天然气管道受强烈地铁杂散电流干扰案例分析

2021-09-07陈啟斌王伟阳

腐蚀与防护 2021年8期

朱振,向敏,陈啟斌,王伟阳

(国家管网集团广东省管网有限公司，广州 510710)

随着中国经济的发展和城镇化建设的推进，城市轨道交通作为缓解交通拥堵的有效工具，在国内得到大力发展。据统计，截至2020年1月20日，我国已有43个城市开通地铁，投运里程达6 488 km[1]。城市轨道交通运输系统采用直流电流驱动牵引，通过走行轨回流。地铁钢轨不可能实现完全对地绝缘，因此不可避免部分直流电流从走行轨泄入大地，对周边埋地油气管道等金属构件造成干扰[2-4]。杂散电流的干扰程度与变电所的位置、牵引电流大小、土壤电阻率等多个因素相关[5-7]。

1 案例概况

广东地区某天然气管道总长约39 km，管道采用外防腐蚀层+阴极保护联合保护，外防腐蚀层为3PE和双层熔结环氧粉末(热煨弯管)。在日常检测中，发现该段管道受广州地铁等直流杂散电流干扰非常严重。从图1中可以看到：在地铁运行时段，管道电位波动剧烈，电位交替正向、负向偏移；地铁停运期间，管道电位波动较小，断电电位满足标准要求。

(a) 通电电位 (b) 断电电位

该段管道与广州地铁3号线北延段的白云机场站距离约17.5 km；管道与地铁14号线的直线距离约为2.1 km，最近的两个地铁站分别为太平地铁站和神岗地铁站，管道与地铁近距离并行的长度约为8 km；地铁21号线与广惠干线存在交叉。

为摸清管道的受干扰程度，将管道腐蚀速率控制到最低水平，确保管道的安全运行，管道管理方对交直流杂散电流进行了详细测试和评价，根据电位和敷设环境的测试数据，结合馈电试验进行了防护方案的设计与优化。

2 阴极保护下管道干扰检测结果

2.1 阴极保护系统

该段管道共有3个站场，分别为首站、分输站和末站。在首站和末站均设有线路阴极保护站、干线绝缘接头，管道测试桩及阴极保护站分布见图2。

图2 管道测试桩和阴极保护站分布

首站阴极保护电源为恒电位仪，其额定输出为80 V/30 A，三用一备，分别保护三条进出站管道，共用一个阳极地床。该设备的控制电位为-1.3 V，输出电流在0～6.07 A波动，平均输出电流为1.11 A。当输出电流达到最大值时，输出电压已经达到额定输出，夜间恒电位仪的输出电流约为0.5 A，管道保护电位在-16.97～8.83 V波动，平均值为-2.60 V，见图3。

图3 首站至分输站方向恒电位仪的输出电流和管道保护电位

末站阴极保护电源为恒电位仪，其额定输出为50 V/30 A，两用一备，分别保护进站和出站管道，共用一个阳极地床。进站恒电位仪采用恒电位模式运行，预置电位为-1.7 V，恒电位仪的输出电流在0～10.81 A波动，平均输出电流约为2.24 A；夜间恒电位仪输出电流为0.6 A左右，输出电压在15.43～50.13 V波动，管道保护电位在-11.11～5.79 V波动，平均值为-1.93 V，见图4。

图4 末站进站方向恒电位仪的输出电流和管道保护电位

2.2 直流杂散电流干扰

2.2.1 管道电位的异步监测

为了评价管道的阴极保护效果，在首站和末站阴极保护电源均以原始输出状态运行，即恒电位分别为-1.3 V和-1.7 V，且原有的交直流排流措施正常运行状态下，异步监测首站至末站段管道的直流干扰情况，结果见图5和图6。首站至末站段管道的通电电位在-18.041～+16.161 V波动，断电电位在-1.359～+0.670 V波动。全线测试桩24 h通电电位和断电电位波动规律与图1中X048测试桩的相似：在地铁运行时间段内(05∶13至第二天00∶27)，通电电位在-16.05～13.90 V波动，断电电位在-1.14～-0.27 V波动，电位波动剧烈；在地铁停运时间段内，管道通电电位和断电电位波动小，通电电位在-2.35～-1.61 V波动，断电电位在-1.09～-1.07 V波动。

(a) 管道通电电位

图6 恒电位仪原始输出状态下首站至末站管道夜间通/断电电位(异步监测)

