地鐵雜散電流對(duì)城市燃?xì)夤芫€的電化學(xué)腐蝕

馬堅(jiān)生 歐陽開 趙云云 何治新

廣州地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510220

0 前言

城市軌道交通系統(tǒng)是解決城鎮(zhèn)交通擁堵的重要舉措,在城市公共交通中的骨干作用日益凸顯,其中地鐵因其運(yùn)量大、占用空間小、環(huán)保等因素,已經(jīng)成為城市軌道交通系統(tǒng)中的主要組成部分。截至2020年底,我國累計(jì)城市軌道交通運(yùn)營線路達(dá)到247條,累計(jì)共有40個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營,運(yùn)營線路達(dá)到7 978.19 km，其中2020年新增線路36條。在地鐵運(yùn)營過程中,地鐵雜散電流腐蝕現(xiàn)象不容忽視。地鐵雜散電流會(huì)對(duì)埋地金屬管線造成電化學(xué)腐蝕,是地鐵系統(tǒng)建設(shè)以及后期運(yùn)營中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。在受到雜散電流腐蝕影響的管線中,燃?xì)夤芫€因其在城鎮(zhèn)區(qū)域分布最廣,所受雜散電流腐蝕危害最大。

1 地鐵雜散電流成因及其分布

1.1 雜散電流的成因

地鐵雜散電流,是指由于回流系統(tǒng)絕緣性能下降而泄漏至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、土壤環(huán)境等的部分牽引電流[1],見圖1。地鐵雜散電流在流入地下環(huán)境的過程中會(huì)形成在排流網(wǎng)、地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋中流動(dòng)的一次雜散電流,以及未經(jīng)收集而流入土壤電解質(zhì)中的二次雜散電流[2]。由于雜散電流泄漏點(diǎn)具有高度的不確定性,因此雜散電流具有流向和幅值復(fù)雜多變的基本特點(diǎn)。雜散電流受多種因素的影響,其中走行軌的過渡電阻、縱向電阻是影響雜散電流泄漏量的重要參數(shù),而機(jī)車位置和對(duì)應(yīng)的牽引電流大小則在很大程度上影響了雜散電流的分布規(guī)律。CJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定:兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過渡電阻值,對(duì)于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω·km[3]。在此基礎(chǔ)上,CJJ 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)一步規(guī)定了軌道絕緣件體積電阻率不應(yīng)小于1×108Ω·m,單個(gè)軌枕的金屬連接件與走行軌、地之間的絕緣電阻值不應(yīng)小于1 MΩ/件,濕電阻值不應(yīng)小于100 kΩ/件[4]。在實(shí)際地鐵運(yùn)營過程中,所測量的過渡電阻值常出現(xiàn)低于3 Ω·km的情況,尤其是在道床潮濕、絕緣扣件上布有鐵屑、油污或軌道絕緣存在破損點(diǎn)時(shí),雜散電流泄漏量會(huì)進(jìn)一步增加。雖然部分雜散電流經(jīng)過排流網(wǎng)的排流處理后會(huì)流向牽引變電所負(fù)母極,但排流網(wǎng)的排流效率受土壤電阻率、濕度等環(huán)境因素影響較大[5],因此不可能將全部泄漏電流引回至負(fù)母極,仍有部分電流會(huì)泄漏至地下土壤環(huán)境中。

圖1 地鐵雜散電流形成機(jī)理圖Fig.1 The formation mechanism of metro stray current

走行軌接地方式對(duì)雜散電流泄漏量有較為明顯的影響。懸浮接地能夠有效解決雜散電流問題,但會(huì)導(dǎo)致鋼軌電位異常升高;直接接地能夠解決鋼軌電位過高的問題,但會(huì)導(dǎo)致雜散電流泄漏量增加;二極管接地方法對(duì)于減少雜散電流和抑制鋼軌電位均有一定的作用[6]。以下三類情況同樣會(huì)增加雜散電流的泄漏量:牽引變電所設(shè)置的排流裝置(RD)或鋼軌電位限制裝置(OVPD),根據(jù)動(dòng)作特性不同接入大地或排流網(wǎng);地鐵線路中存在過江、過河隧道,以及穿越地下水含量豐沛的區(qū)域等,會(huì)使得隧道周圍環(huán)境易于導(dǎo)電;車輛段區(qū)域使用有砟軌道代替無砟軌道,石渣的絕緣性能遠(yuǎn)低于整體式混凝土道床。目前地鐵系統(tǒng)仍大規(guī)模使用走行軌作為回流方式,雜散電流泄漏仍然是關(guān)系到地鐵系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)營的關(guān)鍵性問題。

1.2 雜散電流分布理論模型

雜散電流的分布特性決定了其對(duì)埋地管線、混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕失重分布特點(diǎn),因此眾多學(xué)者對(duì)于雜散電流分布問題進(jìn)行了相關(guān)研究,并提出了一系列的雜散電流分布解算理論模型。雜散電流泄漏量可通過式(1)～(2)估算[7]。

走行軌懸浮:

(1)

走行軌接地:

(2)

