燃氣管道交直流混合干擾的檢測與分析

曹濱濱

(無錫華潤燃氣有限公司，無錫 214000)

隨著無錫市地鐵的相繼投運、高鐵以及高壓輸電線不斷建設(shè)，雜散電流腐蝕埋地鋼質(zhì)管道的問題也日益突出，嚴重時可能會導(dǎo)致鋼質(zhì)管道穿孔引起燃氣安全事故。為了保證管道安全運行，降低安全風(fēng)險，需要對引起燃氣管道腐蝕的雜散電流進行研究，并制定相應(yīng)的控制和防范措施。

無錫華潤燃氣有限公司所屬燃氣管道采用3層PE防腐蝕層和犧牲陽極陰極保護的聯(lián)合保護方式，高壓、次高壓燃氣管道的管材為X52管線鋼，管徑為610 mm。全線共設(shè)置門站和儲備站3座,站場和閥室22座，在進出站均設(shè)有絕緣接頭。

1 無錫地鐵引起的直流雜散電流干擾

無錫地鐵現(xiàn)已開通地鐵1號線、2號線和3號線一期，地鐵3號線二期和地鐵4號線正在建設(shè)中。隨著地鐵線路的開通，燃氣管道受到的干擾越來越嚴重。經(jīng)過近幾年的測試發(fā)現(xiàn)，由于干擾導(dǎo)致電位不達標的位置多出現(xiàn)在管道與地鐵線路的交叉點。某燃氣管道LD35-GCS00014-1測試樁位于無錫地鐵1號線旁260 m，地鐵運營階段該處管道通電電位在-9.166～5.890 V劇烈波動，而夜間地鐵停運后通電電位相對平穩(wěn)，見圖 1。將該測試樁的斷電電位單獨作圖，如圖2所示。由圖2可見，在地鐵運營階段斷電電位在-0.026～-1.280 V波動，而夜間地鐵停運后斷電電位(-1.137～-1.133 V)相對平穩(wěn)。上述數(shù)據(jù)均是采用管道業(yè)內(nèi)比較先進的檢測方法，通過數(shù)據(jù)記錄儀、6.5 cm2試片和便攜式Cu/飽和CuSO4參比電極獲取的[1-2]。

圖1 LD35-GCS00014-1號測試樁處管道電位的長時間監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 LD35-GCS00014-1測試樁斷電電位的長時間監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過斷電電位數(shù)據(jù)分析可知，夜間地鐵停運時斷電電位在-1.13 V左右，而在地鐵運營階段，斷電電位多次出現(xiàn)負于-1.20 V的情況，這表明試片/管道不斷吸收直流雜散電流，產(chǎn)生過保護現(xiàn)象。

根據(jù)GB 50991-2014標準《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》，對于已投運陰極保護的管道，當干擾導(dǎo)致管道保護電位不滿足最小保護電位要求時，應(yīng)及時采取干擾防護措施。在該標準中，對測試參數(shù)做了詳細規(guī)定：測試點間距以50～200 m為宜，最大間距不宜大于500 m；測試持續(xù)時間以24 h為宜，但應(yīng)大于1 h，且應(yīng)選擇覆蓋干擾源負荷的高峰、平峰和低谷三個時間段；測試次數(shù)不宜少于三次；測試讀數(shù)時間間隔以10～30 s為宜，管地電位變動劇烈時以1 s為宜。但對動態(tài)直流干擾下直流干擾評價采取“一刀切”的方式，即測試持續(xù)時間(80 000 s約22.22 h)內(nèi)出現(xiàn)一個正于最小保護電位(-850 mV)的數(shù)據(jù)即判斷為不合格。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該標準對直流干擾評價過于嚴格。同時，測試結(jié)果受試片的面積、埋設(shè)時間、埋設(shè)深度等影響，容易造成誤判，有時出現(xiàn)大部分受地鐵直流干擾的管道均不滿足標準要求的結(jié)果。綜上所述，國內(nèi)相關(guān)標準不太適用于強直流干擾下管道直流干擾評價。參考國內(nèi)相關(guān)文獻[1-4]，采用澳大利亞AS 2832.1-2015標準對無錫某燃氣管道所受直流干擾進行檢測評價。結(jié)果表明，LD35-GCS00014-1測試樁測得的斷電電位比保護準則規(guī)定的保護電位(-850 mV)高15.68%，大于5%的界限，因此該處管道處于欠保護狀態(tài)。

除了在管道與地鐵交叉的位置，管道斷電電位會發(fā)生劇烈波動，與地鐵車輛或停車場靠近的管道也會出現(xiàn)斷電電位的劇烈波動，斷電電位不達標會導(dǎo)致管道腐蝕，如某燃氣管道距投運一年半的軌道交通系統(tǒng)檢修基站僅700 m，管道上出現(xiàn)了深度5.1 mm的腐蝕坑[5]。

