中低速磁悬浮列车对埋地管道的干扰

戴乾生，惠海军，陈 凯，姜子涛，崔 伟，李永发

（1.中石油管道有限责任公司 西气东输分公司，上海200122；2.西南石油大学，成都610500；3.中国石油大学（北京），北京102200；4.安科工程技术研究院（北京）有限公司，北京100803）

中低速磁悬浮列车具有环保、安全性高、建设运营成本低等优点，特别适用于城市市区和近距离的城市间，可替代轻轨和地铁［1-3］。为了满足黄花机场客流集输运需求的需要，我国自主设计完成了长沙中低速磁悬浮工程。由于路由选择和地形限制，磁悬浮列车和某埋地天然气管道在01号和02号测试桩分别出现了交叉和并行（如图1所示）。由图1可见：地铁A、B号线距离交叉点分别为17.6 km和7.9 km，因此，在考察磁悬浮对管道影响的同时，地铁对管道的腐蚀也不容忽视。

中低速磁悬浮列车的供电系统结构等虽与其他城市轨道交通的一致，但在受流方式、接地方式等方面依然存在差异［1，4］。磁悬浮线路均使用第三轨受流、第四轨回流的接触轨-集电靴方式［1，5］，如图2所示，列车与走行轨不直接接触，因此采用专设回流轨的形式进行回流，回流轨与接触轨采用同样的安装形式，并通过回流电缆将电流引至牵引所负极轨。

由于采用这种受电方式的列车与大地无连接，故电气设备产生的静电无处释放，电荷积累引起的高电压对电磁兼容性较高的设备也是不利的［6］。此外，为了安全考虑，磁悬浮的回流轨在某种意义上也需要接地，回流轨和车体通过二极管／电容／电阻回路在电气上连为一体，回流轨在牵引变电所内通过单导装置接地，并且在列车停站时通过列车接地靴与列车接地轨连接，而列车落在F轨上，F轨是接地的，因此，若漏电保护装置不好，磁悬浮产生的电场可能对管道有一定的影响［6-8］。

图1 管道-磁浮和管道-地铁位置关系图Fig.1 Position diagram of gas pipeline-magnetic levitation（a）and gas pipeline-subway（b）

图2 磁悬浮供电原理图Fig.2 Schematic diagram of magnetic levitation power supply

另外，磁悬浮列车的悬浮系统、推进系统等产生的磁场也可能对管道产生一定的影响。为了保证某燃气管道的安全运营，研究长沙磁悬浮产生的电磁场对埋地钢制燃气管道的腐蚀影响显得尤为重要。鉴于此，本工作通过对交叉点、并行点和远离点（距离交叉点约2 km）进行现场检测、远传测试和腐蚀试片分析，研究了磁悬浮对某埋地然气管道的影响情况。

1 现场测试

现场测试主要包括管道干扰通电电位的普测、48 h远传监测、扁铁对地电位的24 h监测及在交叉点处磁悬浮经过和远离时的磁场测量。

1.1 测试方法

为了弄清磁悬浮运行时产生的电场对管道腐蚀的影响，利用万用表测试交叉点、并行点和远离点通电电位的最大值、最小值和平均值，测试时间为10 min；同时在交叉点和远离点处进行48 h远传监测，远传测试数据采集间隔为1 s，远传监测装置如图3所示；采用UDL2测试了交叉点附近的扁铁对地电位，测试时间为24 h。最后用BST600高斯计测试了磁悬浮运行时磁场的大小。

图3 远传监测系统的安装示意图Fig.3 Installation diagram of remote transmission monitoring system

1.2 现场测试结果

1.2.1 管道干扰通断电电位测试结果

磁悬浮与管道在交叉点、并行点和远离点的通电电位最大值、最小值和平均值如图4所示。可以看出，交叉点处的通电电位为－0.594～－2.8 V（相对于铜／硫酸铜参比电极，CSE，下同），并行点处的通电电位为－0.545～－2.791 V；而远离点处的通电电位为－0.634～－2.299 V。即这三处的通电电位波动都很大，波动幅值远大于100 mV，这说明管道受到直流干扰。但交叉点处的通电电位波动浮值并没有因磁悬浮的经过而明显大于并行点与远离点处的。此外，在现场调研时也发现，磁悬浮经过交叉点正上方时，交叉点的通电电位也没有因磁悬浮的经过而呈现显著变化，这意味着直流干扰源并不是磁悬浮，很可能是地铁B号线。

