城市燃?xì)夤艿朗軇?dòng)態(tài)交流干擾的影響規(guī)律及腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析

張玉星， 車 明， 張 誠(chéng)， 李 偉， 黃文堯， 覃慧敏， 邸 鑫

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100011)

0 前 言

隨著能源工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，高鐵電氣化鐵路與埋地油氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜、遍布各地的能源輸送網(wǎng)和交通運(yùn)輸網(wǎng)。由于受到空間資源、地理環(huán)境的限制，地鐵軌道交通、高鐵電氣化鐵路與埋地鋼質(zhì)管道常常在“公共走廊”長(zhǎng)距離并行或交叉而建，使管道所面臨的雜散電流干擾問題十分嚴(yán)重[1-3]，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道了多起電氣化鐵路雜散電流腐蝕造成的穿孔泄漏案例。 截至2021 年底，北京燃?xì)庠谝鄣穆竦劁撡|(zhì)管道已超過1.7 萬(wàn)km；另外，北京是全國(guó)最大的鐵路樞紐，有京廣線、京滬線、京哈線、京包線、京通線等眾多鐵路干線呈輻射狀通向全國(guó)各地，龐大的軌道交通及電力網(wǎng)絡(luò)與燃?xì)夤芫W(wǎng)密集地分布在北京地區(qū)。

國(guó)內(nèi)外意識(shí)到電氣化鐵路對(duì)管道帶來(lái)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，逐步開展了檢測(cè)及防護(hù)工作。 程彤等[4]選取北京境內(nèi)京滬高鐵沿線的9 條交叉燃?xì)夤芫€進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明最大干擾電位達(dá)到5 V，證實(shí)京滬高鐵沿線的燃?xì)夤艿朗艿搅藙?dòng)態(tài)交流干擾。 郭慶茹等[5]對(duì)哈大鐵路鄰近的東北輸油管網(wǎng)進(jìn)行交流干擾監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明多數(shù)管段干擾電壓超過10 V。 汪可對(duì)某段與貴昆鐵路并行占40%的成品油管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過測(cè)量機(jī)車通過時(shí)鐵軌上的交流電壓值及管道交流電壓值發(fā)現(xiàn)，管道的交流干擾電壓與電氣化鐵軌上交流電壓變化成正相關(guān)[6]。 沈光霽等[7]對(duì)日東線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)列車通過時(shí)段管道交流電壓明顯增大，而列車通過后管道交流電壓又保持相對(duì)平穩(wěn)，因此判斷干擾源為臨近的新石線交流電氣化鐵路。 國(guó)內(nèi)相關(guān)單位[8-12]在烏魯木齊、琿春、鎮(zhèn)江等多地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路對(duì)鄰近管道的動(dòng)態(tài)交流干擾，最大干擾電流密度高達(dá)393 A/m2。同時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路雜散電流干擾對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)造成了較大的影響，比如中部某省天然氣管道即使有外加電流陰極保護(hù)的情況下，動(dòng)態(tài)交流電流密度峰值仍高達(dá)165 A/m2[13]；中山南朗段受電氣化鐵路干擾，陰極保護(hù)系統(tǒng)恒電位儀不能正常工作，同時(shí)沿線陰極保護(hù)斷電電位漂移嚴(yán)重[14]。

通過以上調(diào)研可以看出，交流電氣化鐵路使得管道存在明顯動(dòng)態(tài)干擾，部分研究表明干擾變化規(guī)律與機(jī)車運(yùn)行位置相關(guān)，一定程度上影響外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。 但現(xiàn)有研究多集中于長(zhǎng)輸管網(wǎng)，相對(duì)于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)而言，陰極保護(hù)方式多為犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)，且管網(wǎng)服役環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，因此對(duì)于超大城市燃?xì)夤芫W(wǎng)不同壓力級(jí)制在不同鐵路線路影響下的干擾情況、干擾規(guī)律、腐蝕規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了獲得城市燃?xì)夤芫W(wǎng)受電氣化鐵路動(dòng)態(tài)交流干擾的程度，針對(duì)中低壓選取了西郊鐵路、京包鐵路、豐沙鐵路，針對(duì)次高壓及以上選取了京滬、京承、京廣、京哈鐵路，分別進(jìn)行了管地電位、交流電壓、交流電流密度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并埋設(shè)檢查片進(jìn)行了腐蝕速率測(cè)試，初步研究了管道的干擾規(guī)律及腐蝕規(guī)律。

