青岛地铁13号线对某管道直流干扰及治理研究

范 锋 庞洪晨 王 朋 乔 实 张培洲 张京贤

1. 中国石化皖能天然气有限公司, 安徽 合肥 230000;2. 山东省国实管道天然气有限公司, 山东 济南 250000;3. 中国石化石油工程设计有限公司, 山东 东营 257026

0 前言

伴随城市建设及轨道交通的不断发展,城市轨道交通设施对于埋地管道的直流干扰影响日益频繁[1-5],部分埋地管道遭受的地铁干扰严重[6-10]。城市轨道交通运行对于临近的埋地管道一般具有影响范围大、周期性强、干扰程度剧烈等特点[11-15]。本文针对青岛地铁13号线对埋地天然气管道的直流干扰影响,在评估管道阴极保护系统运行有效性的基础上,通过现场检测管道电位的波动变化、杂散电流的方向等,明确直流干扰的影响范围、程度,分析其干扰规律,并在现场开展腐蚀速率的监测和相关缓解治理措施试验,制定相应的缓解治理及腐蚀监测方案。

1 工程概况

本段管道起点为1#站、终点为4#站,线路长度130.5 km,管道采用3 PE防腐层,强制电流阴极保护,在2#站和3#站分别设有线路阴保站。青岛地铁13号线与管道在12#桩～13#桩之间呈垂直交叉。管道自2015年投运以来，阴保电位平稳,2018年12月份青岛地铁13号线投运后,管道阴保电位波动频繁,2#站内恒电位仪设备受到直流杂散电流干扰无法稳定输出。

2 管道直流干扰检测评价

针对青岛地铁13号线对管道干扰的检测评估主要包括管道阴保系统(阴保站和管道断电电位)运行有效性检测评估、管道直流干扰影响的检测、临时馈电试验以及设置临时牺牲阳极情况下对管道干扰缓解影响。

2.1 检测方法及监测点选取

2.1.1 现场检测方法

针对管道直流干扰的长周期(≥24 h)检测采用在监测点设置UDL2记录仪+1 cm2试片的方式;短周期的检测采用FLUKE万用表检测。阴保电位检测方法按照GB/T 21246—2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》执行。临时馈电试验采用具有恒通电、恒断电、恒电流模式的设备,临时牺牲阳极采用带状锌合金牺牲阳极。

2.1.2 现场监测点设置

为科学准确地评估地铁13号线对管道的直流干扰影响,自管道1#站至3#站沿线130.5 km范围内设置20处监测点,其中1#桩～2#阀室14个点监测时间为6 d,76#～146#桩6个点的监测时间为24 h。

2.2 管道阴保及杂散电流干扰检测

2.2.1 管道直流电位监测数据

测试周期内,统计各监测点电位的最大、最小和平均值,流经试片电流的流入、流出所占比例。管道沿线通电电位的最大值、最小值以及平均值曲线见图1。

图1 管道沿线通电电位曲线分布图

管道通电电位全线均存在波动，在与地铁交叉前后的11#桩～16#桩之间波动剧烈，在13#桩位置通电电位波动最为剧烈,波幅为16.4 V。

管道沿线断电电位的最大值、最小值以及平均值曲线见图2。

图2 管道沿线断电电位曲线分布图

管道沿线的断电电位存在一定的波动,断电电位在与地铁交叉前后的11#桩～16#桩之间以及与胶济客运专线交叉的117#桩波动相对剧烈;在12#桩位置断电电位波动最为剧烈,波幅为1.52 V。

管道沿线监测点试片电流统计信息见图3。

图3 监测点试片杂散电流方向统计图

统计分析试片电流方向,判断杂散电流的流入、流出状态,监测周期内在直流电位正向偏移的11#桩～27#桩,以及交流电压较高的34#桩、117#桩位置,流经试片电流为流出状态的占比高,管道腐蚀风险相对较高。

2.2.2 直流干扰的影响规律研究

2.2.2.1 直流干扰影响的评估标准

根据GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》的规定,针对阴极保护系统已投运的管道,当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时,应及时采取干扰防护措施[16]。

分析现场检测数据,在阴保系统运行的情况下,管道沿线1#桩～76#桩位置,由于受到杂散电流干扰的影响,管道断电电位不能完全满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术标准》规定的最小保护电位≤-0.85 V要求[17],见图4。与此同时在阴保系统停运的情况下,76#桩～146#桩管道因杂散电流干扰影响电位负向偏移,管道断电电位出现部分时间满足最小电位要求的情况,见图5。

图4 57#桩管道直流电位曲线—设备运行图

图5 129#桩管道直流电位曲线—设备停运图

2.2.2.2 直流干扰的周期性规律

管道沿线监测点位置直流电位的波动,不论是正向还是负向,均存在一定规律的周期性,一般在夜间11:30—凌晨5:30左右波动较小,白天波动剧烈,波动周期与地铁运行时间保持一致,参见图6。

图6 2020年4月监测点管道电位周期性变化图

从管道直流电位波动的周期性规律和管理单位反馈可知，2#站恒电位仪设备输出受到干扰影响的开始时间与地铁投运的时间基本一致，进一步综合分析可知,青岛地铁13号线是该天然气管道直流干扰的主要干扰源。

