埋地钢质管道受高铁交流干扰的数值模拟

2020-09-12孙兆强

腐蚀与防护 2020年8期

孙兆强

(中国石化管道储运有限公司,徐州 221008)

铁路是国家的重要基础设施，在综合运输体系中起着重要作用。至2020年，预计我国高速铁路(高铁)的营业里程达1.6万km[1]。与此同时，为了满足各地不断增长的能源需求，在过去十多年中我国兴起了油气长输管道的建设热潮，预计到2025年，全国油气管网规模达到24万km。

高铁与油气管线难免存在并行、交叉等情况，故埋地钢质管道会受到高铁产生的交流杂散电流的干扰(简称交流干扰)，导致管线腐蚀风险提高[2]。早期研究显示交流干扰引起的腐蚀(简称交流腐蚀)速率比较小，而且阴极保护可以有效阻止交流腐蚀，所以交流腐蚀一度被人们所忽视。但是20世纪90年代后，交流腐蚀问题再次受到关注[3-5]。国内外都相继报道了多起交流干扰案例[6-9]。铁路交流干扰问题日益突出，亟待解决。

目前，在杂散电流干扰的排流设计时，常采用解电路的方法推导出简化计算公式再计算求解。但是，该方法为了简化计算工作，进行了大量假设和限制，例如：采用均匀的土壤模型、不能计算多种干扰源同时干扰的过程、对动态干扰无法全面研究等。因此，该方法的适用范围较小、准确性较差。近年来，计算机仿真模拟技术突飞猛进，在热传导仿真、力学仿真、电场仿真等领域广泛应用。本工作通过边界元方法求解麦克斯韦方程组和电传导拉普拉斯方程，并与计算机技术结合，将结构在边界上离散化，通过迭代的方法计算得到干扰区域内电场、磁场的分布情况。该技术考虑因素较多，可以计算复杂金属结构以及多层土壤模型中的杂散电流干扰问题，且随着网格的细分，其计算准确性大幅提高，因此利用计算机仿真技术研究管线交流干扰问题，提前预知管线风险，对降低管线腐蚀风险，保障管线安全有重大意义。

1 背景简介

我国的高铁设计主要采用自耦变压器(AT)供电方式，AT供电方式的原理如图1所示。该供电方式是牵引线路中每隔一定距离在接触悬线和正馈线中并入一台绕组匝数比(ω1∶ω2)为1∶1的自耦变压器，变压器安装位置为AT所。电流从牵引变电所主变压器流出，变压器两端电压为U，流过电流为I/2，经过AT所由自耦变压器进行变压后，电压变为U/2，电流变为I。流过机车的电流在机车与最近AT所之间通过铁轨进行回流，在AT所与变电所之间通过正馈线及铁轨进行回流。

图1 AT供电原理图Fig. 1 Schematic diagram of AT power supply

油气管道与高铁相互靠近时，受到来自高铁供电系统的交流干扰。高铁系统主要通过感性耦合及阻性耦合对埋地钢质管道产生危害和干扰影响，如图2所示。其中感性耦合是当管道和高铁供电线路近距离并行时，高铁接触悬线、正馈线、铁轨中电流流动产生的交变磁场，在磁场作用下管线中的电荷交替地流向管线的两端，产生交流杂散电流，其强度与干扰源电流大小及并行长度成正比，与管线和电流间的间距成反比[10]。高铁牵引电流通过铁轨回流时，由于铁轨与大地无法完全绝缘，因此有电流泄漏流入大地，铁轨附近钢质管道的交流电压将会发生变化，造成阻性耦合影响。BRAUNSTEIN等[11]认为对于与铁路近距离平行的埋地管道，感性耦合干扰是最主要的干扰方式，而张小月[12]则认为电气化铁路的牵引供电系统主要通过阻性耦合的方式对附近埋地管道产生干扰。