由于现场的10 min普查测试并不具有普遍性。因此，进行48 h远传监测，远传监测结果如图5所示。可以看出，交叉点和远离点处的通电电位波动都非常的剧烈，而且波动趋势在时间上存在明显分界，在6∶30～23∶00时间段内，波动较大，波动范围为－2.8～－0.5 V，而在24∶00～6∶30时间段，通电电位比较平稳，维持在－1.7 V左右。另外，管道的断电电位在6∶30～24∶00时间段内虽然也有波动，但整体维持在－1.2 V，说明阴极保护满足标准要求。

图4 管道不同位置通电电位的最大值、最小值和平均值Fig.4 Maximum，minimum and average values of on-potentials at different locations of the pipeline

图5 管道不同位置的通电电位监测结果Fig.5 Monitoring results of on-potential at different positions of the pipeline

目前的监测结果还不能很好地确定磁悬浮运行前和运行时对管道的影响；但从磁悬浮和地铁运行的线路可知，交叉点处的管道可能同时受地铁和磁浮干扰；而远离点处的管道仅仅受地铁干扰［3，9］。因此，根据磁浮和地铁的运行时间，将48 h的远传数据进行分段处理，以确定磁浮对管道的影响。磁浮首班发车时间为7∶00，而地铁首班车时间为6∶00，将6∶00～7∶00的远传数据进行分段处理，可以判断地铁对管道的影响情况。现场调研也发现，上午时间，磁悬浮运行间隔约为5 min，而下午时运行时间间隔为10～15 min。因此将10∶00～12∶00间采集的数据进行分段处理，可以确定磁悬浮对管道的影响。地铁启动而磁悬浮未启动以及地铁和磁悬浮同时启动时，交叉点和远离点的通电电位如图6和图7所示。可以看出，磁悬浮未启动，而地铁运行时，交叉点和远离点处的通电电位变化趋势基本相同，通电电位基本为－2.4～－1.0 V。这可能是磁浮未启动时，两侧同时受地铁干扰，且干扰趋势基本相同。由图7可见：地铁和磁浮同时运行时，交叉点处的通电电位并未因磁浮的启动而出现剧烈波动，即交叉点和远离点处的通电电位依然具有相同的变化趋势，交叉点处的通电电位没有因磁悬浮的经过而出现明显的波动峰值，电位值仍然为－2.4～－0.8 V，这可能是磁悬浮对管道没有产生干扰或者磁悬浮对管道的干扰极其微弱，被地铁信号掩盖所致。

1.2.2 磁悬浮杂散电流检测

管道干扰普查和远传检测结果还不能最终确定磁悬浮对管道的干扰情况。然而，磁悬浮轨道与地铁轨道类似；如果磁悬浮在运行时有杂散电流产生，则会沿着磁悬浮的高架桥墩处向大地泄漏杂散电流。现场调研发现，在磁悬浮与然气管道交叉点前方50 m处的高架桥墩处有一接地扁铁。因此，测试了为期24 h的扁铁对地电位，见图8。可以看出，扁铁对地电位基本为－0.67～－0.69 V，并没有明显的正向偏移。同时，现场检测中也观察到，即使磁悬浮运行至管道正上方，电位也没有明显的偏移现象。这表明磁悬浮高架桥墩没有电流泄漏，因此磁悬浮线路不会对管道产生杂散电流。

1.2.3 磁场检测结果

磁悬浮列车运行和启动时，分别在交叉点、并行点和远离点处，利用高斯计进行磁场测量，结果见图9。可以看出：交叉点、并行点和远离点处磁场大小都在一个数量级上；与并行点相比较，交叉点的磁场偏大，约为0.16 mT，而并行点和远离点的磁场相差不大，约为0.08 mT和0.06 m T。

图6 地铁启动而磁悬浮未启动时管道不同位置的通电电位Fig.6 On-potentials at different locations of the pipeline when the subway was started but the maglev was not started

图7 地铁和磁悬浮同时启动时管道不同位置的通电电位Fig.7 On-potentials at different locations of the pipeline when both the subway and the magnetic levitation were activated

图8 扁铁对地电位Fig.8 The potentials of slab iron to earth

图9 管道不同位置的磁场情况Fig.9 Magnetic field at different locations of the pipeline

2 腐蚀模拟试验

根据现场测试结果，交叉点、并行点和远离点处的电场干扰较小，而交叉点处的磁场偏大。为了考察磁悬浮列车产生的磁场对管道的影响情况，在交叉点、并行点和远离点处进行现场埋片，并对埋设8个月的试片进行腐蚀形貌观察和腐蚀速率测试。同时，为了进一步证明现场的试验结果，在实验室再次进行模拟弱磁场下钢制管道的腐蚀行为试验。