式中:Istray為雜散電流泄漏量，A;I為牽引電流,A;Rt為走行軌縱向電阻,Ω·km;Rc為走行軌對(duì)地過渡電阻,Ω·km;L為牽引區(qū)間長度,km。

為進(jìn)一步探究雜散電流在牽引區(qū)間內(nèi)的分布規(guī)律,國內(nèi)外學(xué)者提出了以電阻網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)的雜散電流分布模型,電阻網(wǎng)絡(luò)模型是目前最常用的雜散電流理論模型之一,該模型將軌道、排流網(wǎng)、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地金屬管線等縱向結(jié)構(gòu)抽象為等值電阻串聯(lián)的電路,而將縱向結(jié)構(gòu)之間的連接抽象為以Δx為基本單位長度的橫向并聯(lián)電路,從而模擬雜散電流在各層導(dǎo)體之間的泄漏過程。根據(jù)邊界條件的不同[8]、機(jī)車數(shù)量的變化[9]、是否考慮再生制動(dòng)現(xiàn)象[10]和跨區(qū)間供電[11]等多種因素,電阻網(wǎng)絡(luò)模型在近幾年內(nèi)有了進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果,雜散電流在區(qū)間內(nèi)基本呈現(xiàn)雙曲線的分布規(guī)律(雙邊供電),見圖2。盡管如此,雜散電流的分布情況仍會(huì)因?yàn)闄C(jī)車位置的不同、牽引電流大小的差異和區(qū)間內(nèi)電氣參數(shù)的波動(dòng)變化等因素而具有極大的不確定性。

雜散電流泄漏場模型以雜散電流單點(diǎn)泄漏所造成的電流場為基本單位,通過其在區(qū)間長度方向上的積分處理解算,從而得以探究埋地管線雜散電流流出量、不均勻過渡電阻下雜散電流分布和泄漏電流的電位梯度等特殊問題[12],見圖3。軌道縱向電阻是影響雜散電流泄漏量的關(guān)鍵參數(shù),但在雜散電流泄漏場模型中不能得以體現(xiàn),因此雜散電流泄漏場模型仍存在著一定的局限性。除理論模型之外,國內(nèi)外學(xué)者通過基于ANSYS、CDEGS、COMSOL等計(jì)算平臺(tái)搭建仿真模型,分析了雜散電流泄漏量在地鐵隧道各組成結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布比例[13]、土壤電阻率分布規(guī)律對(duì)雜散電流泄漏量的影響[14]、雜散電流對(duì)隧道管片鋼筋結(jié)構(gòu)的腐蝕危險(xiǎn)性[15]、雜散電流腐蝕失重分布[16]、中性點(diǎn)直流電流漂移[17]等問題。

圖2 基于電阻網(wǎng)絡(luò)模型的雜散電流理論分布規(guī)律圖Fig.2 Theoretical distribution of stray current based onresistive network model

圖3 感應(yīng)電場雜散電流模型圖Fig.3 Stray current model based on induced electric field

2 城市燃?xì)夤芫€布置特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)

根據(jù)城市燃?xì)夤芫€的用途,將其分為工業(yè)燃?xì)夤芫€、長距離燃?xì)夤芫€和城市燃?xì)廨斉涔芫€三種類型。目前,我國的城市燃?xì)夤芫€從埋設(shè)開始至今大多使用了10～30年,正處于事故率浴盆曲線的后期階段,燃?xì)夤艿佬孤┦鹿事瘦^高,城市燃?xì)夤芫€面臨著嚴(yán)重的老化問題[18]。城市燃?xì)夤芫€一般采取直埋的方式布置在城市道路下,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為環(huán)狀和枝狀分布,閥門、三通、凝水缸等管件密布,管道變徑現(xiàn)象較為普遍。城市燃?xì)夤艿劳ǔ２皇且淮涡匀拷ǔ傻?常常隨著城市區(qū)域的擴(kuò)展而不斷拓展,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參差不一且質(zhì)量缺陷較多[19]。城市燃?xì)夤芫€與長輸油管線的地下環(huán)境有著顯著的區(qū)別,城市地下環(huán)境由于存在著各種金屬結(jié)構(gòu)且地鐵線路密布,電氣環(huán)境較為復(fù)雜,導(dǎo)致引起電化學(xué)腐蝕的激勵(lì)信號(hào)常常呈現(xiàn)出突變的特點(diǎn)。

對(duì)于大口徑的燃?xì)夤艿纴碚f,一般采用對(duì)接直焊縫鋼管和螺旋焊縫鋼管;當(dāng)管徑小于250 mm時(shí),燃?xì)夤艿酪话悴捎脽o縫鋼管;在輸送高壓燃?xì)鈺r(shí)選用鋼管,而在輸送燃?xì)鈮毫π∮?.4 MPa時(shí),球墨鑄鐵管逐漸成為了材質(zhì)上的優(yōu)先選擇[20]。與長距離輸送管線相比,城市燃?xì)夤芫€的操作壓力和管徑都相對(duì)較小。城市燃?xì)夤芫€敷設(shè)于地下,因此管壁在受到操作壓力的作用的同時(shí)還受到上方填土的重力作用。北京燃?xì)饧瘓F(tuán)某公司統(tǒng)計(jì)了2015年燃?xì)夤芫W(wǎng)搶修數(shù)據(jù),其中因腐蝕漏氣造成的管網(wǎng)搶修占比63.64%[21]。由于燃?xì)夤芫€常常敷設(shè)于人口密度較大的區(qū)域,一旦因腐蝕發(fā)生泄漏事故,極易引起爆燃,從而造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)城市燃?xì)夤芫€的工況特點(diǎn),燃?xì)夤芫€雜散電流腐蝕即為多因素共同作用下外界激勵(lì)信號(hào)誘導(dǎo)的電化學(xué)腐蝕問題。

