長輸天然氣管道受雜散電流干擾的監(jiān)測及防護探討

江永強

（中國石化天然氣分公司重慶天然氣銷售中心，重慶市 400023）

1 雜散電流干擾原理

某直徑為273mm的長輸埋地天然氣管道長1.946km段與該城市地鐵1號線軌道為平行走向，埋地管道和地鐵鐵軌最近垂直距離僅有5.0m。在對該條輸氣管道陰極保護狀況定期檢查過程中發(fā)現(xiàn)，該管段所測得的管地電位波動幅度明顯大于管道其他各段，在排除其他可能的影響因子后發(fā)現(xiàn)，這一干擾主要來自臨近地鐵線路雜散電流。隨著地鐵等城市軌道交通的運營，其鐵軌、機車內(nèi)部設(shè)施與大地之間必將發(fā)生電量交換，地鐵運營所釋放出的電流流經(jīng)走行軌道后泄漏并進入地下，繼續(xù)流經(jīng)土壤、埋地金屬管道及周圍金屬設(shè)施等介質(zhì)，并最終流回至變電所，構(gòu)成動態(tài)性直流雜散電流的運行閉環(huán)[1]。此外，埋地輸氣管道在高壓輸電線路、高壓鐵塔、變電所、電氣化鐵路等強電線路所產(chǎn)生的電容耦合、電阻耦合及電感耦合等交流腐蝕影響下會發(fā)生交流雜散電流干擾。

通常情況下，將設(shè)計回路以外的流動電流統(tǒng)稱為雜散電流，與管道無關(guān)的外部電源是埋地輸氣管道雜散電流的主要來源，其會造成并加速受影響管道發(fā)生腐蝕；動態(tài)雜散電流進入埋地管道的區(qū)域即為陰極區(qū)，該區(qū)域管道一般不會發(fā)生腐蝕，但陰極極化會使周圍土壤堿性化，并使埋地管道涂層老化剝落；若埋地管道已實施陰極保護，則在雜散電流流入陰極區(qū)后會引發(fā)管道金屬材料析氫反應(yīng)[2]，進而使埋地輸氣管道氫脆敏感性大大增強；與此同時，雜散電流流出區(qū)域埋地管道將會發(fā)生較為嚴重的電化學(xué)腐蝕，也就是雜散電流干擾腐蝕?？紤]到雜散電流的動態(tài)性及各段鐵軌和大地之間絕緣材料、施工質(zhì)量、運行環(huán)境等的不同，各段軌道電流泄漏情況并不相同，進而導(dǎo)致埋地輸氣管道各區(qū)域陰極區(qū)和陽極區(qū)呈交替變化趨勢（見圖1），從而使雜散電流情況異常復(fù)雜，并時刻威脅著埋地輸氣管道的安全。

圖1 埋地輸氣管道受雜散電流干擾電位波動觀測圖

地鐵雜散電流從干擾區(qū)域流出后，會加劇埋地金屬管道腐蝕，同時引發(fā)管道電位劇烈變化，管道陰極保護日常維護人員測試管道保護電位的難度也大大增加，甚至?xí)?dǎo)致埋地金屬管道陰極保護系統(tǒng)紊亂、失效；應(yīng)用外加電流陰極保護系統(tǒng)恒電位儀后，一旦發(fā)生上述現(xiàn)象，則該電位儀將自動跳轉(zhuǎn)至恒電流模式，并在管道陰極保護系統(tǒng)失效后自動關(guān)機。

2 雜散電流干擾監(jiān)測

2.1 監(jiān)測內(nèi)容及方法

為進行監(jiān)測結(jié)果的比較分析，根據(jù)所對應(yīng)的地鐵線路，將與該城市地鐵1號線軌道平行的長1.946km的長輸埋地天然氣管段分成兩段：長0.855km的A段和長1.091km的B段，其中A管段所對應(yīng)的地鐵線路建在地下，而B管段所對應(yīng)的地鐵線路建在地面高架橋上，分別進行兩個管段受直流、交流雜散電流影響干擾程度以及管段與地鐵鐵軌直線距離最近測試樁1h管道保護電位監(jiān)測。