1.1 交流干擾及陰極保護(hù)參數(shù)監(jiān)測(cè)

對(duì)于選定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行交流干擾的專項(xiàng)測(cè)試。 交流干擾專項(xiàng)檢測(cè)包括:長(zhǎng)時(shí)間交流干擾電壓測(cè)試、交流電流密度測(cè)試。

(1)交流干擾電壓監(jiān)測(cè) 利用uDL2 數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間交流干擾電壓監(jiān)測(cè)，設(shè)置儀器的數(shù)據(jù)記錄頻率為1 s 和記錄時(shí)間為24 h，記錄管道的交流電壓。 監(jiān)測(cè)接線見圖1。 通過專用軟件，導(dǎo)出電壓數(shù)據(jù)，繪制24 h 的交流干擾電壓曲線。

圖1 參數(shù)監(jiān)測(cè)接線示意圖Fig. 1 Parameter monitoring wiring diagram

(2)交流干擾電流密度監(jiān)測(cè) 采用1 cm2試片法測(cè)試交流電流密度，數(shù)據(jù)記錄頻率與交流電壓一致。

(3)陰極保護(hù)參數(shù)監(jiān)測(cè) 通斷電電位監(jiān)測(cè)的設(shè)置原則是:斷電時(shí)間應(yīng)盡可能的短，以避免管道明顯的去極化，但又應(yīng)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間保證測(cè)量采集及在消除沖擊電壓影響后讀數(shù)。 通斷周期設(shè)置為:通電12 s，斷電3 s。

1.2 腐蝕速率片埋設(shè)試驗(yàn)

為了得到電氣化鐵路雜散電流干擾對(duì)管道的腐蝕規(guī)律，對(duì)部分測(cè)試樁埋設(shè)腐蝕速率片，試片與管道電連接，一定程度上代表了管道防腐層破損點(diǎn)。 試片埋設(shè)時(shí)間不少于1 a，通過對(duì)試片埋設(shè)前后的失重測(cè)量計(jì)算試片腐蝕速率。 除此之外，可以同步采用埋入式土壤腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行在線測(cè)量，更有利于實(shí)時(shí)掌握腐蝕狀態(tài)。

腐蝕產(chǎn)物用酸洗液(500 mL 去離子水+500 mL 鹽酸+3.5 g 六次甲基四胺配制而成)浸泡試樣10 min 并輕刷除去試樣表面腐蝕產(chǎn)物，隨后用去離子水、乙醇清洗，冷風(fēng)吹干，用精度為0.1 mg 的電子天平測(cè)量其失重。 采用公式(1)計(jì)算試樣腐蝕速率:

式中:vd為腐蝕速率，mm/a；Δw為試樣失重，g；S為試樣工作面積，cm2；t為埋設(shè)時(shí)間，h；ρ為試樣的密度，g/cm3。

2 中低壓管網(wǎng)動(dòng)態(tài)交流干擾數(shù)據(jù)分析

為了獲得中低壓管網(wǎng)受電氣化鐵路的干擾影響情況，對(duì)西郊鐵路、京包鐵路、豐沙鐵路等4 處與燃?xì)夤芫€交叉位置測(cè)試樁進(jìn)行交流參數(shù)監(jiān)測(cè)，總體分析結(jié)果表明以上4 個(gè)位置的管道交流電壓及交流電流密度較低，基本未檢測(cè)到電氣化鐵路造成的動(dòng)態(tài)交流干擾。