2.2.2.3 管道全线直流电位偏移规律

统计管道沿线1#桩～146#桩直流电位偏移情况发现,直流电位的偏移整体可分为三段：1#桩～8#桩管道电位负向偏移,长度约8 km,在6#桩位置通电电位和断电电位最负,分别为-4.03 V和-1.31 V,见图7;8#～27#桩管道电位正向偏移,长度约15 km,其中在13#桩位置通电电位和断电电位最正,分别为8.2 V和0.234 V,见图8;27#桩～146#桩管道电位负向偏移,长度约107 km,其中在2#阀室通电电位最负,为-4.2 V;在76#测试桩位置断电电位最负,为-1.23 V,见图9。

图7 6#桩管道电位曲线图

图8 2020年4月13#桩管道电位曲线图

图9 76#桩管道电位曲线图

2.2.2.4 现场试片腐蚀速率监测

在管道沿线电位正向偏移位置,设置腐蚀失重试片,其中交叉点附近11#桩、12#桩、13#桩位置干扰组试片的腐蚀速率较高,见表1。从试片的腐蚀形貌分析,试片腐蚀面呈孔蚀状,创面光滑,现场可明显观察到电解迹象;腐蚀产物呈褐色细粉状。试片的腐蚀特征均符合直流杂散电流的腐蚀特征[16],见图10。

表1 腐蚀试片腐蚀速率统计表

图10 4月16日8:08～4月20日16:10期间11#桩1 cm2试片腐蚀形貌照片

3 直流干扰缓解措施研究

针对现场监测过程中发现的2#站恒电位仪设备无法稳定输出、管道沿线电位波动剧烈等问题,采取临时馈电试验和设置临时牺牲阳极排流保护措施,现场验证有效性。

3.1 临时馈电措施

在2#站设置临时馈电试验装置,临时馈电试验采用具有恒通电、恒断电、恒电流模式的恒电位仪设备。4月18日下午14:45调整设备输出方式为恒电流模式,输出电流2 A。

2#站临时馈电恒电位仪设备在2 A输出的情况下,从1#～2#阀室管道通电电位均出现明显的负向偏移,其中16#桩管道电位负向偏移最明显,电位由-0.45 V负向偏移至-0.97 V左右,见图11。干扰情况下,馈电试验对管道沿线断电电位的纠偏仅在2#站附近的13#桩～16#桩约3 km范围内有效,纠偏范围有限。

图11 恒电流2 A时16#桩管道电位变化图

3.2 临时牺牲阳极排流

利用设置在管道沿线的带状锌合金牺牲阳极作为临时牺牲阳极排流措施,验证在干扰区域设置牺牲阳极对干扰的缓解作用。经过现场验证,在管道电位正向偏移的位置,连接牺牲阳极后,通断电电位的波动幅度明显收窄,同时断电电位出现负向偏移;在管道负向偏移的位置,连接牺牲阳极后,管道通电电位和断电电位的波动幅度明显偏小,同时断电电位出现正向偏移。

4 干扰缓解治理及腐蚀监测方案

针对地铁对管道的直流干扰可采取的缓解措施有排流法、屏蔽法、绝缘分割法等。结合现场检测情况,应首先通过调整现有阴极保护输出和分段绝缘措施来抑制其干扰影响,然后考虑在干扰严重的区域通过增设牺牲阳极的方式进行缓解治理,同时对于腐蚀敏感区考虑采取必要的腐蚀监测措施。

4.1 阴极保护系统改造

针对管道阴极保护系统的改造,建议依托2#站、3#站,将站场进出干线的跨接电缆断开,进行分段绝缘;同时在2#站、3#站分别增设2路输出的恒电位仪,恒电位仪、极化探头应具备一定抗干扰能力,在直流干扰较为严重的情况下可恒流输出。

4.2 排流治理措施

在分段绝缘和增设阴极保护的基础上,针对线路管道杂散电流存在流出的管段(8#桩～27#桩)应加强管道防腐层的漏点检验,发现防腐层漏点应进行修复。对于电位持续正向偏移的9#桩、10#桩、13#桩、14#桩、14#桩+500 m、18#桩、21#桩、25#桩位置应补充牺牲阳极进行补充保护。

4.3 现场腐蚀监测

针对现场监测过程中试片腐蚀严重、电位波动较大以及一些特殊的环境敏感点,建议在加强日常管道电位、防腐层漏点监测的同时,设置腐蚀失重试片,定期进行腐蚀速率的监测,确保管道本体的腐蚀速率安全可控。失重检查片的设置按照SY/T 0029《埋地钢质检查片应用技术规范》的相关要求执行。

5 结论

通过开展相关的杂散电流干扰检测和缓解措施验证检测工作,基本明确了青岛地铁13号线作为干扰源对天然气管道的干扰影响范围、影响程度、周期性变化以及电位偏移等规律,同时验证了相关缓解措施的有效性,并提出了缓解治理和腐蚀监测的方案。