馈电试验在地铁杂散电流干扰排流中的应用

韩非

（深圳市燃气集团股份有限公司，深圳518049）

馈电试验在地铁杂散电流干扰排流中的应用

韩非

（深圳市燃气集团股份有限公司，深圳518049）

埋地钢质管道受地铁动态直流杂散电流干扰的缓解是管道界的一个难题。本工作尝试使用强制电流阴极保护的方式，用强化的阴极保护电流缓解地铁动态干扰对管道的腐蚀影响。馈电试验有助于选取合适的强制电流阳极地床位置以及强制电流阴极保护系统的输出，取得最优的排流效果。

动态直流杂散电流；馈电试验；缓解；阴极保护

城市地铁系统一般都采用直流牵引供电方式。电力机车通过受电弓或者集电靴受电后，直流电流以机车走行钢轨作为回流导体。地铁的轨道设计中包含绝缘环节，以避免牵引电流泄漏入大地。但是现实情况中由于设计或施工、维护的问题，轨道不可能实现对地完全绝缘，部分回流电流会泄漏入大地形成杂散电流。这些杂散电流对周边的埋地钢质管道造成干扰。在管道吸收直流杂散电流的部位，可能会出现防腐蚀层的剥离和管材氢脆问题；在管道排放杂散电流的区域，存在加剧管壁腐蚀的风险。

地铁直流杂散电流对埋地钢质管道造成的干扰问题，是目前困扰管道业界的一个重大课题。牺牲阳极和强制电流是埋地钢质管道常用的两种阴极保护方式，在城市天然气管道的腐蚀与防护中，这两种阴极保护系统都有使用。牺牲阳极阴极保护的管道在受到动态直流杂散电流干扰时，干扰电流可以通过牺牲阳极泄放入大地，减缓管道的腐蚀风险；但是这种保护模式存在的问题是在管道吸收杂散电流的部位，由于牺牲阳极的存在，相当于管道防腐蚀层存在诸多漏点，所以管道吸收的直流杂散电流量也会相应增加。近年来部分业主单位在利用牺牲阳极进行直流干扰排流时，为了减少牺牲阳极吸收直流杂散电流的数量，使用单向导通的装置连接牺牲阳极与管道［1］。该装置只允许管道通过牺牲阳极排泄电流，直流电流不能通过牺牲阳极逆流进入管道。该方法的有效性有待进一步的研究。此外因为牺牲阳极本身排流能力有限且单向导通装置在雷暴频繁地区易于损坏，所以其应用性受到限制。

强制电流阴极保护系统在直流杂散电流缓解方面，也有广泛的应用。在北美常见的应用模式是采用恒电位控制的直流电源（整流器）为管道提供阴极保护［2］。根据相关标准［3］，当管地界面的极化电位达到-850 mV（CSE，下同）或者更负时，阴极保护即为有效。对于遭受动态直流杂散电流干扰的埋地管道，只要确保其极化电位达到-850 mV，即可排除腐蚀风险。

在使用极化电位或断电电位对动态直流杂散电流干扰情况下的阴极保护有效性进行评价时，经常遇到的一个问题是管道断电电位短时间的正向波动。这个问题导致阴极保护有效性结论很难确定。就此问题，目前国际上可以参考的一个标准是澳大利亚标准AS2832.1［4］。在该标准中，利用断电电位偏正的时间比例来判断阴极保护是否有效。

1 管道受干扰情况的调查

某次高压燃气管道长度为10km，防腐蚀层为三层PE，沿管道每隔500m埋设一组锌阳极进行阴极保护。在日常电位检测中发现该管道受到强烈的直流杂散电流干扰，通电电位波动剧烈。图1为使用电位数据记录仪在2号测试桩处进行管道通电电位长时间监测的数据。从该通电电位数据可以看到在地铁运行期间管道通电电位波动比较剧烈，而在地铁停运期间电位恢复正常。

图1 2号测试桩处管道通电电位长时间监测图Fig.1 Long-time monitoring of on-potential at test station 2#

为进一步排查管道受干扰情况，使用Fluke289万用表对全线测试桩进行10分钟普测，记录测试桩处通电电位的最大值、最小值和平均值，并绘图见图2。

图2 次高压管道1～10号测试桩处通电电位10 min普测图Fig.2 On-potential at test stations No.1 to 10（10 minutes）

以上检测数据表明管道受到强烈的地铁直流杂散电流干扰，在某次10 min的检测周期内管道的通电电位波动范围为-3.0～+0.5 V。该动态直流干扰严重影响了阴极保护系统的保护效果，在电位偏正位置，存在管道腐蚀的风险。

鉴于在存在杂散电流干扰的情况下无法通过通断阴极保护电源的方式检测管道断电电位，为了进一步评价管道的腐蚀风险，在现场检测工作中，采用了极化试片测试管道的断电电位，结合相关标准进行阴极保护有效性的评价。测试中使用的极化试片为圆盘状，面积6.5 cm2，材质与管道一致。将试片埋设在管道同等深位置，距离管壁20～30 cm。试片通过测试桩与管道连接，将铜/饱和硫酸铜参比电极（CSE）放置在试片附近以减少电位读数中的IR降，见图3。

图3 极化试片测试接线图Fig.3 Wiring of polarization coupon for off-potential reading

在进行试片的断电电位现场测试时，使用数据记录仪自动通断试片与管道的电连接，并记录试片的通电电位和断电电位。以图4中1号测试桩处埋设试片的通断电电位24 h连续监测数据为例来说明动态干扰对阴极保护电位的影响。

图4 1号测试桩处试片通断电电位24 h连续监测数据Fig.4 On-potential and off-potential of polarization coupon at 1#test station