3 雜散電流對(duì)燃?xì)夤艿赖碾娀瘜W(xué)腐蝕

在城市燃?xì)夤艿琅c地鐵線路交叉或相距較近的情況下,雜散電流對(duì)其腐蝕作用愈發(fā)明顯,對(duì)地鐵系統(tǒng)及其周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的安全威脅。城市燃?xì)夤芫€泄漏后會(huì)釋放出大量燃?xì)?由于燃?xì)鉃闃O易燃燒的介質(zhì),因管道腐蝕穿孔而造成泄漏很可能引發(fā)爆炸事故,所以燃?xì)夤芫€的事故危險(xiǎn)性要遠(yuǎn)高于一般水管等市政管道事故的危險(xiǎn)性。根據(jù)現(xiàn)有研究文獻(xiàn)和相關(guān)新聞,國內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于市政管道,尤其是燃?xì)夤艿离s散電流腐蝕的報(bào)道。上海軌道交通2號(hào)線世紀(jì)大道沿線地下DN300鋼管線在2008年之前已發(fā)生近10次腐蝕泄漏事故,造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200萬元[22]。廣州燃?xì)夤窘y(tǒng)計(jì)了每年中壓管網(wǎng)的腐蝕搶修量,1999年地鐵開通后,中壓管網(wǎng)搶修量激增且一直處于高發(fā)狀態(tài)[23]。Zakowski K等人[24]報(bào)道了Krakow市一根地下DN300水管由于雜散電流影響而發(fā)生電化學(xué)腐蝕,在管道分支開始部位的機(jī)械劃痕中發(fā)現(xiàn)了由于雜散電流干擾所造成的圓形空腔形狀金屬損失,機(jī)械劃痕和電解腐蝕的共同作用使得剩余壁厚僅剩50%。

雜散電流腐蝕具有集中性強(qiáng)、腐蝕劇烈的特點(diǎn),在宏觀上表現(xiàn)為管線表面的腐蝕凹陷、穿孔。受腐蝕金屬的基底表面會(huì)附著有黑色、紅褐色的腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物具有多孔、滲透性較低的特點(diǎn),受雜散電流腐蝕后的金屬表面呈現(xiàn)出了一定的分形特征。王燕等人[25]通過研究涂層破損情況下雜散電流對(duì)Q235、16 Mn和X70鋼的腐蝕作用,表明三種金屬腐蝕形貌的分形維數(shù)均隨涂層破損率的減小和雜散電流的增加而增加,因此分形維數(shù)能夠定量表征雜散電流腐蝕形貌。王力偉等人[26]基于分形理論研究了雜散電流腐蝕形貌,發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與腐蝕速率量化腐蝕程度具有一致性,且在一定范圍內(nèi)分形維數(shù)與腐蝕速率呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,并擬合出了分形維數(shù)與雜散電流密度、土壤酸堿度和土壤電導(dǎo)率的關(guān)系,可以作為評(píng)價(jià)腐蝕程度的量化指標(biāo)。根據(jù)Qin H M等人[27]的研究結(jié)果可知,雜散電流激勵(lì)信號(hào)的不同特征會(huì)導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的成分有一定的區(qū)別，總體來說雜散電流的腐蝕產(chǎn)物主要包括Fe3O4、γ-FeOOH、Fe2O3和Fe(OH)2等。雜散電流腐蝕后的金屬基底在微觀形貌上呈現(xiàn)出點(diǎn)蝕形貌和均勻腐蝕形貌共存的特點(diǎn),金屬表面會(huì)隨著腐蝕的加劇而逐漸變得暗淡粗糙,電解質(zhì)中氯離子濃度的上升能夠明顯加深基底表面的點(diǎn)蝕程度。Qian S等人[28]通過研究雜散電流腐蝕過程陰極與陽極電解質(zhì)溶液附近pH值的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)雜散電流使得陽極區(qū)和陰極區(qū)的pH值分別呈現(xiàn)出減小和增大的規(guī)律。