直流雜散電流干擾監(jiān)測過程中，在金屬埋地管道水平向和垂直向分別按40m間距放置2個參比電極，并通過HC-069型存儲式雜散電流測試儀測試，數(shù)據(jù)收集及存儲時間間隔按1s確定。

管道保護電位監(jiān)測及交流雜散電流干擾監(jiān)測過程中，在臨近測試樁處通過HC-069型測試儀與參比電極和管段連接，并在地鐵運行高峰期內(nèi)進行持續(xù)1h的監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 直流雜散電流監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測得到的電位梯度數(shù)據(jù)并結(jié)合表1的判定標(biāo)準(zhǔn)，進行地鐵運行直流雜散電流對埋地輸氣管道干擾程度的判斷。在此基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如果所測得的埋地金屬管道周圍土壤電位梯度≥0.5mV/m或者是管段任一處管地電位與自然電位的偏移量≥±20mV，則認為存在地鐵運營直流雜散電流干擾，必須根據(jù)實際情況采取直流排流保護措施。

表1 直流雜散電流的強弱程度判斷依據(jù)

該埋地輸氣管道A段測試時間段為2020年1月15日13:58～1月16日13:58，歷時24h，并按1/s速率分別進行平行管道和垂直管道監(jiān)測采樣，根據(jù)平行土壤電位梯度與垂直土壤電位梯度的矢量和確定土壤電位梯度。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測時段地鐵運行負荷量大，土壤電位梯度存在較大變動，直流干擾也較明顯。而夜間地鐵一般在23:20～6:10期間停運，停運期間土壤電位梯度曲線無變化，且不存在直流雜散電流干擾，充分表明地鐵運行和埋地輸氣管道直流雜散電流干擾之間存在直接關(guān)聯(lián)關(guān)系。而地鐵運行對埋地輸氣管線直流雜散電流影響程度的大小與饋電方式相關(guān)，地鐵1號線運行對該管段存在直流干擾，且干擾程度較大，土壤電位梯度平均值達到10.42mV/m，直流雜散電流對埋地輸氣管道的影響等級為強級；管道四周土壤電位與自然電位的偏移量為±116mV，故該管段必須進行直流排流保護及其他保護。

該埋地輸氣管道B段測試時間段為2020年1月15日15:58～1月16日15:58，歷時24h，同樣按1/s速率分別進行平行管道和垂直管道監(jiān)測采樣，根據(jù)平行土壤電位梯度與垂直土壤電位梯度的矢量和確定土壤電位梯度。監(jiān)測結(jié)果顯示，該地鐵線路白天上下班高峰期運行負荷較大，埋地管道四周土壤電位梯度在白天也存在較大變幅，但由于地鐵軌道架設(shè)在地面高架橋上，與地面距離較遠，直流雜散電流在環(huán)境中已得到一定程度的消耗，故對埋地輸氣管道影響較??；所測得的土壤電位梯度平均值僅為0.37mV/m，直流雜散電流對埋地輸氣管道的影響等級為弱級；管道四周土壤電位與自然電位的偏移量為±6.4mV。B管段地鐵線路在夜間23:20～6:10期間仍然停運，停運期間幾乎檢測不到直流雜散電流，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該管段無需采取直流雜散電流干擾防護。

2.2.2 交流雜散電流監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)埋地輸氣管道上交流干擾電壓高出4V時，必須進行交流電流密度評估并采取有效防護，而當(dāng)管道上交流干擾電壓不超出4V，則無需進行交流干擾防護。該埋地輸氣管道A段測試時間段為2020年1月18日12:25～13:25，歷時1h，按1/s速率分別進行管道監(jiān)測采樣。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，埋地輸氣管道保護電位最大最小值分別為-0.624V和-1.66V，均值為-1.132V。根據(jù)對埋地管道交流雜散電流干擾監(jiān)測曲線的分析，交流干擾電壓最大和最小值分別為8.98V和0.283V，均值為0.967V。監(jiān)測期間，當(dāng)?shù)罔F通過時交流干擾電壓并無明顯變動，且基本位于4V以下；幾處峰值干擾電壓也都屬于瞬間跳變，且與地鐵通過時間并不吻合，應(yīng)為周圍變電站和高壓輸電線的影響所致，由此可以推斷，該段地鐵運行對埋地輸氣管線無超標(biāo)交流雜散電流干擾。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可不進行交流雜散電流干擾防護。

