華南某成品油管線地鐵雜散電流干擾評價及防護方案研究

陳 程

(武漢市燃氣集團有限公司， 湖北 武漢 430030)

0 前 言

根據交通運輸部城市軌道交通運營數據顯示，2023 年2 月我國已有52 個城市(包含縣級市)開通了城市軌道交通，運營里程近萬公里，其中30 多個城市貫通地鐵。 近幾年，北京、上海、深圳、武漢等城市地鐵雜散電流干擾工作顯示，地鐵雜散電流是造成埋地燃氣管道腐蝕穿孔泄漏的重要隱患[1-5]。 在直流牽引供電系統中鋼軌自身存在縱向電阻，且與大地不能做到完全絕緣，常用的幾種雜散電流源頭控制措施無法避免雜散電流的產生，開展動態直流雜散電流對埋地金屬管道干擾和防護的研究，對于管道的安全運行具有重要的借鑒和指導意義[6]。

國內外研究人員對動態雜散電流的干擾做了較多工作，Simon[7]通過埋設檢查片研究輕軌開通前后對埋地管道的影響，測試了檢查片的流入、流出電流密度，通過法拉第定律計算流出電流密度對應的腐蝕速率來分析管道的腐蝕風險，并適時調整陰極保護站輸出，使檢查片均為受保護狀態。 Greenberger 等[8]利用模型模擬計算雜散電流對牽引變電站附近裸鑄鐵水管的腐蝕影響，假定不同比例泄露電流，計算管道與變電站不同間距的腐蝕電流密度(對應腐蝕年限)和影響范圍，從而為管道設計提供參考。 Allahkaram 等[9]對受到動態雜散電流干擾的天然氣管道進行腐蝕檢查片的埋設，同步進行試片電流密度和通電電位的測量，發現實際腐蝕速率僅為計算腐蝕速率的27%。 Qian 等[10]研究了X52 管線鋼在陽極和陰極不同電流密度下電位和pH 值的變化，發現雜散電流在陽極區加速管道腐蝕，在陰極區提供保護電流。 Xu 等[11]搭建了地鐵雜散電流干擾模擬試驗裝置，測試了不同干擾參數下鋼筋和管道的極化電位的變化，獲得了不同干擾參數和腐蝕嚴重程度的非線性關系曲線。 唐德志等[12]利用現場實驗和理論分析相結合的方法進行了鎂合金犧牲陽極排流技術的應用研究，其結果表明，干擾狀態下當管道電位正向不超過＋1.5 V(vs CSE)時，鎂合金犧牲陽極可以有效地抑制地鐵雜散電流干擾，但其保護范圍有限。

目前國內外關于地鐵雜散電流的干擾評估與防護的研究主要集中在理論設計與緩解措施的應用，但大多數僅僅局限于雜散電流產生的原因、危害以及檢測和防護方法的基本介紹，關于現場實際情況設計的實驗方案較少[13-17]。 本工作介紹了華南某段成品油管線直流雜散電流干擾測試數據及干擾風險評估結果，并考察了自身陰極保護系統調試，進出站絕緣接頭跨接，強制電流排流3 種方案的緩解效果，最終確定強制電流排流為最優緩解方案。 該工作可為管道雜散電流干擾的防護設計以及陰極保護站的布局或優化輸出電流提供參考。

1 測試方法

根據GB/T 21246-2020 “埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法” 規定的埋地管道管地電位測量方法[18]，采用uDL2 Data Logger 電位數據記錄儀和飽和硫酸銅參比電極進行測試，記錄頻率為1 次/s，記錄時長≥20 h。 其中直流雜散電流的測試試片尺寸選擇6.5 cm2，通斷周期為5 s(通4 s，斷1 s)；在斷電后300 ms時測試斷電電位。 絕緣接頭采用電位法進行測試，陽極地床接地電阻采用長接地體接地電阻測試法，土壤電阻率采用對稱四極交流電法，電極間距為2 m，測試儀器均為ZC-8 型接地電阻測試儀。

