某管道雜散電流干擾影響及防護(hù)效果評(píng)價(jià)

李強(qiáng)林 杜 建 王 朋 錢文振 賈明貴 孫彩云 朱傳濤

（1.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250032；2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

電氣化鐵路和地鐵在運(yùn)行期間，會(huì)對(duì)埋地管道產(chǎn)生交直流雜散電流干擾[1-3]，其中軌道交通系統(tǒng)對(duì)臨近埋地管道產(chǎn)生的交直流雜散電流干擾一般具有影響范圍大、周期性強(qiáng)、干擾程度劇烈的特點(diǎn)[4,5]。本文以膠州-日照埋地天然氣管道（簡(jiǎn)稱某管道）為例，針對(duì)青島地鐵13號(hào)線、青連電氣化鐵路對(duì)某管道交直流雜散電流干擾的影響，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)管道電位的波動(dòng)變化等，明確直流干擾的影響范圍、程度，分析其干擾規(guī)律，并在現(xiàn)場(chǎng)開展緩解防護(hù)措施試驗(yàn)，制定相應(yīng)的緩解治理方案，驗(yàn)證排流緩解措施的有效性。

1 概況

某管道起點(diǎn)為膠州站、終點(diǎn)為日照站，線路長度154km，管道采用3PE防腐層，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，沿線設(shè)3座線路陰保站。其中65～154#樁與青連鐵路伴行90km，交叉2次；104～108#樁與青島地鐵13#線伴行約4km，伴行間距750～1.5km。管道自陰保系統(tǒng)投運(yùn)以來運(yùn)行平穩(wěn)，2018年12月青島地鐵13號(hào)線投運(yùn)以來，管道陰保電位波動(dòng)頻繁，2#、3#陰保站內(nèi)恒電位儀設(shè)備受到干擾無法穩(wěn)定輸出。

2 雜散電流干擾檢測(cè)評(píng)價(jià)

針對(duì)青島地鐵13號(hào)線、青連電氣化鐵路對(duì)管道的雜散電流干擾檢測(cè)評(píng)估，主要包括：管道陰保系統(tǒng)運(yùn)行有效性檢測(cè)評(píng)估；管道交流/直流干擾影響的檢測(cè)；在干擾嚴(yán)重位置設(shè)置腐蝕失重檢查片監(jiān)測(cè)腐蝕速率。

2.1 檢測(cè)方法及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

針對(duì)管道交/直流干擾的長周期（≥24h）監(jiān)測(cè)采用在監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置記錄儀；短周期的檢測(cè)采用萬用表。陰保電位檢測(cè)方法按照GB/T 21246-2020《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》執(zhí)行。臨時(shí)饋電試驗(yàn)采用具有恒通電、恒斷電、恒電流模式的設(shè)備。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)及腐蝕速率監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

測(cè)試周期內(nèi)，統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通斷電電位的最大、最小和平均值，流經(jīng)試片電流的流入、流出所占比例。管道沿線通電電位的最大值、最小值以及平均值曲線如圖1所示。

圖1 管道沿線通電電位曲線分布圖

管道通電電位全線均存在波動(dòng)，通電電位在與地鐵距離最近的96～114#樁之間波動(dòng)劇烈；在104#樁附近通電電位波動(dòng)最為劇烈，波幅13.77V。

天然氣管道沿線斷電電位的最大值、最小值以及平均值曲線如圖2所示。

圖2 管道沿線斷電電位曲線分布圖

管道沿線的斷電電位存在一定的波動(dòng)，斷電電位在與地鐵距離較近的100～114#樁之間波動(dòng)相對(duì)劇烈；在104#樁位置斷電電位波動(dòng)最為劇烈，波幅為0.548V。

天然氣管道沿線交流干擾電壓的最大值、最小值以及平均值曲線如圖3所示。

圖3 管道沿線交流干擾電壓曲線分布圖

管道沿線存在明顯的交流干擾雜散電流的影響，主要集中與青連鐵路伴行段，檢測(cè)范圍內(nèi)管道交流干擾電壓最大值為84#測(cè)試樁的25V，但交流干擾電壓平均值波動(dòng)范圍為0.63～3.84V＜4V。