我国拟建某高铁与已建某原油管线在30 km里程范围内存在3处交叉及长距离短间距并行，高铁交流干扰可能对原油管线造成腐蚀风险。为确保高铁方顺利施工建设，保障管道方原油管道的运行安全，通过计算机模拟对该段管道的交流干扰进行预测评估，并设计缓解方案。

2 高铁交流干扰的评估

2.1 干扰模型

为了保证模拟计算结果的准确性，首先对高铁、管道及环境资料进行整理分析。高铁与管道的位置关系如图3所示，管道与高铁共存在3处交叉，其中1#交叉点与2#交叉点之间并行间距较大，为0～5.5 km；2#交叉点与3#交叉点之间并行间距较小，为0～320 m。根据管道与高铁相互位置关系，初步判断干扰高风险区域为2#交叉点至3#交叉点段。3处交叉点所属管道的绝缘接头分别在A输油站及B输油站，所属供电系统分别为1#、2#变电所。因此，在利用数值模拟软件建立的埋地钢质管道受高速铁路输电系统干扰的模型中，干扰源为高铁供电系统的1#、2#变电所负责区域，受干扰源为A输油站至B输油站间的原油管道。

图2 高铁对埋地钢质管道干扰的形成Fig. 2 Formation of interference of high speed railway to buried steel pipeline

图3 高铁与管道位置关系Fig. 3 Spatial relation between high-speed railway and pipeline

干扰段高铁线路共包含1#、2#两个变电所，将该段高铁划分为两个供电区间,如图4所示。1#供电区间划分为3个AT区间，且内设置1处AT所。为了便于后期描述分析，将1#变电所设置为高铁里程0 km，各供电设施及交叉点分布如图4所示。设计资料显示，每个AT区间内允许运行机车数量≤1辆，同轨运行机车之间的追及时间≥3 min，高铁设计时速为200 km/h，因此同轨机车之间的距离≥10 km。

高铁线路分为上、下两行车道，间距为4.6 m，铁轨间距为1.435 m。铁路采用地面铺设方式进行施工建设，其他设计参数如表1所示。

图4 高铁供电设施及交叉点示意图Fig. 4 Schematic diagram of of high-speed railway power supply facilities and intersections

表1 高铁基本设计参数Tab. 1 Basic design parameters of high-speed railway

由现场检测可知，铁轨下方路基的电阻率较高，而土壤的电阻率较低。因此，如果按照实际情况需要对土壤进行分块建模，但ANNGJERD等[13]研究对比了分块土壤模拟和采用等效涂层阻抗模拟，结果表明两种方法计算结果相差很小。因此，本项目中采用等效泄漏阻抗即铁轨涂层面电阻率代替土壤分块模型。根据设计资料,铁轨仅轨底接地，铁轨接地等效直径按式(1)计算。

D=L/π

(1)

式中：D为铁轨等效直径，m；L为铁轨长度，m。设计资料显示,轨底长150 mm，计算得到轨底等效直径为0.023 8 m。

单位长度(1 km)裸钢铁轨的接地电阻如式(2)所示。

(2)

式中：R裸钢为单位长度铁轨的接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m。该管道所在土壤电阻率为72 Ω·m，计算得R裸钢为0.119 Ω。

设计资料显示铁轨对地阻抗为15 Ω·km，因此1 km铁轨的涂层电阻R涂层为14.881 Ω，根据式(3)计算得铁轨涂层面电阻率为1 112 Ω·m2。

ρ涂层=πDLR涂层

(3)

式中：ρ涂层为铁轨涂层面电阻率，Ω·m2；R涂层为单位长度铁轨的涂层电阻。

受干扰管道为A输油站至B输油站间管道，全长29.42 km。为了便于后期描述分析，按图5所示将A输油站设置为管道里程0 km，则B输油站为29.42 km，1#、2#、3#交叉点分别为4.42 km、21.95 km以及25.52 km。

图5 管道与高铁交叉位置示意图Fig. 5 Schematic diagram of intersections between pipeline and high-speed railway