2.1 西郊鐵路交叉管道測(cè)試

該管道的防腐層為石油瀝青，對(duì)距離西郊鐵路與管線交叉點(diǎn)約1.7 km 的測(cè)試樁進(jìn)行24 h 交流干擾監(jiān)測(cè)(見圖2)，結(jié)果表明管道交流電壓在0.18～0.65 V 之間，交流電流密度在1.33～4.83 A/m2之間。 對(duì)西郊鐵路另一條交叉管線的2.1 km 的測(cè)試樁進(jìn)行干擾監(jiān)測(cè)，管道交流電壓在0～0.32 V 之間，同樣未檢測(cè)到明顯的交流干擾。

圖2 西郊鐵路交叉點(diǎn)1.7 km 及2.1 km 處交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 2 AC interference data graph at 1.7 km and 2.1 km from the intersection point of the pipeline and Western Country Railway

2.2 京包鐵路交叉管道測(cè)試

該管道的防腐層為石油瀝青，對(duì)距離京包鐵路與管線交叉點(diǎn)約30 m 的測(cè)試樁進(jìn)行24 h 交流干擾監(jiān)測(cè)(見圖3)，結(jié)果表明管道交流電壓在0.03～0.13 V 之間，交流電流密度在0.25～0.92 A/m2之間，雖然該測(cè)試樁與鐵路線路距離較近，但仍未檢測(cè)明顯的交流干擾。

圖3 京包鐵路交叉點(diǎn)30 m 處交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 3 Ac interference data graph at 30 m from the intersection point of the pipeline Beijing-Baotou Railway

2.3 豐沙鐵路交叉管道測(cè)試

該管道的防腐層為石油瀝青，對(duì)距離豐沙鐵路與管線交叉點(diǎn)約2.2 km 的測(cè)試樁進(jìn)行24 h 交流干擾監(jiān)測(cè)(見圖4)，結(jié)果表明管道交流電壓在0.41～1.26 V 之間，交流電流密度為0 A/m2。

圖4 豐沙鐵路交叉點(diǎn)2.2 km 處交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 4 Ac interference data graph at 2.2 km from the intersection point of the pipeline and Fengsha Railway

2.4 小 結(jié)

通過對(duì)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，城市燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)受鐵路干擾影響較小，主要有以下原因:一是電氣化鐵路干擾多為電阻耦合與電感耦合疊加的形式存在，對(duì)于交叉位置而言主要為電阻耦合，基本不存在電感耦合，從而干擾影響較?。欢浅鞘腥?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)服役年限較長(zhǎng)，局部管道的接地電阻相對(duì)較小，且與其它構(gòu)筑物搭接較多，因此交流干擾得到一定程度的排流緩解。

3 次高壓及以上管網(wǎng)動(dòng)態(tài)交流干擾數(shù)據(jù)分析

為了獲得次高壓及以上管網(wǎng)受電氣化鐵路的干擾影響情況，對(duì)京滬、京承、京廣、京哈等電氣化鐵路附近的交叉、并行管道進(jìn)行交流參數(shù)檢測(cè)，雖然次高壓及以上管網(wǎng)均有犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，但相對(duì)于中低壓管網(wǎng)而言，次高壓及以上管網(wǎng)受動(dòng)態(tài)交流干擾的影響仍相對(duì)明顯。 需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，在交流參數(shù)檢測(cè)之前，針對(duì)上述燃?xì)夤芫€附近的土壤電阻率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均在50～80 Ω·m 范圍內(nèi)，因此土壤電阻率對(duì)于交流干擾的影響可以忽略。 依據(jù)GB/T 50698 相關(guān)條款，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V 時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4 V 但交流電流密度小于30 A/m2時(shí)，干擾程度評(píng)價(jià)為弱，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

3.1 京滬高鐵交叉管道測(cè)試

該管道的防腐層為3PE，分別選取交叉點(diǎn)上下游5個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行24 h 交流干擾監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明5 處交流電壓和交流電流密度均較小，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，見圖5。

圖5 京滬高鐵交叉段管道交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 5 AC interference data graph of the pipeline crossing with Beijing-Shanghai high-speed Railway