3 雜散電流干擾影響評(píng)估分析

3.1 直流雜散電流干擾的評(píng)估

3.1.1 直流干擾評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50991《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5章節(jié)對(duì)直流干擾的評(píng)估規(guī)定：

對(duì)已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。

澳大利亞國家標(biāo)準(zhǔn)《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS 2832.1-2004對(duì)受到雜散電流干擾的埋地管道防護(hù)效果檢驗(yàn)指標(biāo)也做了規(guī)定，對(duì)涂層性能良好的結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

（1）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的5%；

（2）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+50mV的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的2%；

（3）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+100mV的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的1%；

（4）電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+800mV的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的0.2%。

3.1.2 直流干擾影響程度及規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，管道沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置直流電位的波動(dòng)，不論是正向還是負(fù)向，均存在一定規(guī)律的周期性，一般在夜間11:30～凌晨5:30左右波動(dòng)較小，白天波動(dòng)劇烈，波動(dòng)周期與地鐵運(yùn)行時(shí)間保持一致，如圖4所示。

從管道直流電位波動(dòng)的周期性規(guī)律和管理單位反饋各陰保站恒電位儀設(shè)備輸出受到干擾影響的開始時(shí)間與地鐵投運(yùn)的時(shí)間基本一致等信息分析：青島地鐵13#線是該管道的直流干擾源。

管道47#樁—終點(diǎn)段管道受到青島地鐵13#線的直流干擾影響，直流電位的偏移整體可分為三段：47～77#樁約30km管道電位負(fù)向偏移；77～123#樁約45km管道電位正向偏移；123#-終點(diǎn)約30km管道電位負(fù)向偏移。同時(shí)直流干擾影響2#、3#線路陰保系統(tǒng)恒電位儀設(shè)備的輸出。

3.2 交流雜散電流干擾的評(píng)估

3.2.1 交流干擾評(píng)估準(zhǔn)則

為保證人體安全，減輕管道受高壓輸電線路的交流干擾腐蝕危害，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，管道感應(yīng)電壓及交流電流密度評(píng)估指標(biāo)規(guī)定如下：

（1）根據(jù)GB/T 3805的規(guī)定，穩(wěn)態(tài)情況下，人體可接觸的安全電壓限值為33V；

（2）根據(jù)GB/T 50698-2011的規(guī)定，當(dāng)管道上的交流干擾電壓≤4V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施，＞4V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估。交流電流密度可按下式計(jì)算；

式中：

JAC：評(píng)估的交流電流密度（A/m2）；

V：交流干擾電壓有效值的平均值（V）；

ρ：土壤電阻率（Ω·m）；

d：破損點(diǎn)直徑（m），取0.0113。

（3）根據(jù)GB/T 50698-2011的規(guī)定，管道受交流干擾的程度可按照表1的指標(biāo)判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標(biāo)

3.2.2 交流干擾影響程度及規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，84#樁交流干擾電壓最大值26V＜33V的安全電壓。管道47#測(cè)試樁—日照站段管道交流干擾電壓平均值波動(dòng)范圍為0.63～3.84V，管道交流干擾電壓平均值整體＜4V，交流干擾程度判定為弱，暫不采取排流措施。

4 緩解防護(hù)措施

針對(duì)直流地鐵對(duì)管道的干擾可采取的緩解措施有排流法、屏蔽法、絕緣分割法等[10]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，應(yīng)首先通過調(diào)整現(xiàn)有陰極保護(hù)輸出和分段絕緣措施來抑制其干擾影響，然后考慮在干擾嚴(yán)重的區(qū)域通過增設(shè)陰保站、補(bǔ)充犧牲陽極等方法進(jìn)行緩解防護(hù)。

4.1 分段絕緣

將管道沿線站場(chǎng)、閥室的跨接電纜斷開，將管道分為3段保護(hù)。

4.2 調(diào)整陰保系統(tǒng)