無錫地鐵2號線青龍山車輛段距離燃氣管道不足3 km，燃氣管道起止分別為1號閥室和2號閥室，閥室均有絕緣接頭，分布有8個測試樁，見圖3。根據(jù)AS 2832.1-2015標準對管道所受到的直流干擾進行檢測和評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有5處測試樁不滿足要求，處于欠保護狀態(tài)，見表1。

圖3 無錫某燃氣管道走向示意

表1 無錫某燃氣管道斷電電位評價

進一步監(jiān)檢測該段管道直流雜散電流的流入流出情況，為下一步干擾緩解措施設(shè)計提供依據(jù)，在該段管道放置多臺數(shù)據(jù)記錄儀同步監(jiān)檢測管道電位情況，結(jié)果見圖 4。由圖4可見，在監(jiān)檢測時間內(nèi)，通電電位極正值和極負值均出現(xiàn)在014號和005號樁位置，且每隔一段時間，兩個測試樁會交替出現(xiàn)極正值和極負值。對某時刻通電電位與測試樁作圖，見圖 5。由圖5可見，以夜間通電電位數(shù)據(jù)為劃分依據(jù)(圖 5中虛線)，可以得到該段管道在該時刻的流入-流出位置，當014號樁位置出現(xiàn)極正值(流出)時，005號樁位置出現(xiàn)極負值(流入)，反之亦然，這說明014號樁和005號樁互為流入流出關(guān)系，分界點位于007號和008號樁之間。

圖4 無錫某燃氣管道通電電位的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖5 某時刻無錫某燃氣管道通電電位-測試樁號圖

后期可根據(jù)上述數(shù)據(jù)在005號樁及014號樁進行饋電試驗，結(jié)合用地和用電情況，增加強制排流站，保證恒電位儀在恒電位模式下的最大輸出。

2 交流輸電線路引起的交流雜散電流干擾

經(jīng)濟的快速發(fā)展導(dǎo)致天然氣和電力需求增大，燃氣管道和輸電線路不可避免會出現(xiàn)臨近、平行或交叉。1號門站至末站電廠18 km高壓燃氣管道與3條500 kV和1條220 kV輸電線路臨近、平行并多處出現(xiàn)交叉，見圖6。

圖6 無錫某燃氣管道與周邊輸電線路位置

根據(jù)普查測試結(jié)果，12號和18號樁位置干擾嚴重，因此采用數(shù)據(jù)記錄儀+1 cm2試片的方式獲取交流電位和交流電流密度等交流干擾數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》，采用交流電流密度對交流干擾程度進行評價，結(jié)果也列于表2中。由表2可見，3個測試樁處管道受到的交流干擾程度均為“強”。在管道電絕緣處、管道與干擾源發(fā)生位置改變的地方，交流干擾都較為強烈，1號、18號樁均靠近絕緣接頭，12號樁處管道與干擾源發(fā)生位置改變。12號樁處測得的交流電位平均值小于4 V，土壤電阻率為13.816 Ω·m，根據(jù)GB/T 50698-2011標準，該處可不采取交流干擾防護措施，但現(xiàn)場采用1 cm2試片測試的交流電流密度平均值高達103.891 A/m2，說明該處管道具有很強的交流腐蝕風(fēng)險。

表2 無錫某燃氣管道的交流干擾數(shù)據(jù)

ISO 18086-2019 標準Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria和NACE SP 21424-2018標準Alternating current corrosion on cathodically protected pipelines: Risk assessment, mitigation, and monitoring均從土壤電阻率、腐蝕速率、交流電流密度和直流電流密度等方面對交流腐蝕風(fēng)險進行了評判。首先，通過土壤電阻率來定性評判交流腐蝕風(fēng)險；然后，采用腐蝕速率確定在一定直流電流密度(如≤1 A/m2)范圍內(nèi)交流電流密度閾值(如30 A/m2)的方式定性評判交流腐蝕風(fēng)險。ISO 18086-2019標準進一步提出了采用交流電流密度與直流電流密度的比值(交/直流電流密度比)判斷交流腐蝕風(fēng)險：當比值處于3～5時，管道存在較小的交流腐蝕風(fēng)險；當比值大于5時，管道則存在交流腐蝕風(fēng)險。

通過1 cm2試片進行交/直流電流密度測試時，試片上的直流電流既有流入又有流出，當試片吸收直流雜散電流時(流入，為負值)，交/直流電流密度比(JAC/JDC)會出現(xiàn)負值。

測得18號樁處土壤電阻率為11.304 Ω·m，采用1 cm2試片測試該處交/直流電流密度比，測試結(jié)果見圖7，對測試結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。由表3可見，長時間測試的交/直流電流密度比的平均值為24.861，最大值為278.866，最小值為-154.561，夜間(電位平穩(wěn)期)交/直流電流密度比的平均值為11.843。這也說明，采用上述ISO 18086-2019和NACE SP 21424-2018標準對交流腐蝕風(fēng)險進行評估時，采樣時間應(yīng)為一個有代表性的時間段(如24 h)。