目前關(guān)于穩(wěn)態(tài)雜散電流的腐蝕機(jī)理已經(jīng)較為成熟,根據(jù)Bertolini L[29]、譚建紅[30]、Wang J[31]等人的研究結(jié)果,雜散電流從埋地管線絕緣破損或薄弱部分流入土壤而形成陰極區(qū),在管道內(nèi)流動(dòng)直至從涂層破損處流入電解質(zhì)形成陽極區(qū),陽極區(qū)為雜散電流腐蝕失重的部分。雜散電流由于機(jī)車位置和牽引電流大小的不斷變化而發(fā)生幅值和頻率的隨機(jī)變動(dòng),導(dǎo)致埋地金屬陰極區(qū)域和陽極區(qū)域交替變化,因此能夠模擬這一特性的交流雜散電流和具備一定規(guī)律的動(dòng)態(tài)雜散電流逐漸成為雜散電流腐蝕規(guī)律和機(jī)理的研究熱點(diǎn)。楊燕等人[32]研究了交流電對(duì)X70鋼表面形態(tài)和電化學(xué)行為的影響,在交流電正半周期內(nèi)金屬陽極溶解電流密度的增大量高于負(fù)半周期內(nèi)的減小量,并認(rèn)為正、負(fù)半周期的極化不對(duì)稱性誘發(fā)了金屬的腐蝕。Jiang Z T等人[33]研究了交流雜散電流腐蝕下陰極與陽極電極面積差對(duì)腐蝕速率的影響,發(fā)現(xiàn)該面積差會(huì)在陰極與陽極間產(chǎn)生感應(yīng)直流電流,小面積試樣上的感應(yīng)電流為陽極電流,大面積試樣上的感應(yīng)電流為陰極電流,這一現(xiàn)象使得小面積試樣腐蝕速率減慢，大面積試樣腐蝕速率加快。Wang L W等人[34]研究了交流電壓影響下X80和X100鋼在0.1 mol/L NaCl溶液中的極化特性和固/液界面結(jié)構(gòu),表明陽極塔菲爾斜率會(huì)隨著交流幅值的增加而上升,在施加低幅值的交流電壓時(shí),陰極過程處于擴(kuò)散控制之下;隨著交流電壓幅值的升高,X100鋼的腐蝕電位和腐蝕速率均高于X80鋼的腐蝕電位和腐蝕速率。再進(jìn)一步,通過測量燃?xì)夤芫€內(nèi)雜散電流并提取其主要特征重構(gòu)信號(hào),以此作為電化學(xué)腐蝕研究的信號(hào)激勵(lì),能夠有效反映埋地燃?xì)夤芫€的真實(shí)腐蝕情況。

燃?xì)夤芫€通常有一定的操作壓力,管線中上表面會(huì)同時(shí)受到土壤重力的作用,現(xiàn)有研究結(jié)果表明外加應(yīng)力和因缺陷所導(dǎo)致的應(yīng)力集中會(huì)加劇金屬的腐蝕程度。Wang X H等人[35]通過研究雜散電流與應(yīng)力對(duì)API X65鋼在土壤模擬溶液中的腐蝕影響,表明應(yīng)力和雜散電流協(xié)同作用下的腐蝕電流密度遠(yuǎn)高于單因素(應(yīng)力或雜散電流)作用下的腐蝕電流密度,且雜散電流與應(yīng)力相比在彈性變形范圍內(nèi)對(duì)API X65鋼腐蝕速率的影響更為顯著。Xu L Y等人[36]首次提出了石油管線應(yīng)力與電化學(xué)耦合作用(M-E效應(yīng))的有限元模型,分析了管道上缺陷處局部應(yīng)力集中和腐蝕反應(yīng)的協(xié)同作用,發(fā)現(xiàn)M-E效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致缺陷處的應(yīng)力集中和陽極電流密度隨時(shí)間快速增加,且腐蝕缺陷的局部應(yīng)力和陽極電流密度隨時(shí)間的變化可分為三個(gè)階段:線彈性階段、輕微塑性變形階段和高局部塑性變形階段,每個(gè)階段對(duì)應(yīng)了不同的增長規(guī)律。因此,分析燃?xì)夤芫€的雜散電流腐蝕作用與應(yīng)力耦合行為具有重要的理論和實(shí)踐意義。

腐蝕預(yù)測技術(shù)為燃?xì)夤芫€等重要金屬構(gòu)件提供了采取預(yù)防措施和避免突發(fā)事故的機(jī)會(huì),在地鐵雜散電流腐蝕難以完全消除和避免時(shí),能夠描述腐蝕發(fā)展程度的預(yù)測技術(shù)就顯得十分有用[37-38]。腐蝕預(yù)測效果依賴于腐蝕數(shù)據(jù)獲取、腐蝕特征量化精確度、腐蝕數(shù)據(jù)處理方法等。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)雜散電流腐蝕問題進(jìn)行了相關(guān)的預(yù)測問題研究,并利用改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、灰色理論等方法建立了一系列預(yù)測模型,腐蝕預(yù)測量化參數(shù)包括腐蝕電流密度[39]、極化電位[40]、管線內(nèi)雜散電流密度[41]等。目前城市燃?xì)夤芫€的雜散電流腐蝕預(yù)測研究還較少,有待進(jìn)一步開展。

4 雜散電流腐蝕監(jiān)檢測與防護(hù)

4.1 燃?xì)夤芫€雜散電流腐蝕監(jiān)檢測技術(shù)