結(jié)合管道電位偏移分布和現(xiàn)場(chǎng)饋電實(shí)驗(yàn)的情況在泊里站增設(shè)線路1座陰保站，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造，將恒電位儀長效參比電極更換為抗干擾極化探頭[11]?？垢蓴_極性探頭可為恒電位儀提供一個(gè)消除IR降之后相對(duì)穩(wěn)定的電位信號(hào)，降低恒電位儀輸出電流的波動(dòng)，提高恒電位儀的陰極保護(hù)效率。

4.3 排流防護(hù)

在管道84～122#樁正向偏移的陽極影響區(qū)段增設(shè)14處鋅合金犧牲陽極組進(jìn)行排流防護(hù)。排流裝置主要包括極性排流器、鋅合金犧牲陽極接地材料、連接電纜、測(cè)試樁等。

5 防護(hù)效果評(píng)價(jià)

針對(duì)某管道雜散電流干擾的防護(hù)措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施完成后，開展管道線路陰保系統(tǒng)運(yùn)行情況和線路管道陰保電位的長周期檢測(cè)對(duì)防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.1 線路陰保系統(tǒng)運(yùn)行情況

線路陰保站恒電位儀設(shè)備對(duì)應(yīng)的參比電極調(diào)整為抗干擾極化探頭后，線路陰保系統(tǒng)恒電位儀運(yùn)行情況如表2所示。

表2 線路陰保系統(tǒng)恒電位儀運(yùn)行數(shù)據(jù)表

針對(duì)3#站恒電位儀設(shè)備電位波動(dòng)的情況，將設(shè)備調(diào)整為恒電流模式運(yùn)行，結(jié)合站外線路管道斷電電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將設(shè)備輸電電流設(shè)置在0.75A。

5.2 管道電位檢測(cè)分析

某管道在采取分段絕緣、增設(shè)陰保站、調(diào)整陰保系統(tǒng)輸出、設(shè)置排流裝置后，重新對(duì)管道沿線部分干擾段進(jìn)行電位的長周期檢測(cè)，并對(duì)排流效果進(jìn)行分析。

5.2.1 直流干擾防護(hù)效果

根據(jù)前期線路管道電位的測(cè)試情況，對(duì)管道部分干擾嚴(yán)重位置進(jìn)行長周期監(jiān)測(cè)測(cè)試，管道部分測(cè)試樁通斷電測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示；管道部分測(cè)試樁斷電電位偏移及占比如表4所示。

表3 管道長周期測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表4 管道電位偏移及占比時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)長周期檢測(cè)結(jié)果，在采取緩解防護(hù)措施后，管道電位偏移及占比滿足《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS 2832.1中埋地管道直流干擾防護(hù)效果檢驗(yàn)指標(biāo)。

5.2.2 交流干擾防護(hù)效果

根據(jù)在采取緩解措施后，管道部分測(cè)試樁交流干擾電壓、交流電流密度等數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 管道交流干擾檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

在采取緩解措施后，管道沿線交流干擾電壓峰值均滿足GB/T 3805《特低電壓（ELV限值）》規(guī)定的33V的安全電壓限值，同時(shí)在管道沿線的土壤電阻率≤25Ω·m的位置，交流干擾電壓平均值＜4V；在管道沿線的土壤電阻率＞25Ω·m的位置，交流電流密度均＜60A/m2，滿足GB/T 50698《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中交流腐蝕限值的要求。

6 結(jié)論及建議

通過開展相關(guān)的雜散電流干擾檢測(cè)和緩解措施驗(yàn)證檢測(cè)工作，基本明確了青連電氣化鐵路、青島地鐵13#線作為干擾源對(duì)某管道的干擾影響范圍、影響程度、周期性變化以及電位偏移等規(guī)律，提出并驗(yàn)證了分段絕緣、增設(shè)陰保站、增設(shè)極性排流器和更換抗干擾極化探頭等措施的有效性，對(duì)電氣化鐵路、地鐵等干擾源對(duì)油氣管道產(chǎn)生雜散電流干擾的治理方面提供的實(shí)踐參考。