圖7 無錫某燃氣管道18號樁處交/直流電流密度比與時間的關(guān)系曲線

表3 無錫某燃氣管道18號樁處交/直流電流密度比

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對18號樁交流腐蝕風(fēng)險進行評價：土壤電阻率為11.304 Ω·m，小于25 Ω·m，為極高風(fēng)險；交流電流密度平均值大于100 A/m2，且直流電流密度大于1 A/m2，為高風(fēng)險；交/直流電流密度比大于5，為高風(fēng)險。

評價結(jié)果顯示，18號樁處管道的交流腐蝕風(fēng)險高，應(yīng)采取交流干擾防護措施。上述評價過程相較于采用交流電位和計算的交流電流密度數(shù)據(jù)進行評價更為繁瑣和復(fù)雜，但可以更好地評價管道的交流腐蝕風(fēng)險。后續(xù)可根據(jù)相關(guān)方法[6]，采用仿真計算和現(xiàn)場試驗方式對該段管道進行交流干擾緩解設(shè)計。

3 高速鐵路引起的交流雜散電流干擾

無錫市境內(nèi)有京滬高鐵、滬寧城際鐵路及其他客運、貨運鐵路，管道易受電氣化鐵路特別是高鐵造成的交流雜散電流干擾。對滬寧城際鐵路惠山站附近的LD222-GCS00100-7號樁進行長時間雜散電流檢測，見圖8。結(jié)果顯示，該處管道受到典型的高鐵引起的交流雜散電流影響：當列車經(jīng)過時，交流電位和交流電流密度同時成比例增大，最大交流電位為10.33 V，最大交流電流密度為312.84 A/m2，列車遠離后交流電位和交流電流密度都趨于平穩(wěn)；當城際鐵路夜間無列車通行時，交流電位和交流電流密度都較為平穩(wěn)；夜間(測量時刻為50 000～60 000 s)交流電位小于4V，交流電流密度為60～65 A/m2，存在一定的交流腐蝕風(fēng)險。

圖8 無錫某燃氣管道LD222-GCS00100-7號樁處交流干擾數(shù)據(jù)

由于該處直流電流密度大于1 A/m2，采用交/直流電流密度比判斷交流腐蝕風(fēng)險，結(jié)果見圖9。由圖9(a)可見，交/直流電流密度比在-388.19～289.01波動，平均值為4.44；夜間城際鐵路和地鐵無列車運行時，交/直流電流密度都較為平穩(wěn)，因此其比值也平穩(wěn)，而白天受到城際鐵路和地鐵的干擾，交/直流電流密度及其比值均有較大變化。出現(xiàn)比較多負值的原因是該處受地鐵直流雜散電流干擾比較嚴重，測試試片的電流既有流入又有流出，當吸收雜散電流(流入，為負值)時該處交/直流電流密度比出現(xiàn)負值，見圖9(b)。

綜上所述，對受地鐵引起的直流干擾和高鐵引起的交流干擾管道進行交流腐蝕風(fēng)險評價可能較為復(fù)雜。如圖9(b)中處于67 990 s附近的數(shù)據(jù)，該時刻交流電流密度大于300 A/m2，但直流電流密度小于0，兩者的比值亦小于0。如果按照ISO 18086-2019和NACE SP 21424-2018標準評價，其交流腐蝕風(fēng)險較小，這與實際差距較大，采用這種方法進行評價可能會掩蓋某些腐蝕風(fēng)險。

(a) 整體圖

4 結(jié)論與建議

在役城鎮(zhèn)高壓燃氣管道多建設(shè)在城區(qū)及城區(qū)周邊，易受地鐵、輸電線路和高鐵，以及上述干擾源的混合干擾影響。對于直流干擾，建議采用6.5 cm2/10 cm2試片進行監(jiān)檢測和評價，而對于交流干擾，建議采用1 cm2試片進行監(jiān)檢測和評價。

(1)對于動態(tài)直流干擾特別是由地鐵引起的直流干擾，采用管道斷電電位進行評價時，國內(nèi)相關(guān)標準不太適用。強直流干擾時，犧牲陽極可能無法抑制嚴重的干擾(如地鐵維檢修基地附近的管道)，可采用強制電流的方式對城鎮(zhèn)燃氣管道進行整治。

(2)不能采用交流電位作為交流腐蝕風(fēng)險的評判依據(jù)，而應(yīng)該采用交流電流密度、直流電流密度評價交流腐蝕風(fēng)險，這樣雖然更為繁瑣和復(fù)雜，但可更好地評價管道所受的交流腐蝕風(fēng)險。

(3)當管道受到混合干擾時，試片的直流電流存在流入和流出，當直流電流流出管道時出現(xiàn)直流電流密度為負值的現(xiàn)象，使得交流腐蝕風(fēng)險評價較為困難。

(4)管道從業(yè)者應(yīng)對混合干擾情況下管道交流腐蝕風(fēng)險評價進行進一步研究，包括修訂現(xiàn)行交流干擾的標準等工作。