城市燃?xì)夤芫€是和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)共同規(guī)劃管理的,一旦建成,城市道路不允許隨意開挖,因而無法直接獲取當(dāng)前腐蝕狀態(tài)。鑒于此,多種間接監(jiān)檢測方法被用于城市燃?xì)夤芫€的外腐蝕監(jiān)檢測之中,為合理實(shí)施管道檢修計(jì)劃并及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道腐蝕隱患提供了有效信息,便于工程人員對(duì)含有腐蝕缺陷的在役管道制定針對(duì)性的控制措施,避免腐蝕缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)大最終釀成危險(xiǎn)事故。

4.1.1 極化電位監(jiān)測法

極化電位作為電化學(xué)腐蝕過程中的重要參數(shù),直接反映了電化學(xué)腐蝕的劇烈程度。在極化電位為正的情況下,其值越大,則相同環(huán)境下所發(fā)生的電化學(xué)腐蝕越強(qiáng)烈。在工程實(shí)踐中,通常采用Cu/SuSO4、Mo/MoO2等作為長效參比電極的化學(xué)反應(yīng)物,長效參比電極通常沿城市燃?xì)夤芫€等距布置,并盡可能固定在與燃?xì)夤芫€較近的位置。一種分布式計(jì)算機(jī)極化電位監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。同時(shí),極化電位監(jiān)測法存在以下缺點(diǎn):極化電位監(jiān)測結(jié)果非常依賴參比電極反應(yīng)物的特性,不同反應(yīng)物組成的參比電極監(jiān)測結(jié)果可能不同;由于IR降的存在,極化電位測量結(jié)果與真實(shí)值之間有一定的差異[42];參比電極需在燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)時(shí)一同埋置,很多城市內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)在敷設(shè)時(shí)并未加入?yún)⒈入姌O作為監(jiān)測裝置;參比電極在長時(shí)間使用過程中由于反應(yīng)物不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的性能下降,難以進(jìn)行替換。受限于參比電極沿管線布置數(shù)量,通過極化電位監(jiān)測結(jié)果能夠確定絕緣破損范圍,但無法精確定位其位置。盡管如此,極化電位監(jiān)測法依然是燃?xì)夤芫€及其他市政管線腐蝕監(jiān)測的主要手段之一。

圖4 分布式計(jì)算機(jī)極化電位監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Framework of distributed computer polarization potentialmonitoring system

4.1.2 變頻選頻法

變頻選頻法測試管道外防腐層的絕緣電阻,主要用于評(píng)價(jià)管道防腐層綜合保護(hù)性能,通過被測管路的某個(gè)測試樁向管體和大地加載一定功率的交流信號(hào),在另一測試樁處檢測管體與大地之間同一頻率的信號(hào),通過改變收發(fā)頻率直到接收功率下降至發(fā)射功率的5%以下時(shí),利用金屬管外徑、防腐層絕緣材料損耗角正切、角頻率、壁厚、管體長度等參數(shù)計(jì)算管道絕緣電阻。數(shù)據(jù)處理時(shí),僅需要把防腐層絕緣電阻看成一次參數(shù)。因而,絕緣電阻的值就可看作對(duì)地電位與泄漏點(diǎn)電流密度之比,進(jìn)而可以依次推導(dǎo)破損點(diǎn)的位置[43-44]。

4.1.3 地中電位梯度法

GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[45](以下簡稱GB 50991—2014)中規(guī)定了雜散電流干擾評(píng)價(jià)方法:在管道擬經(jīng)路線兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)所測量地電位梯度判斷土壤中雜散電流的強(qiáng)弱,在地電位梯度>0.5 mV/m時(shí),應(yīng)確認(rèn)存在雜散電流;在地電位梯度≥2.5 mV/m時(shí),需評(píng)估在管道敷設(shè)后的雜散電流腐蝕并采取相關(guān)防護(hù)措施。該方法主要針對(duì)燃?xì)夤艿婪笤O(shè)的預(yù)期規(guī)劃和腐蝕預(yù)防措施,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)在役管道的精確腐蝕評(píng)估。

4.1.4 Pearson測試技術(shù)

Pearson測試技術(shù)是一種用于在埋地管線上確定涂層缺陷位置的技術(shù),最初由Pearson J M在1941年發(fā)明,是用于評(píng)估管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)狀況最古老的在線測試技術(shù)之一。與磁場測試方法類似,Pearson測試技術(shù)同樣利用了管內(nèi)交變電流在缺陷或涂層破損處發(fā)生明顯衰減的現(xiàn)象,缺陷處流入土壤中的電流會(huì)在破損點(diǎn)上方形成電流場,通過測試土壤中電位梯度的變化即可確定涂層破損的位置。Pearson檢測儀由管道探測儀、檢漏儀、發(fā)射機(jī)及附件組成,管道探測儀用以查明管道的走向、位置,檢漏儀用來發(fā)現(xiàn)管道的防腐層破損并定位。發(fā)射機(jī)用來發(fā)射特定頻率的交流電信號(hào)[46]。在實(shí)際檢測中,需要兩名工作人員前后成列在管道上方行走,當(dāng)工作人員行至泄漏點(diǎn)上方時(shí),接收機(jī)就會(huì)報(bào)警,進(jìn)而定位具體位置,見圖5。

圖5 Pearson測試技術(shù)檢測防腐層破損點(diǎn)圖Fig.5 Pearson method to detect the damaged pointof corrosion protection layer

