地鐵干擾下管道陰極保護有效性測試方法的探究

吳桐宇

（中航油石化管道有限公司，北京 101318）

0 引言

地鐵牽引用電一般采用直流電，如圖1所示，地鐵牽引電流IL自變電所流出經(jīng)過接觸網(wǎng)和電車用電系統(tǒng)后，本應(yīng)利用鐵軌徹底回收，但由于鐵軌無法做到對地的完全絕緣，一部分電流會釋放到大地，流經(jīng)埋地的金屬構(gòu)筑物的電流Is會在構(gòu)筑物上產(chǎn)生嚴重的動態(tài)直流干擾。整個地鐵線路有多個變電所為機車供電，且每個供電區(qū)間至少是雙邊供電，機車在運行期間的發(fā)車頻次和單車負荷也是變化的，機車行進過程中鐵軌泄漏電流處對地的接地電阻也會發(fā)生變化，諸多上述不確定的因素導(dǎo)致地鐵雜散電流干擾下管道的管地電位呈現(xiàn)動態(tài)波動特征。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)典型雜散電流回路[1]

目前，極化試片法作為測試管道極化電位的常規(guī)手段，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場陰極保護參數(shù)獲取，由于中斷動態(tài)直流雜干擾效果良好，該方法也普遍應(yīng)用于受地鐵干擾段的陰極保護有效性測試項目中。

極化試片法基于試片與被保護金屬結(jié)構(gòu)斷開，從而消除任意電流源造成的IR降，測得的試片斷電電位非常接近于真實的極化電位。其具體做法如圖2所示，在測試樁位置埋設(shè)與管道相同材質(zhì)的鋼片，與管道同深埋設(shè)，試片通過測試樁與管道直接相連并保證充分極化，測試時將具有通斷功能的數(shù)據(jù)記錄儀（如uDL2）串聯(lián)入管道與試片間的回路，參比電極放置在試片正上方，為排除地電場對參比電極的干擾，參比電極應(yīng)安裝在PVC材質(zhì)的參比管內(nèi)。

圖2 極化試片法測試管道極化電位示意圖

1 極化試片法測試陰極保護參數(shù)過程中存在的問題

在某管道測試樁處采集到的極化試片電位曲線如圖3所示，在現(xiàn)場測試過程中首先要保證試片的充分極化，根據(jù)澳大利亞AS 2832.1-2015 Cathodic protection of metals Part 1: Pipes and cables[2]，對極化試片法測試得到的結(jié)果進行統(tǒng)計：記錄足夠長時間下的管道的陰極極化電位，按照埋地金屬受雜散電流極化時間的長短，將埋地金屬分為短時間極化構(gòu)筑物和長時間極化構(gòu)筑物。對短時間極化、涂層性能良好的金屬構(gòu)筑物而言，電位正于保護準則的時間不應(yīng)超過測試時間的5%；正于保護準則+50mV的時間不應(yīng)超過測試時間的2%；正于保護準則+100 mV的時間不應(yīng)超過測試時間的1%；正于保護準則+850mV的時間不應(yīng)超過測試時間的0.2%。對于長時間受雜散電流極化作用、涂層質(zhì)量不好的埋地金屬構(gòu)筑物，規(guī)定其電位正于保護準則的時間不應(yīng)超過時間的5%。該方法在對現(xiàn)場操作人員而言，存在采集時間長，統(tǒng)計數(shù)據(jù)工作量大，實施難度高等缺點。在使用極化試片法實踐過程中，還存在很多不確定的因素，導(dǎo)致極化試片法測得的結(jié)果并不能真實反映管道的保護狀態(tài)。

圖3 極化試片電位曲線圖

（1）NACE SP0104-2020 The Use of Coupons for Cathodic Protection Monitoring Applications和SY/T 0029-2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，用于測量電位的試片面積宜為6.5～100cm2，3PE防腐層管道宜取下限[2,3]。測試人員在采集管道極化電位過程中，通常采用6.5～10cm2的試片，測得的結(jié)果過于保守，只能反映測試位置類似試片表面積缺陷的陰極保護狀態(tài)，而試片面積選擇過大則有可能改變附近管道的陰極保護狀態(tài)導(dǎo)致結(jié)果錯誤，應(yīng)根據(jù)管道實際防腐層缺陷的大小選擇試片，這樣做將增加測試難度；