2 結果與討論

樟村閥室至東莞站段某成品油管線，自東莞地鐵投運以來，ZC 閥室至54 號測試樁段管道管地電位波動頻繁劇烈，部分位置陰極保護電位不滿足GB/T 21448-2017 “埋地鋼質管道陰極保護技術規范”[19]中的要求。 現場勘查得知，該段管線與東莞地鐵2 號線位置關系如圖1 所示。 在44 號＋909 與46 號＋529 測試樁之間存在一處交叉，并在ZC 閥室至44 號＋909 測試樁段存在并行，并行間距小于1 km，并行長度約2.5 km。 本次測試對ZC 閥室及DW 站陰極保護系統進行檢測，包括:恒電位儀、絕緣接頭、輔助陽極地床、土壤電阻率、管道沿線通斷電電位以及直流雜散電流干擾。

圖1 東莞地鐵2 號線與管線位置關系圖Fig.1 Location relationship between dongguan metro Line 2 and pipeline

2.1 陰極保護系統檢測

ZC 閥室至DW 站管線共約22.5 km，共設置外加電流陰極保護系統2 套，其中ZC 閥室1 套，保護上下游管線；DW 站1 套，保護進站及出站管線，站內未設置陰極保護系統，恒電位儀均可正常運行。 陰極保護系統分布如圖2 所示。 ZC 閥室未設置絕緣接頭，DW 站進出站管線均設置有絕緣接頭，DW 站進站與出站管線在恒電位儀陰極線及零位線接線柱處設置有跨接，ZC閥室和DW 站陰極保護系統輔助陽極地床接地電阻分別為8.21 Ω 和7.82 Ω，相對較高。

圖2 ZC 閥室至DW 站陰極保護系統分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of cathodic protection system from ZC valve chamber to DW station

采用電位法對DW 站進出站絕緣接頭進行測試。測試數據如表1 所示，進出站位置絕緣接頭，站內、站外管線通電電位及交流電壓平均值存在明顯差異，可判斷進站位置絕緣接頭良好。

表1 DW 站進出站絕緣接頭測試數據Table 1 Test data of insulated joint in and out of DW station

2.2 土壤電阻率測試

管道沿線共完成土壤電阻率測試23 處，測試結果如表2 和圖3 所示，根據GB/T 21447-2018[20]判斷1處土壤腐蝕性“強”(電阻率＜20 Ω·m)，7 處土壤腐蝕性為“中”(電阻率20～50 Ω·m)，15 處土壤腐蝕性為“弱”(電阻率＞50 Ω·m)。

表2 ZC 閥室至DW 站土壤電阻率測試數據Table 2 Test data of soil resistivity from ZC valve chamber to DW station

圖3 ZC 閥室至DW 站土壤電阻率測試結果Fig.3 Test results of soil resistivity from ZC valve chamber to DW station

2.3 直流雜散電流監測及評價

2.3.1 測試結果評估標準

關于雜散電流干擾下的管線風險評估，國內相關標準如GB/T 21448-2017[19]及GB 50991-2014[21]均側重穩態的直流干擾，但關于動態直流雜散電流干擾的評判還不完善，而在國外相關標準中，如澳大利亞標準AS 2832.1-2015[22]就考慮了動態雜散電流的干擾，對地鐵雜散電流干擾下陰極保護管線的風險評價做了如下規定，對于短時間極化的構筑物，防腐層性能良好的構筑物或已證實對雜散電流的響應為快速極化和去極化的構筑物，應遵循以下準則:

電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；

電位正于保護準則＋50 mV(對鋼鐵構筑物電位為-800 mV)的時間不應超過測試時間的2%；

電位應正于保護準則＋100 mV(對鋼鐵構筑物電位為-750 mV)的時間不應超過測試時間的1%；

電位正于保護準則＋850 mV(對鋼鐵構筑物電位為0 mV)的時間不應超過測試時間的0.2%。

2.3.2 動態直流干擾結果評估

對ZC 閥室至DW 站23 處管道電位進行監測，通電電位測試結果如圖4 所示。 由測試結果可知，管道沿線電位均發生明顯波動，其中ZC 閥室至51 號＋906測試樁電位波動范圍較大， 約5～-6 V 之間；其余測試樁電位波動范圍較小，約1 ～-2 V 之間，結果表明該段管線受直流雜散電流干擾影響。

圖4 ZC 閥室至DW 站通電電位監測結果Fig.4 Monitoring results of energized potential from ZC valve station to DW station