4.1.5 密間歇電位測試技術(shù)

密間歇電位測試技術(shù)是一種測量用于評(píng)估金屬管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的方法,同時(shí)能夠確定可能存在涂層缺陷的區(qū)域。該方法通過以不超過1 m的間隔測量Cu/CuSO4參比電極測量管地電位(包含通電電位和去除IR降的瞬時(shí)斷開電位)。為保證將影響管道的所有電流源同時(shí)中斷以消除IR降的影響,管道電氣部分需安裝GPS同步電流斷續(xù)器。通電電位和瞬時(shí)斷開電位的下降表明在此處存在著一定程度的涂層缺陷,下降值越大則缺陷程度可能越嚴(yán)重[47]。

4.1.6 電化學(xué)方法

燃?xì)夤芫€的雜散電流腐蝕通過電化學(xué)過程發(fā)生,通過電化學(xué)方法能夠直接監(jiān)測極化電阻、阻抗譜等參數(shù)從而反映具體腐蝕過程。線性極化電阻測試是基于Stearn-Geary理論[48]進(jìn)行的,已廣泛應(yīng)用于腐蝕監(jiān)測,與極化電位監(jiān)測方法不同的是,線性極化電阻測試能夠直接提供有關(guān)腐蝕速率的信息。線性極化電阻測試方法反映的是當(dāng)下的腐蝕情況,無法反映未來腐蝕速率的變化趨勢(shì)或當(dāng)前腐蝕速率變化規(guī)律,但能夠快速確定由于外界環(huán)境因素變化所導(dǎo)致的腐蝕速率變化情況。線性極化電阻測試法的局限性主要在于不能確定處于陰極保護(hù)下的埋地管線的腐蝕速率,且要求土壤環(huán)境具備一定的導(dǎo)電性。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)是通過不同頻率的小幅值交流信號(hào)測量腐蝕系統(tǒng)的電流反應(yīng),通過電化學(xué)阻抗譜所獲得的極化電阻能夠去除IR降的影響,因此能夠用于包含涂層的燃?xì)夤芫€的腐蝕監(jiān)測,并評(píng)估涂層的完整性。在評(píng)估腐蝕系統(tǒng)阻抗時(shí),通常采用等效電路的方法擬合阻抗譜的奈奎斯特圖和伯德圖以反映腐蝕系統(tǒng)的阻抗成分。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)不斷發(fā)展,被越來越多工程測試人員所接受,逐漸成為一種新型腐蝕監(jiān)測方法。

4.1.7 其他技術(shù)

針對(duì)腐蝕缺陷所產(chǎn)生的裂紋,目前最合適可行的技術(shù)是采用超聲波檢測技術(shù)、磁通泄漏現(xiàn)象進(jìn)行無損檢測。超聲波檢測技術(shù)通過缺陷處部分波會(huì)被反射回檢測點(diǎn)這一現(xiàn)象來分析構(gòu)件的物理結(jié)構(gòu)狀況,目前以WaveMarker、Teletest和MsSR3030等導(dǎo)波檢測系統(tǒng)為代表。磁通泄漏測試技術(shù)則利用了管道缺陷處磁場會(huì)發(fā)生變化這一現(xiàn)象,在測試時(shí)從測試樁向管道發(fā)射某一頻率的電流,在管道某處發(fā)生防腐涂層破損、老化甚至金屬表面出現(xiàn)缺陷時(shí),此處的電流衰減現(xiàn)象就會(huì)變得更加明顯,在此處的傳感器所測得的磁通密度或磁通量較高,通過監(jiān)測管道在長度方向上磁場的變化,就能夠定位管道出現(xiàn)絕緣破損的位置,進(jìn)而能夠開挖進(jìn)行涂層修復(fù)等相關(guān)防護(hù)處理。

光纖技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于檢測管線腐蝕,Zou L等人[49]設(shè)計(jì)了一種光纖傳感系統(tǒng)用于測量換向和軸向應(yīng)力,并以此作為檢測由于腐蝕導(dǎo)致管壁減薄位置的一種手段。Wade S A等人[50]研究了光纖上所沉積金屬薄膜的腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)在發(fā)生薄膜腐蝕時(shí),纖維上的應(yīng)力會(huì)隨之發(fā)生變化,進(jìn)而又會(huì)導(dǎo)致光纖的光學(xué)特性發(fā)生變化。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功用于檢測鋁的海水腐蝕。這一技術(shù)完全適用于埋地管線的腐蝕監(jiān)測。城市燃?xì)夤芫€地下環(huán)境復(fù)雜且有一定的腐蝕性,光纖技術(shù)能夠有效抗電磁干擾且有著良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣特性,是腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域尤其是燃?xì)夤芫€腐蝕監(jiān)測領(lǐng)域的未來發(fā)展方向之一。

4.2 燃?xì)夤芫€腐蝕防護(hù)技術(shù)

城市燃?xì)夤芫€腐蝕防護(hù)技術(shù)主要包括外防腐技術(shù)、陰極保護(hù)技術(shù)、分段電絕緣以及其他從腐蝕源頭進(jìn)行治理的間接防護(hù)技術(shù),結(jié)合燃?xì)夤芫€周圍土壤環(huán)境的差異,防護(hù)方法在工程實(shí)踐中會(huì)有所調(diào)整,通常會(huì)結(jié)合多種方法以達(dá)到更好的腐蝕治理效果。

