饋電試驗(yàn)的地床距離管道的垂直距離約55 m，地床與管道并行，饋電試驗(yàn)共采用了60支角鋼地床。饋電試驗(yàn)時，分別在X030、X032、X035、X037、X039、X042和X044號測試樁測試并記錄管道電位，結(jié)果見表4。

由表4可見，當(dāng)X039測試樁處的直流電源饋入8 A后，管道通電電位的平均值明顯負(fù)向偏移，夜間的通電電位和斷電電位負(fù)向偏移。由表5可以看出，在X039測試樁位置饋電時，X037至X044測試樁管道的斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例比饋電前均有明顯的下降，降至5%以內(nèi)或接近5%；X044測試樁饋電試驗(yàn)狀態(tài)下，斷電電位正比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例達(dá)到5.5%，接近有效保護(hù)狀態(tài)。X030至X035測試樁管道的斷電電位比標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)電位的高出比例比饋電前也明顯下降，在X032測試樁處高出比例降低至5.3%，接近保護(hù)準(zhǔn)則，這表明在X039測試樁位置增加陰極保護(hù)站能達(dá)到較好的防護(hù)效果，在此狀態(tài)下，陰極保護(hù)站有效保護(hù)范圍約為6 km。

表4 X039測試樁饋電對管道電位的影響

表5 X039測試樁饋電時管道斷電電位評價

2.3 交流雜散電流檢測結(jié)果

對全線每個測試樁的管道交流電位和交流電流密度進(jìn)行24 h監(jiān)測，結(jié)果見圖11。由圖11可知：管道全線24 h的交流電位均小于15 V，其中X038測試樁處管道的交流電位平均值高于4 V，其他49個測試樁處交流電位平均值均小于4 V；全線測試樁的24 h交流電流密度的平均值均小于30 A/m2，根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和ISO18086:2019 Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria評價標(biāo)準(zhǔn)，管道的交流干擾程度為“弱”，不需要采取交流干擾防護(hù)措施。

(a) 交流電位

2.4 討論

首站至末站管道受到的動態(tài)直流干擾是非常強(qiáng)烈的，電位波動幅度達(dá)到了±25 V。該段受干擾管道的腐蝕風(fēng)險評價以及防護(hù)措施設(shè)計(jì)都存在很大的困難。在管道動態(tài)直流雜散電流干擾評價與防護(hù)方面，目前國內(nèi)尚缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)指引。在國內(nèi)管道行業(yè)的干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中，缺少動態(tài)直流干擾檢測評價方法，也缺乏針對新建地鐵動態(tài)直流干擾的預(yù)防性應(yīng)對措施。而在現(xiàn)有的軌道交通方面標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，雜散電流干擾防護(hù)措施都是針對軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部的金屬構(gòu)筑物，而不是針對外部金屬油氣管道的。沒有可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)作為支撐，管道行業(yè)與軌道交通行業(yè)就無法進(jìn)行有效的溝通，這也是管道企業(yè)面臨的困境。

管道企業(yè)在面對已有地鐵線路造成的干擾時，沒有成熟適用的評價方法與防護(hù)措施，在對新建地鐵線路的潛在干擾進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時無據(jù)可依。目前管道方能采取的防護(hù)或緩解措施都是一些治標(biāo)不治本的被動防護(hù)措施，比如在GB 50991-2014標(biāo)準(zhǔn)中提出了排流保護(hù)、陰極保護(hù)、絕緣隔離以及屏蔽等多種防護(hù)方法。減少地鐵軌道系統(tǒng)向大地泄放的雜散電流，才是行之有效、綜合效益最高的主動式防護(hù)。

3 結(jié)論

(1)首站至末站段管道受強(qiáng)烈的地鐵直流雜散電流干擾。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，共有約27.6 km管道處于欠保護(hù)狀態(tài)；夜間無地鐵運(yùn)行期間全線均滿足陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)直流雜散電流分布規(guī)律主要有兩個類型：管道兩端管段互為雜散電流流入流出區(qū)域；管道中間管段與兩端管段互為雜散電流流入流出區(qū)域。

(3)饋電試驗(yàn)表明，陰極保護(hù)電流可以有效抑制管道電位正向偏移，但是抑制范圍(長度)是有限的。管道方被動防護(hù)的難度很大，被動防護(hù)措施的成本較高且難以取得理想的緩解效果，應(yīng)從地鐵雜散電流泄漏源頭采取緩解措施。

(4)地鐵動態(tài)直流雜散電流干擾問題需要地鐵方與管道方共同協(xié)作，建立健全相關(guān)的評價與防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，通過協(xié)作機(jī)制進(jìn)行有效的溝通，最大限度地減少地鐵直流雜散電流干擾造成的埋地管道腐蝕，確保雙方的安全運(yùn)行。