该管道全线无交流排流接地措施，管径为406 mm，壁厚为6.4 mm，管道材质为L415钢，设计压力为6.4 MPa，防腐蚀层为环氧树脂，最近一次检测报告显示涂层平均面电阻率为36 500 Ω·m2。管道沿线交流电压测试结果显示其最大值为0.5 V，交流电压较小,因此后期模拟计算不予考虑。测试了管道沿线30个测试桩处的土壤电阻率，其平均值为72 Ω·m，后期将使用该土壤参数进行建模计算。

根据上述信息利用CDEGS的HIFREQ模块绘制高铁交流干扰计算模型,如图6所示。模型中，高铁里程32.9 km，包括上下行的接触悬线、正馈线、铁轨以及变电所接地网；管道里程29.42 km，单个网格长度设置为50 m，管道沿线每50 m设置1处监测点用于读取管道干扰电压。

图6 高铁对管道干扰计算模型Fig. 6 Calculation model for interference of high-way railway with pipeline

2.2 评价指标确定

根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》规定：当管道上的交流干扰电压不高于4 V时，可不采取交流干扰防护措施；高于4 V时，应以干扰电流密度为指标对交流干扰进行评估，干扰电流密度主要通过实测得到，没有测量值时也可参考式(4)的计算值。

(4)

式中：JAC为干扰电流密度，A/m2；V为交流干扰电压有效值的平均值，V；d为破损点直径，m，按发生交流腐蚀最严重情况考虑，取0.011 3。

对管道受交流干扰的程度进行分类：当交流电流密度低于30 A/m2时，判定交流干扰程度为“弱”，可不采取交流干扰防护措施；当交流电流密度在30～100 A/m2时，判定交流干扰程度为“中”，宜采取交流干扰防护措施；当交流电流密度高于100 A/m2时，判定交流干扰程度判定为“强”，应采取交流干扰防护措施。也有学者建议将30 A/m2的限值改为20 A/m2。贝克曼的《阴极保护手册》中也引用了20 A/m2的限值。

另外，根据NACE SP 0177-2019(Mitigation of AC and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems)标准中规定，高压交流输电系统对管道产生的干扰电压应小于15 V以保证相关工作人员的人身安全。奥地利标准TE 30:Technische Empfehlung (Ausgabe April 1987) (Maβnahmen bei Bau und Betrieb von Rohrleitungen im Einflussbereich von Starkstromanlagen mit Nennspannungen über 1 kV)指出正常条件下人体保护接触电压应低于65 V。本工作将从管线腐蚀安全及人身安全两方面进行干扰评价，评价指标分为：腐蚀评价指标(交流干扰电流密度低于20 A/m2)和安全评价指标(交流干扰电压低于15 V)。

2.3 干扰预测评估

由于机车运行的位置及机车运行的数量都会影响干扰程度，因此针对不同机车数量运行至不同位置时对管道沿线造成的干扰情况进行了模拟计算。

当单机车运行至不同AT区间时，管道沿线交流干扰电压分布如图7所示。当单机车运行至AT区间1时，供电范围为机车位置至1#变电所，该范围内高铁与机车仅存在1处垂直交叉，因此管道沿线干扰电压整体较小。当单机车运行至其他AT区间时，管道沿线干扰电压分布规律基本一致，均表现为A输油站至B输油站管道沿线交流干扰电压先逐渐升高后迅速降低，再迅速升高的变化规律，干扰电压峰值均出现在B输油站附近。

(a) AT区间1 (b) AT区间2

(c) AT区间3 (d) AT区间4图7 单机车运行至不同AT区间时管道沿线干扰电压分布Fig. 7 Interference voltage distribution along pipeline with single locomotive running to different AT intervals: (a) AT interval 1; (b) AT interval 2; (c) AT interval 3; (d) AT interval 4