4.2.1 外防腐技術(shù)

目前燃?xì)夤艿赖姆栏瘜又饕ㄓ袡C(jī)和無機(jī)防腐涂層兩種。有機(jī)防腐涂層主要包括:石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青、熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)、聚乙烯膠帶(PE)、三層結(jié)構(gòu)聚乙烯(3PE)和聚氧酯等。無機(jī)防腐涂層在近年來得到了廣泛重視,諸如陶瓷涂層、釉涂層等。無機(jī)防腐蝕涂層較有機(jī)涂層具備更高的穩(wěn)定性,且抗氧化、耐高溫效果更好。Wang X H等人[51]研究了3.5%氯化鈉溶液中X80鋼表面3 PE涂層的陰極剝離行為,研究結(jié)果表明涂層剝離面積隨著陰極電流的增大而增加,且存在一個(gè)陰極的臨界電流密度,在雜散電流密度小于陰極電流密度時(shí),涂層剝離面積受雜散電流密度影響,而當(dāng)雜散電流密度小于陰極電流密度時(shí),涂層剝離面積不隨雜散電流變化而變化。防腐涂層材料在涂覆過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)針孔狀的漏涂現(xiàn)象進(jìn)而形成針孔缺陷,在運(yùn)輸、敷設(shè)過程缺陷會(huì)進(jìn)一步加大,成為燃?xì)夤艿婪圻^程中的安全隱患。

燃?xì)夤艿辣匾獣r(shí)還需設(shè)置套管,GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[52]中指出:穿越鐵路或二級(jí)及以上公路時(shí),應(yīng)采用頂進(jìn)套管、頂進(jìn)箱涵或水平定向鉆穿越方式。在套管和芯管間一般使用硅酸鈣、玻璃棉、石棉等進(jìn)行填充來隔離腐蝕介質(zhì),見圖6。在采用套管防腐時(shí)為避免其失效,同時(shí)應(yīng)注意套管的腐蝕防護(hù),通常采取陰極保護(hù)措施以減緩腐蝕速度。

圖6 燃?xì)夤芫€外套管防腐技術(shù)示意圖Fig.6 Corrosion protection technology of outer casingfor gas pipeline

4.2.2 陰極保護(hù)技術(shù)

陰極保護(hù)是基于電化學(xué)方法的保護(hù)技術(shù),通過對(duì)電解質(zhì)中金屬施加陰極電流使受保護(hù)金屬表面產(chǎn)生陰極極化,使其低于某一電位值(通常為-0.85 V vs.CSE),進(jìn)而彌補(bǔ)在腐蝕過程中所失去的電子達(dá)到防腐的效果。陰極保護(hù)是通過活化極化、氧氣的還原過程以及與鋼表面pH值升高相關(guān)的濃度極化得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其產(chǎn)生陽極電流的不同,主要分為犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極法需要在管線敷設(shè)過程中預(yù)先埋置還原性較強(qiáng)的金屬作為反應(yīng)陽極,缺點(diǎn)是不適用于高電阻率的土壤環(huán)境且無法調(diào)節(jié)輸出電流值,由于金屬的消耗導(dǎo)致壽命較短。外加電流法主要通過恒電位儀施加電流大小以達(dá)到合適的陰極保護(hù)效果,缺點(diǎn)是對(duì)鄰近的金屬結(jié)構(gòu)干擾較大。目前陰極保護(hù)電流主要處于20～1 000 mA/m2范圍內(nèi)[53]。城市內(nèi)部管線交叉現(xiàn)象多見,不同管線陰極保護(hù)電位不同會(huì)導(dǎo)致管線間的電偶腐蝕。為了減少電偶腐蝕,在陰極保護(hù)防腐的過程當(dāng)中應(yīng)盡量統(tǒng)一調(diào)節(jié)區(qū)域性的陰極保護(hù)電位。與此同時(shí),現(xiàn)有研究表明在交流腐蝕的條件下,過高的陰極保護(hù)水平反而會(huì)導(dǎo)致金屬管線的腐蝕速率升高[54]。

Cui G等人[55]通過邊界元法準(zhǔn)確模擬了兩根管道間的陰極保護(hù)干擾,分析了管道交叉角、管道水平距離、陽極輸出電流和土壤電阻率等因素對(duì)管道電位的影響。根據(jù)Wang C T等人[56]的研究結(jié)果來看,牽引區(qū)間兩端變電所附近是腐蝕高發(fā)區(qū)域,因此其附近敷設(shè)的燃?xì)夤芫€需要結(jié)合雜散電流泄漏情況調(diào)整陰極保護(hù)電位以增強(qiáng)保護(hù)效果。Brenna A等人[57]設(shè)計(jì)了一種基于電流檢測的雜散電流控制方法,鑒于在雜散電流干擾期間土壤中的IR降保持恒定,該方法通過測量流經(jīng)探針的電流并計(jì)算其變化率進(jìn)而調(diào)整恒電位儀的輸出,以達(dá)到消除恒電位儀在恒電位模式下IR降的影響。