（2）采用極化試片法進行電位測試時，通常有兩種埋設(shè)試片的方法，一種是長期永久埋設(shè)，該方法能夠保證試片狀態(tài)與管道保持一致，但試片埋設(shè)環(huán)境若存在Ca2+、Mg2+時，受陰極保護的共同作用，久而久之，試片表面會形成Ca（OH）2、Mg（OH）2沉積物，試片測試電位偏正，導(dǎo)致陰極保護效果誤判。另一種方法是在測試樁附近臨時埋設(shè)試片，經(jīng)過一段時間極化后，測試試片的極化水平，測試完成后將極化試片取出，這種方法的缺點是試片埋設(shè)深度往往較淺，試片和管道所處環(huán)境不同，每處測試點都要埋設(shè)試片，工作量較大，試片極化時間不確定，等待試片完全極化的過程較長，工作效 率低；

（3）試片的極化水平受到土壤含氧量及試片與土壤接觸狀態(tài)的影響較大，含氧量高和土壤電阻率高的沙土環(huán)境下，試片的表面難以實現(xiàn)極化，測得的斷電電位偏正。臨時埋設(shè)的試片周圍土壤結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致試片與土壤的實際接觸面積減小，試片接受陰極保護電流的有效面積減小，平均電流密度降低，測得的極化電位偏正；

（4）通常采用的臨時試片表面都比較平整，邊界相對較規(guī)則，而防腐層缺陷形狀、大小不一，這導(dǎo)致兩者的腐蝕表面并非等效，另外沿管道表面和周邊的電流密度并非是均勻分布的，單個試片只能反映測試點位置的的陰極保護水平；

（5）即便每公里逐樁測試極化試片的斷電電位，仍不能確定遠離測試點位置管道的陰極保護 程度；

（6）不同尺寸和形狀的試片對地電阻不同，即使對于相同裸露表面積的試片，相對于被保護結(jié)構(gòu)物的位置和方向不同仍可以極化到不同水平，測得的結(jié)果存在差異。

2 簡化獲取管道極化電位測試方法的探究

在日常維護工作中采用極化試片法測量管道極化電位，要求測試人員具備較高的陰極保護專業(yè)技能，測試過程中工作量大，規(guī)模開展存在一定難度。

GPS同步中斷法是在為管道提供陰極保護電流的恒電位儀上加裝GPS同步控制的中斷器，同步通斷恒電位儀輸出，達到消除測量回路中陰極保護電流產(chǎn)生的IR降獲取斷電電位的一種方法。因為中斷器不對雜散電流源產(chǎn)生作用，測得的斷電電位無法排除雜散電流干擾的因素，所以這種方法被普遍認為適用于直流雜散電流干擾較輕或不受到直流雜散電流的管道。

通過仿真驗證,在添加了卡爾曼濾波程序后,極大地改善了鎖相環(huán)的輸出,且擴展了鎖相環(huán)可跟蹤的信噪比范圍。通過仿真驗證,本文的算法最大可提取信噪比在-20 dB左右的信號。

國外學(xué)者的研究結(jié)果指出，雖然試片的斷電電位不能夠代表管道的瞬間斷電電位，兩者之間存在分散性，但是如圖4所示兩者相關(guān)性較強[4]。鑒于此，為了給陰極保護日常維護工作減負，通過選取濟南、青島、武漢三條受地鐵直流雜散電流干擾程度不同的航油管道作為研究對象，并根據(jù)干擾的分布情況選取多處測試位置，開展同步通斷法和極化試片法的測試，比較管道在不受地鐵干擾狀況下采用GPS同步中斷法采集的斷電電位、管道受動態(tài)直流干擾條件下采用GPS同步中斷法獲取斷電電位在多個測試周期的平均值和極化試片法測得的試片極化電位，以期找到能夠簡化日常維護測試管道極化電位的方法。

圖4 管道與試片的斷電電位比較[4]

圖5為地鐵干擾狀況下采用GPS同步中斷法在某測試樁處測得的24h通斷電位曲線，從連續(xù)記錄的管地電位動態(tài)變化趨勢看，在地鐵運行的時間段，電位均波動劇烈；當(dāng)?shù)罔F停運時，電位均趨于穩(wěn)定。