上述计算结果显示，单机车运行至分区所时管道沿线干扰电压最大。因此，结合设计资料中每个AT区间内允许机车数量≤1、同轨机车之间的距离≥10 km要求，计算多机车运行时管道沿线干扰电压分布，如图8所示。结果表明，多机车运行时干扰电压分布规律与单机车运行至AT2～AT4区间时基本一致。

根据上述计算结果得到多机车运行至不同位置时管道沿线干扰电压峰值,如图9所示。其中，当三辆机车同时运行(两辆运行至分区所，一辆运行至1#交叉点)时，管道沿线干扰电压峰值最大，为71.33 V。该干扰电压超出了人身安全电压限值(15 V)要求。根据式(4)计算得到此时管道沿线最大交流电流密度为223.22A/m2，超出了的腐蚀安全限值(20 A/m2)要求，因此需要采取缓解措施。

图8 多机车运行至不同AT区间时管道沿线干扰电压分布Fig. 8 Interference voltage distribution along pipeline with several locomotives running to different AT intervals

3 交流干扰缓解方案设计

3.1 缓解方案

交流干扰缓解措施有多种方式。BS EN50443-2011标准(Effects of electromagnetic interference on pipelines caused by high voltage AC electric traction systems and/or high voltage AC power supply systems)提出，在受阻性耦合干扰的管段采用增设屏蔽措施，屏蔽物铺设在管道附近与管道无连接；SANTIC等[3]则认为对于与电气化铁路平行铺设带有防腐蚀层的管段，可以将其进行分段隔离，这样可以降低杂散电流的流入，降低交流干扰电压；程彤等[14]通过在管道沿线增设锌阳极接地实现了交流干扰缓解。本工作通过管道沿线设置接地的方式来缓解交流干扰，接地方式为水平敷设锌带，水平锌带+填包料直径选择200 mm，锌带规格选择ZR-2，锌带与管道同深埋设，距离管道外壁0.3 m，锌带与管线之间安装固态去耦合器，水平锌带敷设示意图如图10所示。

图9 多机车运行至不同位置时管道沿线干扰电压峰值Fig. 9 Interference voltage peaks along pipeline with several locomotives running to different positions

图10 水平锌带敷设示意图Fig. 10 Schematic diagram of horizontal zinc belt laying

3.2 缓解效果

参考上述评价指标设置缓解目标为：最大交流电压<15 V且最大交流电流密度<20 A/m2。

利用敷设水平锌带的方式，对管道沿线最大干扰状态进行缓解设计，通过不断调整锌带长度及锌带敷设位置，得到管道沿线敷设锌带数量与缓解效果，如图11和表2所示。结果表明，缓解方案设计初期，在敷设锌带位置干扰电压明显降低，但是在敷设位置上下游干扰电压仍较高。随着锌带敷设长度及位置的增加，管道沿线交流干扰程度明显减小，当管道沿线9处位置敷设1 050 m锌带时，管道沿线干扰电压可满足15 V人身安全限值要求，当管道沿线10处位置敷设1 750 m锌带时，可达到缓解目标，确定该方案为最终选用的缓解方案。

交流干扰缓解方案详情如表3所示。采用此方案后，管道沿线最大干扰电压降低至5.95 V，最大干扰电流密度降低至18.61 A/m2。

4 结论

(1) 利用数值模拟软件建立了埋地钢质管道受高速铁路输电系统交流干扰的模型，计算研究了高铁机车运行至不同位置时对管道造成的干扰程度。根据相关标准要求，对交流干扰进行分析评价，得到超出标准限值要求的管道范围。

(2) 针对调查评价发现超出安全限值的管道，利用水平敷设锌带的方式设计出缓解方案，实现了高速铁路对埋地钢质管道的腐蚀干扰防护。

(a) 干扰电压 (b) 干扰电流密度图11 不同缓解措施对干扰电压和干扰电流密度的影响Fig. 11 Effects of different mitigation measures on interference voltage (a) and interference current density (b)