在对全线测试桩处极化试片进行长时间的通断电电位监测后，发现1号～10号桩管道的断电电位均有部分时间无法达到-850 mV。根据澳大利亚标准AS2832.1将测试断电电位进行统计分析，统计结果见表1。

表1 直流干扰段管道试片断电电位偏正情况统计Tab.1 Anodic excursion of coupon off-potential

从统计结果可以得出，除了1号和2号测试桩达到标准要求，其他测试桩的断电电位正于保护标准+100 mV和+50 mV比例均无法达到标准的要求，因此需要对此段进行直流杂散电流排流。

2 馈电试验及排流方案设计

在该动态直流干扰的排流方案设计中，尝试使用强制电流阴极保护的方式给管道提供充足的保护电流，以抑制防腐蚀层破损点处杂散电流流出带来的腐蚀问题。在方案设计中安装临时阳极地床，使用直流电源进行馈电试验，选取最合理的排流地点、优化排流电流需求设计。在馈电试验中，仍使用前述的极化试片对阴极保护断电电位进行监测。在馈电试验运行48 h后，对在测试桩附近埋设试片的电位进行检测、记录，研究单个馈电点的有效排流缓解范围。本次馈电试验点分别选择3号～10号测试桩，试验中的临时阳极地床距离管道垂直距离尽量不小于50m。

以3号测试桩的馈电试验说明该设计方法。图5中展示的是不同馈电电流对3号、5号、7号测试桩处试片断电电位的影响。从馈电试验结果可以看出，在3号测试桩馈入2 A电流时，3号测试桩位置断电电位接近达到标准要求；馈入4 A时，5号测试桩和7号测试桩能达到标准要求。

表2中统计的是利用AS2832.1标准规定以及测试桩处24 h连续监测试片断电电位所做出的有效性判断统计。在3号测试桩馈电4 A 时，远至7号测试桩的断电电位是符合标准要求的。

图5 3号测试桩馈电试验结果Fig.5 Current requirement test results at 3#test station

表2 3号测试桩馈电试验结果数据有效性统计Tab.2 Evaluation of current requirement test results for 3#test station

因各测试桩处馈电试验数据性质重复，在此不再一一描述。在进行8处测试桩位置的馈电试验后，总结如下：在3号和9号测试桩的位置馈电入电流时，保护范围效果最好，且保护范围最大。单独使用3号测试桩的临时地床输出4 A电流时，能保护到7号测试桩，保护距离为7km；单独使用9号测试桩的临时地床输出4 A 电流时，两端能保护到6号和10号测试桩，保护距离为4km。表明在这两个位置安装阴极保护系统输出相应的电流，可以使整条管线的阴极保护到达标准的要求，并且因为电流叠加的作用，两处阴极保护系统各自的实际输出电流不需要达到4 A。

根据馈电试验所设计的管道干扰排流方案即为：在继续使用原有牺牲阳极阴极保护的情况下，在3号和9号测试桩位置追加阴极保护站，每个站的使用强制电流阴极保护的方式缓解动态直流杂散电流的干扰，可以较好地解决管道断电电位正向偏移问题，但是也会在部分时间加剧断电电位偏负的问题。管道断电电位过负，可能导致防腐蚀涂层的剥离或其他对管材有害的影响。在GB 21448［3］中提出极限保护电位不能比-1 200 mV更负。但是从目前业界现有的技术发展情况来看，很难找到一种同时解决电位偏正和偏负问题的方案。在AS2832.1［4］中提到在使用强制电流阴极保护对直流干扰排流时，短时间的电位偏负相对来说不重要。然而在该标准中未对“短时间”进行明确的定义，尚有待进一步研究明确。

输出电流至少为4 A。目前因征地以及电源问题尚未解决，还未进入工程施工阶段。

3 讨论

（1）使用强制电流阴极保护的方式对受到杂散电流干扰的管道进行排流缓解，是一种可行的方式，当管道电位满足标准要求时，管道的腐蚀风险可以得到有效控制。

（2）使用馈电试验方法，可以对干扰缓解设计进行辅助优化。可以优选阴极保护系统的安装位置以及电流输出参数。

（3）强制电流阴极保护方式对管道断电电位偏负的影响，以及电位偏负所带来的防腐蚀层剥离和氢脆等问题，应进一步研究明确。

（4）设计方案的保护效果，有待阴极保护系统安装投产后进一步测试研究。在阴极保护系统投产后，将进一步对各测试桩的试片断电电位进行监测，根据监测结果调整优化系统电流输出，以求既能达到有效保护，又尽量避免过负电位的出现。

［1］陈飞，周吉祥，牟南翔.埋地管道直流杂散电流排除实践［J］.腐蚀与防护，2013，34（2）：171-173.

［2］NACE International CP Interference training material［M］.Atlanta：January NACE International，2008.

［3］GB 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范［S］.

［4］AS2832.1-2004 Cathodic protection of metals part1：pipes and cables［S］.

Application of Current Requirement Test to Mitigation of DC Transit Stray Current Interference

HAN Fei
（Shenzhen Gas Corporation Ltd.，Shenzhen 518049，China）

Mitigation of DC transit stray current interference is one of the challenges faced by pipeline industry.In this study impressed current cathoclic protection（ICCP）was tried to mitigate the DC interference from DC transit system，using enhanced CP current as a counteract measure to prevent corrosion.Current requirement test is an optimal method to choose the anode site and output parameters for ICCP system to get an optimized mitigation result.

DC stray current；current requirement test；mitigation；impressed current cathoclic protection（ICCP）

TG174.4

B

1005-748X（2015）11-1101-03

10.11973/fsyfh-201511019

2015-08-13

韩 非（1981-），工程师，从事燃气管道运行管理工作，13632902155，jianainana@sina.com