該埋地輸氣管道B段測試時間段為2020年1月18日9:58～10:58，歷時1h，同樣按1/s速率進行管道監(jiān)測采樣。監(jiān)測結(jié)果顯示的埋地管道保護電位最大值和最小值分別為-24.525V和-11.84V，均值為-13.092V；根據(jù)管道交流雜散電流干擾監(jiān)測曲線，交流雜散干擾電壓最大最小值分別為35.78V和19.59V，均值26.34V。監(jiān)測期間共有12輛地鐵通過，且地鐵通過時交流干擾電壓并無明顯變化，但交流干擾電壓值均在4V以上。究其原因主要在于B段存在變電站和高壓輸電線，造成該段埋地輸氣管道交流雜散電流較大的原因不是地鐵的通行，而是周圍變電站和高壓輸電線的干擾和影響，故所監(jiān)測到的峰值干擾電壓自然與地鐵通行時間不吻合。由于變電站和高壓輸電線所導(dǎo)致的埋地輸氣管道交流雜散電流干擾較大，故應(yīng)采取措施進行交流雜散電流干擾防護。

3 雜散電流干擾防護措施

3.1 直流雜散電流干擾防護

進行埋地輸氣管道直流雜散電流干擾防護時應(yīng)以排流保護為主，綜合治理為輔，在進行排流保護時必須結(jié)合干擾程度、干擾狀態(tài)及管道走向、場地環(huán)境，選用直接排流、強制排流、接地排流、極性排流[3]等具體方式。直流雜散電流干擾防護措施采用之后必須盡快使受干擾管道上全部管段管地電位恢復(fù)至未干擾前的狀態(tài)，并將受干擾管段管地電位負向偏移控制在防腐層陰極剝離電位以下，并盡可能降低對非排流保護管段的干擾。

3.2 交流雜散電流干擾防護

埋地輸氣管道交流雜散電流干擾主要由埋設(shè)其上的110kV及以上高壓輸電線路、高壓鐵塔、變電所、電氣化鐵路等強電線路所產(chǎn)生的電容耦合、電阻耦合及電感耦合等交流腐蝕影響所引起。以上影響中，除電容耦合影響外，其余影響均可通過屏蔽保護和接地保護予以解決。埋地輸氣管道應(yīng)用交流防護措施后，各處排流點排流后管段長期交流感應(yīng)電壓均不得超出10V，管段交流干擾區(qū)保護涂層破損處交流電流密度不應(yīng)超出60A/m2，且當(dāng)交流高壓線表現(xiàn)出接地故障時管段上所對應(yīng)的瞬時干擾電壓不得超出1000V。

埋地輸氣管道交流雜散電流干擾防護最常用的方法是排流保護法，即通過導(dǎo)線將埋地管道與低電阻人工接地床連接，以形成排流線、地床、排流節(jié)等組成的排流系統(tǒng)，起到分散和降低干擾電壓的目的。根據(jù)連接方式的不同，可將排流系統(tǒng)劃分為直接排流、固態(tài)耦合器排流、犧牲陽極排流、嵌位式排流等形式。在具體應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)埋地管道和架空送電線路、變電站、高壓輸電線等的距離及管道與強電線路交叉角度等進行交流雜散電流排流形式選用。

4 結(jié)論

綜上所述，長輸埋地天然氣管道因受到地鐵運營、110kV及以上高壓輸電線路、高壓鐵塔、變電所、電氣化鐵路等強電線路等影響后直流雜散電路和交流雜散電流干擾程度和干擾范圍迅速上升，存在較大的腐蝕風(fēng)險。為進行埋地輸氣管道受直流雜散電流和交流雜散電流干擾及影響的準(zhǔn)確評價和防護，必須從干擾監(jiān)測技術(shù)、評估方法、評價標(biāo)準(zhǔn)及防治措施等方面全面展開，積極探索適合長輸埋地輸氣管道抗雜散電流干擾的綜合防護方案，確保長輸埋地輸氣管道安全運行。