對(duì)于交流雜散電流干擾下的埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位,國內(nèi)外學(xué)者已形成一個(gè)共識(shí),即過高或過低的陰極保護(hù)電位都會(huì)加速交流腐蝕。與此同時(shí),有學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位-0.85 V vs.CSE下仍然會(huì)發(fā)生交流腐蝕現(xiàn)象[58]。因此需要從交流電流密度、陰極電流密度等多角度評(píng)估交流雜散電流對(duì)埋地管線的腐蝕狀況[59]。

4.2.3 分段電絕緣

GB/T 21448—2017《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[60]中提出:陰極保護(hù)管道在雜散電流影響區(qū)可安裝電絕緣裝置分段隔離。在管道段與段連接處可采用絕緣法蘭、絕緣墊圈,以達(dá)到隔離相鄰管段之間雜散電流流動(dòng)的效果,見圖7。絕緣法蘭墊片一般采用聚四氟乙烯、耐油橡膠石棉、氯丁橡膠等材料制造。

圖7 埋地燃?xì)夤芫€的分段電氣絕緣措施圖Fig.7 Sectional electrical insulation measures forburied gas pipelines

4.2.4 其他間接防護(hù)技術(shù)

雜散電流是城市燃?xì)夤芫€電化學(xué)腐蝕的主要來源,因此降低地鐵系統(tǒng)內(nèi)雜散電流泄漏量能夠間接減少其對(duì)燃?xì)夤芫€的腐蝕影響。在地鐵系統(tǒng)內(nèi)部,主要通過排流保護(hù)方式減少地鐵運(yùn)營過程中雜散電流的泄漏。GB 50991—2014提到了四種排流保護(hù)方式,即直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流和接地排流。前三種排流方式需要將走行軌與埋地管線相連接,一方面雜散電流回路電阻的下降導(dǎo)致了埋地管線雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的增大,另一方面可能會(huì)對(duì)地鐵系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)造成干擾,目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是接地排流。Ha Y C等人[61]通過調(diào)查首爾8條地鐵線路和埋地管線間共99處排流裝置的排流電流和管地電位,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制排流的效果要優(yōu)于極化排流,強(qiáng)制排流能夠吸收更多的泄漏電流且管地電位更低。高玉珍等人[62]選取上海天然氣主干網(wǎng)與軌交平行的情況進(jìn)行極性排流實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)管道側(cè)通電電位和極化電位均有明顯的負(fù)移,排流后的極化電位測量值低于-0.85 V且0～18 A的排流電流對(duì)軌地電位無明顯影響,從而基本達(dá)到了天然氣管道的腐蝕防護(hù)要求。

地鐵系統(tǒng)內(nèi)的排流保護(hù)是通過所敷設(shè)的排流網(wǎng)吸收從走行軌泄漏的部分牽引電流至變電所負(fù)母極,從而減少雜散電流泄漏至地鐵系統(tǒng)之外,見圖8。其中,排流柜主要通過調(diào)整排流回路的電阻來控制排流效果。根據(jù)Charalambous C A[5]的研究結(jié)果,排流網(wǎng)的性能高度依賴于系統(tǒng)本身和附近土壤的電導(dǎo)率,在較低的土壤電阻率下能實(shí)現(xiàn)高效的雜散電流收集。因此,使用雜散電流收集系統(tǒng)進(jìn)行排流處理時(shí),需要結(jié)合系統(tǒng)周圍土壤電導(dǎo)率和系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼的極化電位信號(hào),避免“欠”排流和“過”排流現(xiàn)象的產(chǎn)生。另外,對(duì)全線軌地絕緣情況定期進(jìn)行檢查能夠定位軌地絕緣破損點(diǎn)以及時(shí)更換鋼軌固定裝置,清除軌地定位裝置上的油污、鐵屑等導(dǎo)電性較好的物質(zhì),從而保證回流系統(tǒng)的暢通來“堵”住雜散電流泄漏。

圖8 地鐵雜散電流排流系統(tǒng)圖Fig.8 Drainage system for metro stray current

5 結(jié)論

隨著地鐵線路在城市的大力發(fā)展,地鐵雜散電流腐蝕問題日益嚴(yán)重。城市燃?xì)夤芫€作為城市區(qū)域分布最廣泛最密集的重要市政管線,所受雜散電流腐蝕給城市系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的安全威脅。根據(jù)上述雜散電流腐蝕研究現(xiàn)狀的分析,為了進(jìn)一步揭示地鐵雜散電流對(duì)燃?xì)夤芫€的腐蝕行為規(guī)律和機(jī)理,從而更有效地指導(dǎo)燃?xì)夤芫€腐蝕監(jiān)測和防護(hù),需要進(jìn)一步深入開展以下研究工作：燃?xì)夤芫€內(nèi)雜散電流信號(hào)的準(zhǔn)確測量和特征重構(gòu)方法;具備雜散電流時(shí)域特性的動(dòng)態(tài)電流激勵(lì)下的電化學(xué)腐蝕行為;城市燃?xì)夤芫€雜散電流腐蝕特征量化及預(yù)測方法。