圖5 地鐵干擾狀況下采用GPS同步中斷法某測試樁處通斷電位曲線圖

對白天使用GPS同步中斷法采集的斷電電位多個周期的平均值和夜間采集的斷電電位與斷電試片法采集的斷電電位進行對比，三者趨于一致的結(jié)果表明：當(dāng)管道受到動態(tài)直流干擾且正向偏移量與負向偏移量相近時，白天地鐵運行狀態(tài)下采集的管地斷電電位多個周期的平均值可以作為評價管道陰極保護有效性的依據(jù)。

近年國內(nèi)學(xué)者研究結(jié)果表明地鐵雜散電流干擾下管道的管地電位呈周期性波動，受地鐵雜散電流干擾引起的管地通電電位波動周期為0～300s；在地鐵運行時間段，管地通電電位以50～200s時長發(fā)生周期性波動，其中時長為50～150s的周期最多，由于各地環(huán)境與地鐵運營存在差異，各地占總時間比例較大的周期及其具體的占比略有不同[5]。在使用同步中斷法日常測試管道斷電電位過程中計數(shù)時間選取最大周期2倍（大于10min）。

3 地鐵及多重干擾環(huán)境下管道陰極保護有效性測試方法的探究

我國現(xiàn)代化建設(shè)步伐逐漸加快，公共走廊內(nèi)交叉、并行的基礎(chǔ)設(shè)施逐漸增多，埋地管道受到的干擾也逐漸增多，不能僅依靠測試樁位置的極化電位水平來評價管道陰極保護的有效性，否則測試樁之間的管道極容易出現(xiàn)漏測、難以進行有效性評價的情況。在這種背景下，基于GPS同步中斷法的密間隔電位（以下簡稱CIPS）測試結(jié)果評價遠離測試樁位置管道的陰極保護水平有著特殊的優(yōu)勢，在識別干擾源、判定雜散電流流入流出區(qū)間等問題也能凸顯作用。

表1 地鐵干擾下管道同步通斷法和試片法電位統(tǒng)計結(jié)果

圖6 GPS同步中斷法條件下對管道進行CIPS示意圖

對于長輸管道而言，至少在連續(xù)的4個陰極保護站安裝GPS同步斷流器，保證3個站間距內(nèi)管線實現(xiàn)同步中斷，然后對中間站間距管段開展檢測。檢測前，首先確定斷流器通斷周期，在確保在通斷狀態(tài)下陰極保護電源能夠正常工作，在此過程中，應(yīng)在恒電位儀的輸出回路測試電壓的波形曲線，在反饋回路測試通電點位置管地電位的波形曲線，如圖7所示，通過波形判斷選取的檢測周期和延遲時間的合理性。同步監(jiān)測陰極保護系統(tǒng)通電點電位及恒電位儀輸出電流的同時，每2～3米間隔測量管道的管地通斷（On/Off）電位，每個測試樁處測量管道的通/斷電位波形，完成對全線的測量后，評價埋地管道受保護程度，對陰極保護不足管道進行原因分析，并提出解決辦法。

圖7 GPS同步高頻測試輸出電壓和管地電位波形曲線

圖8 CIPS測試使用補償動態(tài)電流干擾管地電位測量方法[1]

若管線受到其他陰極保護站的干擾，為了獲得真正的陰極保護電位數(shù)據(jù)，必須在干擾源的陰極保護系統(tǒng)上分別安裝斷流器，并進行同步設(shè)置，以確保CIPS/DCVG測量數(shù)據(jù)的有效性和真實性。線路與站場處于聯(lián)保狀態(tài)時， 區(qū)域陰極保護電流源上也應(yīng)安裝同步斷流器。

對于陰極保護不足或過保護管道，對恒電位儀輸出參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整，確保受檢測的管段陰極保護處于最佳狀態(tài)。對于受到干擾的管段，詳細調(diào)查數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏離的原因，進而確定干擾源位置和管道受干擾程度。

筆者在檢測某管道期間，發(fā)現(xiàn)一段管道受到多重干擾，開挖結(jié)果如圖9～圖11所示，54#測試樁附近存在嚴重的管體腐蝕，腐蝕坑面積為3×4cm，腐蝕深度達到6.4mm，在管道附近位置埋設(shè)ER腐蝕探頭（圖12），2個月后，ER腐蝕探頭消耗殆盡。