為確定干擾源類，對距離地鐵最近的46 號＋529 測試樁通電電位監測數據進行分析，根據電位波動范圍及東莞地鐵運行時刻表可將測試結果分為5 個階段，如圖5 所示。 其中階段3 管線通電電位基本無波動，說明此時干擾源未工作，該時間段為00:00 ～5:30，這與地鐵運行規律基本一致，因此判斷干擾類型為地鐵直流干擾。 其余時間段5:30 ～24:00 管線電位均有明顯波動，但調查資料顯示東莞地鐵運行時間段為6:30～23:05，說明在5:30～6:30 以及23:05～24:00 2 個時間段管線受到其它直流干擾源影響，由于ZC 至DW 段管線與上游(廣州HP 站)及下游(深圳PS 站)方向管線均電連接，因此判斷:ZC 閥室至DW 站段管線主要受東莞地鐵影響，同時深圳和廣州地鐵對其也有影響。

圖5 46 號＋529 測試樁通電電位監測結果Fig.5 Monitoring results of power-on potential of 46＃＋529 test pile

上述結果表明該段管線受動態直流雜散電流干擾，因此根據澳大利亞標準AS 2832.1-2015 對ZC 閥室至DW 站23 處管道24 h 斷電電位監測結果進行評價，評價結果如圖6 所示。 ZC 閥室至51 號＋906 測試樁電位波動范圍較大，約在0.10 ～-1.25 V 之間；其余測試樁處電位波動范圍較小，約在-0.60 ～-1.10 V 之間。 此時受地鐵干擾電位正向波動超出標準限值時間最長的為46 號＋529 ～49 號測試樁段管線。 42 號＋080、42 號＋509、43 號、44 號＋909、46 號＋529、47 號＋430、48 號、49 號、50 號＋210、51 號＋906 樁處斷電電位分別正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0的比例均超出標準限值要求；52 號＋011、53 號＋550 樁處斷電電位正于-0.85 V、正于-0.80 V 的比例超出標準限值要求；52 號＋971、54 號＋125 處斷電電位正于-0.85 V 的比例超出標準限值要求。 共14 處，合計61%的監測點斷電電位不滿足AS 2832.1-2015 標準要求。

圖6 ZC 閥室至DW 站斷電電位監測結果Fig.6 Monitoring results of outage potential from ZC valve chamber to DW station

2.4 不同緩解方案效果對比

2.4.1 進出站絕緣接頭跨接

本測試研究DW 站進出站跨接給ZC 閥室至DW站段管線帶來的影響。 DW 站陰極保護系統及干擾源示意圖如圖7 所示，由于43 號～54 號＋125 段管線受地鐵干擾較為嚴重，在該段選擇5 處位置及DW 站進站絕緣接頭處進行電位測試。

圖7 DW 站陰極保護電流及雜散電流示意圖Fig.7 Schematic diagram ofcathodic protection current and stray current of DW station

DW 站進出站跨接線連接及斷開2 種狀態下電位波動情況如圖8 所示，跨接線斷開前后管道電位均頻 繁波動，難以說明進出站跨接線對干擾的影響。

圖8 DW 站進出站跨接前后電位監測數據Fig.8 Potential monitoring data of DW station before and after entering and leaving the station

對圖8 電位監測結果進行處理得到如圖所示電位統計圖(見圖9)。 由圖9 可知，DW 站跨接前后測試樁電位均發生了波動，但電位波動范圍均較小，因此判斷DW 站進出站跨接對ZC 閥室至DW 站段管線電位存在一定影響，但影響相對較小，暫可不考慮，后期測試均將在DW 站進出站管線跨接的情況下進行。

圖9 DW 站進出站跨接前后電位統計數據Fig.9 Statistical data of potential before and after the entry and exit of DW station

2.4.2 陰極保護系統調試

根據圖1 和圖6 測試結果可知，受干擾的43 號～54 號＋125 段管線均處于ZC 閥室陰極保護系統的保護范圍內，增大ZC 閥室陰極保護系統輸出電流至3.0 A，DW 站陰極保護系統維持原有輸出3.5 A，管道沿線5處測試樁處電位如表3、圖10 所示，此時受地鐵影響正于保護電位時間最長的為46 號＋529 樁，比例為26.59%，且43 號、44 號＋909、49 號樁處斷電電位分別正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例超出標準限值要求，46 號＋529 樁處斷電電位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V 的比例超出標準限值要求，說明該狀態下管道陰極保護電位無法滿足標準要求。