2.1 试验方法

2.1.1 腐蚀试片的设计

现场试片与埋地燃气管道材质相同，埋设位置位于交叉点、并行点和远离点处。现场埋设试片的尺寸如图10所示，且表面打磨后无麻点、裂纹等缺陷。

图10 试片的尺寸Fig.10 The size of sample

试片打磨至合格后，用乙醇浸泡，采用超声波清洗脱脂约20 min，用自来水冲洗除去不溶污物，吹（擦）干后再放入无水乙醇中浸泡脱水约5 min，取出吹干，最后用干净白纸包好，放入干燥器内干燥24 h。为了使试样连接良好，用导电胶将6.5 mm2的铜导线与试样连接，并将试样放在φ40 mm×0.5 m的PVC管中，导线另一端标记试样编号、埋设点等信息。试样用石蜡密封，密封后再次测量导电性。

实验室模拟试验用试片尺寸为φ11.3 mm×4 mm和25 mm×25 mm×4 mm。试验前处理方法与现场试片的相同。

2.1.2 腐蚀检查片的腐蚀处理

现场试片取出后，先进行宏观形貌观察，然后在实验室进行物理清洗和化学清洗。物理清洗即在水中超声震荡10 min后，用毛刷刮掉表面的沉土和泥沙，以观察表面腐蚀产物颜色。化学清洗是将试样放入酸洗液（500 mL盐酸，3.5 g六次甲基四胺，加蒸馏水配制成1 000 mL）进行酸洗，观察金属基体的减薄现象。

2.2 结果与讨论

2.2.1 现场埋片

由图11和12可见：经物理清理后，试片表面仍有大量泥土和腐蚀产物沉积，部分试片表面也分布着一层黄褐色的锈层；经过化学酸洗后，试片表面的锈层被除去，金属基体显露，但埋设的试片都具有小面积的金属基体减薄现象，腐蚀形貌相差较小。由图13可见：交叉点处埋设的试片的腐蚀速率并没有因磁场的偏高而明显增大，试片在埋设位置的腐蚀速率为0.005～0.008 mm／a。可见，磁悬浮的微弱磁场对管道的腐蚀影响较小。

2.2.2 实验室模拟试验结果

为了更好地确定磁悬浮产生的微弱磁场对埋地管道的腐蚀影响，在实验室进行了微弱磁场下的土壤腐蚀模拟试验。微弱磁场的磁场强度为0.15 mT，试片分为微弱磁场下的自然腐蚀片和微弱磁场下的阴保腐蚀试片。

试片在微弱磁场下浸没7 d后的腐蚀形貌如图14所示。可以看出，浸没7 d后，试片表面有较少的腐蚀点，这可能是由于土壤腐蚀所引起的。这和文献［10］中的结果是一致的，即微弱磁场对腐蚀的影响表较小。

图11 在不同位置埋设8个月后的试片经物理清洗后的表面形貌Fig.11 Surface morphology of the test pieces after being buried for 8 months in different positions after physical cleaning

图12 在不同位置埋设8个月后的试片经化学清洗后的表面形貌Fig.12 Surface morphology of the test pieces after being buried in different positions for 8 months after chemical cleaning

图13 试片在不同位置埋设8个月后的腐蚀速率Fig.13 Corrosion rates of the test pieces after being buried in different positions for 8 months

图14 试片在微弱磁场条件下腐蚀7 d后的表面形貌（无阴保）Fig.14 Surface morphology of the test piece after 7 d corrosion in a weak magnetic field without cathodic protection

根据图5，管道的断电电位在－1 V以下，符合阴保标准。因此，给试片施加－1 V阴保电位，在微弱磁场下进行实验室模拟试验，试验后的宏观形貌如下图15所示。可以看出，在有阴保的条件下，在微弱磁场环境中腐蚀7 d后，试样表面完全没有腐蚀出现，这进一步证明微弱磁场对埋地管道的腐蚀影响较小。

图15 试片在微弱磁场条件下腐蚀7 d后的表面形貌（有阴保）Fig.15 Surface morphology of the test piece after 7 d corrosion in a weak magnetic field with cathodic protection

3 结论

（1）管道与磁悬浮轨道交叉点、远离点、并行点处的通电电位相差较小，均约为－1.6 V；磁悬浮高架桥墩处，扁铁对地电位基本保持为－0.68 V，随着磁悬浮的经过，扁铁对地电位并没有明显的正向偏移，即磁悬浮对埋地管道的电干扰较小。

（2）试片在交叉点、并行点和远离点处埋设8个月，均有少量的腐蚀产物覆盖，清除腐蚀产物后，试片均有少量的金属基体减薄现象。试片在交叉点、并行点和远离点三处的腐蚀速率分别为0.008，0.00，0.006 mm／a，腐蚀速率相差较小。

（3）实验室模拟试验结果表明，微弱磁场下，有阴保试片表面完全没有腐蚀出现。即磁悬浮产生的磁场对管道的腐蚀影响较小。