圖9 測試樁附近缺陷點腐蝕

圖10 缺陷點處防腐層

圖11 缺陷點管道腐蝕

圖12 附近ER腐蝕探頭消耗殆盡

為詳查腐蝕原因并確定管道欠保護管段具體位置，采用基于GPS同步中斷法的CIPS法采集該段管道沿 線的斷電 電位，由于管道受到地鐵干擾，測得的斷電電位曲線呈較大幅度的波動，無法使用該數(shù)據(jù)進行陰極保護有效性評價，在測試管段附近設(shè)置固定設(shè)備連續(xù)測試管道的通斷電位，并對CIPS測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)校準，校準后的CIPS結(jié)果如圖14所示，校準后結(jié)果可以確定欠保護管段的范圍和欠保護程度，檢測結(jié)果可以和開挖結(jié)果相互驗證，該實例證明即使在地鐵干擾下，CIPS測試仍然可以有效識別出管道陰極保護不足的區(qū)間。圖中紅色的圓點為極化試片法在測試樁位置獲取的管道極化電位，該數(shù)據(jù)不能夠確定欠保護區(qū)段的范圍，只能顯示測試樁位置是否達到保護標(biāo)準，不能為后續(xù)排流治理提供有效數(shù)據(jù)支撐。

圖13 某管道53～59#測試樁CIPS原始數(shù)據(jù)曲線圖

圖14 某管道53～59#測試樁CIPS校準后數(shù)據(jù)曲線圖

在地鐵干擾環(huán)境下正確使用CIPS評價陰極保護有效性應(yīng)注意如下事項：

（1）同步中斷時，恒電位儀不同的工作模式對其運行狀況存在顯著影響，在測試期間，為保證恒電位儀工作的穩(wěn)定性和測得管道斷電電位的準確性，應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整恒電位儀的工作模式；

（2）通斷周期的選取對同步通斷測試測得數(shù)據(jù)的準確性有較大的影響，斷電時間過短，設(shè)置采集斷電電位的延遲時間不能有效避讓電壓尖峰，過長則會影響恒電位儀斷電后恢復(fù)正常工作時的啟動時間；

（3）通過高頻數(shù)據(jù)記錄儀采集恒電位儀輸出電壓和管地電位的波形可以分析陰極保護電源強制中斷時工作的穩(wěn)定性和采集通斷電位數(shù)據(jù)的延時時間，識別恒電位儀通斷對采集數(shù)據(jù)準確性的影響；

（4）根據(jù)固定數(shù)據(jù)記錄儀采集的數(shù)據(jù)對CIPS數(shù)據(jù)進行校準，盡量排除人為因素和動態(tài)直流干擾的影響，可以使數(shù)據(jù)更具可讀性。

4 結(jié)語

（1）極化試片法對現(xiàn)場操作人員而言，由于需要等待試片充分極化，存在采集時間長，統(tǒng)計數(shù)據(jù)工作量大，實施難度高等弊端，在使用實踐過程中，存在諸多不確定的因素，可能導(dǎo)致測試結(jié)果不能真實反映管道的保護狀態(tài)，且試片法結(jié)果只能顯示測試樁位置陰極保護水平是否達標(biāo)，不能確定欠保護和雜散電流干擾區(qū)間；

（2）當(dāng)管道受到動態(tài)直流干擾且正向偏移量與負向偏移量相同時，白天地鐵干擾狀態(tài)下采集的管地斷電電位正于保護準則的時間占比可以作為評價管道陰極保護有效性的依據(jù)；

（3）對于只受到動態(tài)直流干擾且正向偏移量與負向偏移量相同的管道，GPS同步中斷法可以簡化極化試片法測試管道極化電位的過程，該方法對同等條件下的管道具有普遍適用性，測試結(jié)果可用于指導(dǎo)管道陰極保護日常維護管理；

（4）CIPS測試結(jié)果在確定欠保護和雜散電流干擾區(qū)管段時，值得借鑒，能為后續(xù)采取直流排流設(shè)施提供有效數(shù)據(jù)支撐。