但通過某一測(cè)試樁的24 h 交流電壓及電流密度分布來(lái)看，不同于中低壓管網(wǎng)的干擾參數(shù)分布，該處部分時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)交流電壓的沖擊峰，說(shuō)明存在電氣化鐵路造成的動(dòng)態(tài)交流干擾。

3.2 京承鐵路交叉管道測(cè)試

該管道的防腐層為3PE，分別選取交叉點(diǎn)上下游4個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行24 h 交流干擾監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明4 處交流電壓和交流電流密度均較小，見圖6、圖7。

圖6 某測(cè)試樁24 h 交流電壓及電流密度分布圖Fig. 6 AC voltage and current density distribution graph of a test pile for 24 hours

圖7 京承鐵路交叉段管道交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 7 Ac interference data graph of the pipeline crossing with Beijing-Chengde Railway

但與京滬高鐵對(duì)管道的干擾規(guī)律存在不同，在監(jiān)測(cè)的24 h 內(nèi)交流干擾僅有7 個(gè)沖擊峰，其它時(shí)間交流參數(shù)穩(wěn)定，見圖8。 初步分析是鐵路與該位置的饋電狀態(tài)及泄漏電壓相關(guān)。

圖8 某測(cè)試樁24 h 交流電壓及電流密度分布圖Fig. 8 AC voltage and current density distribution graph of a test pile for 24 hours

3.3 京廣高鐵并行管道測(cè)試

該管道的防腐層為3PE，京廣高鐵與管道約有7.6 km 的并行，并行間距在33～250 m 之間，對(duì)并行段11個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行24 h 交流監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果見圖9。 圖9 顯示此段管道明顯受到電氣化鐵路造成的交流雜散電流干擾，該段管道的交流干擾電壓峰值達(dá)到了15.07 V，交流電流密度峰值達(dá)到了45.67 A/m2。

圖9 京廣高鐵并行段管道交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 9 AC interference data graph of pipeline in parallel section of Beijing-Guangzhou high-speed Railway

通過某一測(cè)試樁24 h 數(shù)據(jù)來(lái)看，交流電壓呈現(xiàn)脈沖式波動(dòng)，在有列車通過時(shí)，管道上的交流電壓會(huì)有沖擊上升。 在夜間無(wú)高鐵經(jīng)過時(shí)，管道交流電壓相對(duì)穩(wěn)定。 與京滬、京承鐵路不同的是，該管道與京廣高鐵存在長(zhǎng)距離并行，從而交流干擾相對(duì)明顯，見圖10。

圖10 某測(cè)試樁24 h 交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 10 AC interference data graph of a test pile for 24 hours

3.4 京哈高鐵并行管道測(cè)試

京哈高鐵與太陽(yáng)宮熱電廠高壓A 管道有交叉并行。 京哈高鐵與此段管道有1 處交叉，分別在管道的北面，與管道約有10 km 的并行，并行的間距在32～600 m 之間。 在該管道的14 個(gè)測(cè)試樁埋設(shè)了18 個(gè)與管道連接的腐蝕速率測(cè)試片，試片的面積為6.5 cm2。對(duì)于試片進(jìn)行24 h 的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明檢查片的24 h 交流電壓分布在0～7.99 V 之間，交流電流密度分布在0～29.94 A/m2之間，見圖11。

圖11 京哈高鐵并行段管道檢查片交流干擾數(shù)據(jù)圖Fig. 11 Ac interference data graph of the inspection piece of the pipeline in parallel section of Beijing-Harbin high-speed Railway

通過對(duì)腐蝕速率檢查片埋設(shè)周期超過1 a 后，進(jìn)行開挖、酸洗、稱重并計(jì)算腐蝕速率，分別統(tǒng)計(jì)交流電流密度峰值、平均值與腐蝕速率的關(guān)系，結(jié)果見圖12。 圖12 結(jié)果表明腐蝕速率基本均低于標(biāo)準(zhǔn)值0.025 mm/a，由于腐蝕速率偏低，所以沒有呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。