表3 ZC 閥室恒流3.0 A 運行時電位監測結果Table 3 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 3.0 A operation

圖10 ZC 閥室恒流3.0 A 運行時電位監測結果Fig.10 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 3.0 A operation

將ZC 閥室陰極保護輸出電流從3.0 A 逐步提高到6.0 A，DW 站陰極保護系統仍維持原有輸出3.5 A。 管線電位如表4、圖11 所示。

表4 ZC 閥室恒流6.0 A 運行時電位監測結果Table 4 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 6.0 A operation

圖11 ZC 閥室恒流6.0 A 運行時電位監測結果Fig.11 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 6.0 A operation

此時受地鐵影響正于保護電位時間最長的仍為46號＋529 樁，比例為19.11%，且43 號、46 號＋529、49 號測試樁處管線電位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例仍超出標準限值要求；52 號＋971 測試樁處管線電位正于-0.85 V 的比例仍超出標準限值要求。 但此時41 號＋981 測試樁處管線斷電電位負于-1.20 V 的比例已經達到22%，不宜繼續增加ZC 閥室陰極保護系統輸出。

2.4.3 強制電流排流

選取受干擾最嚴重的46 號＋529 測試樁處進行現場排流實驗，配合現有陰極保護系統進行測試，現場排流示意圖如圖12 所示。 DW 站陰極保護系統輸出電流恒定設置為3.5 A，ZC 閥室陰極保護系統輸出電流恒定設置為6.0 A。 46 號＋529 測試樁處分別饋入1.0、3.0 A 電流，對管道沿線斷電電位變化進行監測。

圖12 現場排流測試示意圖Fig.12 Schematic diagram of on-site drainage test

46 號＋529 測試樁饋入1.0 A 電流時，管道沿線電位監測數據如表5、圖13 所示。 此時受地鐵影響正于保護電位時間最長的為43 號樁，比例為12.05%，且43號、46 號＋529 測試樁處管線電位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例仍超出標準限值要求；49 號測試樁處管線電位正于-0.85V、正于-0.80 V 的比例仍超出標準限值要求。

表5 46 號＋529 處饋電1.0 A 時電位監測結果Table 5 Potential monitoring results when feeding 1.0 A at 46＃＋529

圖13 46 號＋529 處饋電1.0 A 時電位監測結果Fig.13 Potential monitoring results when feeding 1.0 A at 46＃＋529

根據上述測試結果繼續增大46 號＋529 測試樁處排流地床輸出，當輸出達到3.0 A 時，管道沿線電位監測數據如表6、圖14 所示。 此時僅43 號測試樁處管線受地鐵干擾電位正于-0.80 V 的比例為2.85%，略微超出2%的限值要求，其余測試樁均可達到保護，該條件下管道陰極保電位基本滿足標準要求。

表6 46 號＋529 處饋電3.0 A 時電位監測結果Table 6 Potential monitoring results when feeding 3.0 A at 46＃＋529

圖14 46 號＋529 處饋電3.0 A 時電位監測結果Fig.14 Potential monitoring results when feeding 3.0 A at 46＃＋529

3 結 論

(1)該段管線陰極保護系統進行測試結果表明:除ZC 閥室和DW 站接地電阻偏高，其他陰極保護系統均正常。

(2)沿線土壤電阻率測試結果顯示:1 處土壤腐蝕性為“強”，7 處土壤腐蝕性為“中”，15 處土壤腐蝕性為“弱”。

(3)23 處測試樁24 h 通斷電電位測試結果表明:ZC 閥室至DW 站段管線同時受東莞、深圳以及廣州地鐵的影響，其中ZC 閥室至51 號＋906 測試樁干擾最嚴重，共14 處監測位置斷電電位不滿足AS 2832.1-2015標準要求。

(4)3 種緩解方案結果表明:強制電流排流為最優緩解方案，DW 站跨接和增大ZC 閥室陰極保護系均無法有效抑制雜散電流干擾，在46 號＋529 測試樁處饋入3.0 A 電流基本滿足標準要求，建議在46 號＋529 測試樁附近增設強制排流地床緩解當前地鐵雜散電流干擾現狀。