圖12 檢查片交流電流密度與腐蝕速率數(shù)據(jù)圖Fig. 12 AC current density and corrosion rate data graph of the inspection piece

除此之外，對(duì)腐蝕檢查片陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于該管段加裝了鋅犧牲陽(yáng)極排流防護(hù)，因此斷電電位的平均值基本都處于-0.85～-1.20 V(vs CSE)之間。 對(duì)于動(dòng)態(tài)交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，后續(xù)研究建議現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室兩方面結(jié)合，收集交流電流密度及斷電電位參數(shù)，并與腐蝕速率建立關(guān)聯(lián)，通過統(tǒng)計(jì)交流電流密度區(qū)間比例與斷電電位的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.5 電氣化鐵路干擾原理分析

交流電氣化鐵路由于采用單相對(duì)地不平衡供電方式，對(duì)管道的危害主要在于列車通過時(shí)，接觸網(wǎng)在正常或短路故障條件下，由于感性、阻性耦合產(chǎn)生間歇或連續(xù)的交流干擾電壓作用在管道上。

感性耦合是由接觸網(wǎng)牽引電流所產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)，通過管道與接觸網(wǎng)之間存在的互感而產(chǎn)生的對(duì)管道的影響。 主要是由機(jī)車牽引電流流過接觸網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)通過空氣、土壤等傳導(dǎo)電磁波的介質(zhì)在管道上由于互感作用感應(yīng)出的縱向電動(dòng)勢(shì)，電壓大小與并行長(zhǎng)度成正比。 針對(duì)感性耦合影響要考慮接觸網(wǎng)正常供電和短路故障2 種狀態(tài)。

阻性耦合是由于接觸網(wǎng)牽引電流通過鋼軌回流時(shí)，電流通過鋼軌泄漏入地，使入地點(diǎn)及附近的大地電位升高，由于阻性耦合的存在，使路基附近的管道處于地電位梯度變化劇烈的土壤中而引起管道的地電位升高。

3.6 小 結(jié)

通過對(duì)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，一是城市燃?xì)獯胃邏杭耙陨瞎芫W(wǎng)受電氣化鐵路干擾影響明顯高于中低壓管網(wǎng)；二是電氣化鐵路與管道并行的交流干擾明顯大于交叉段，感性耦合對(duì)管道影響大于阻性耦合；三是雖然京哈高鐵并行管道的交流干擾電壓偏大，但交流電流密度較低，原因可能與選用的試片面積偏大有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)城市燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)由于防腐層絕緣性能相對(duì)較差且與其它構(gòu)筑物搭接較多，交流干擾得到一定的緩解，因此受電氣化鐵路干擾影響較小，但與此同時(shí)中低壓管網(wǎng)陰極保護(hù)效果相對(duì)較差。 相對(duì)而言，次高壓及以上管網(wǎng)受電氣化鐵路干擾影響明顯高于中低壓管網(wǎng)。

(2)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)多采用犧牲陽(yáng)極，相對(duì)于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中恒電位儀受電氣化鐵路干擾影響而導(dǎo)致的陰保異常，犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)一定程度上對(duì)雜散電流干擾具有一定的排流緩解及抗干擾功能。

(3)與電氣化鐵路并行管道的交流干擾大于交叉管道，并行管道的交流峰值的出現(xiàn)與列車運(yùn)行位置有關(guān)，可初步推斷電氣化鐵路的干擾存在電阻耦合。 但至于電阻耦合與電感耦合對(duì)于交流干擾大小的影響程度，還需通過多點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)進(jìn)一步深入分析。

(4)對(duì)于動(dòng)態(tài)交流干擾的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，本工作的腐蝕速率試片面積選用6.5 cm2時(shí)，所測(cè)得的交流電流密度偏低；關(guān)于交流干擾測(cè)試，一是建議采集試片埋設(shè)區(qū)域的土壤電阻率以便于分析干擾程度時(shí)進(jìn)行參考；二是建議選用1 cm2試片以保證交流電流密度更為準(zhǔn)確。 最后通過交流電流密度區(qū)間所占比例與斷電電位相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。