从地铁运行时间和管道电位分析可知，此段管道受到的直流杂散电流干扰是由于地铁杂散电流造成的。从管道全线电位的波动规律可以看出，靠近地铁线路管段(靠近末站段管道)的电位波动幅度明显大于远离地铁线路管段(靠近首站段管道)的，这进一步验证了地铁是造成管道直流杂散电流干扰的干扰源。

在夜间地铁停运期间，管道的断电电位均满足GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》标准要求，管道处于有效保护状态。如采用GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》标准进行评价，11个测试桩处断电电位满足标准要求，处于有效保护状态，其他测试桩处断电电位均正于保护准则，处于欠保护状态。根据AS 2832.1-2015 Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables标准，管道断电电位比标准保护电位高出部分占标准保护电位的比例(以下称比标准保护电位的高出比例)不能超过5%。按照此标准要求，首站至末站段有11.08 km管道处于有效保护状态(分别为首站至X016、X019、X022～X023、X041、X044、X046、X050)；约27.6 km管道处于欠保护状态，最高断电电位比标准保护电位高50.73%，见图7，欠保护的管段主要分布在X024至末站间。

图7 恒电位仪原始输出状态下首站至末站管道断电电位比标准保护电位高出比例(异步监测)

2.2.2 管道电位的同步监测

为了考察直流杂散电流的干扰规律，在首站至末站段管道受地铁杂散电流干扰时，同步监测了首站出站、X005、X011、X017、X021、X025、X030、X034、X038、X044、X048和末站进站12处位置24 h内管道的通电电位，结果见图8。由图8可见，靠近末站管道的电位波动幅度大于靠近首站管道的，在首站和X044测试桩出现两个干扰峰，X017测试桩处电位波动最小。

图8 管道12处位置24 h的通电电位(同步监测)

根据地铁运行时段与夜间地铁停运时段无干扰时测得的管道通电电位的差值(以下称电位偏移量)，判断地铁直流杂散电流的流向。该电位偏移量为正，表明由地铁造成的直流杂散电流流出；电位偏移量为负，表明由地铁造成的直流杂散电流流入。电位偏移量为负时的时长与测试总时长的比值为直流杂散电流流出管道的时间占比。

分别统计测试时间段管道通电电位平均值Eon和直流杂散电流流出管道的时间占比T，结果见表1。由表1可见，X025至X044测试桩处通电电位平均值较正常的自然电位偏正，X017至X044测试桩处直流杂散电流流出的时间占比大于50%,表明此段管道的杂散电流流出效应强于流入效应。

表1 管道12处位置通电电位平均值及直流杂散电流流出时间占比(同步监测)

由图9可见，靠近首站的管道通电电位正向偏移，为直流杂散电流流出区域，靠近末站的管道通电电位负向偏移，为杂散电流流入区域，正向偏移管段的电位偏移峰值点出现在首站出站位置、负向偏移管段的电位偏移峰值点出现在X048测试桩位置，杂散电流流入流出的分界点在X017和X021测试桩中间。

图9 某时刻管道受干扰时12处位置的管道电位分布(类型1)

由图10可见，靠近首站和末站的管道电位负向偏移，为直流杂散电流流入区域，中间段管道电位正向偏移，为杂散电流流出区域。

图10 某时刻管道受干扰时12处位置的管道电位分布(类型2)

通过对管道电位偏移量进行分析，可以得到首站至末站段管道受到干扰时，管道电位的分布规律主要有两个类型：靠近首站和靠近末站管道互为直流杂散电流流入和流出区域；首站至末站的中间管段与两端靠近首站和末站管段互为直流杂散电流流入和流出区域。

2.2.3 直流杂散电流干扰治理方案

对首站至末站段管道的阴极保护效果检测显示，约有27.6 km管道处于欠保护状态，需要采取干扰防护措施。欠保护的管道主要分布在X024测试桩至末站间，干扰峰值点主要出现在X034和X048测试桩附近。在干扰治理方案设计时，需要在欠保护管段上选点进行馈电试验，验证馈电的保护效果。该试验通过建立模拟阴极保护系统对埋地设施进行临时保护，待充分极化后，检测埋地设施的电位分布和相应的电流需求量，分析确定站内的电流流失点、屏蔽区域和干扰等严重影响阴极保护效果的情况。根据现场情况和干扰具体情况，选取X046和X039测试桩位置进行馈电试验。

(1)X046测试桩馈电试验及结果

靠近末站的管道处于欠保护状态，根据现场环境和外电情况，优先选取了X046测试桩位置进行馈电试验。X046测试桩馈电试验的地床距离管道的垂直距离约100 m，地床与管道并行，共采用了50支角钢地床。馈电试验时，分别在X035、X039、X042、X044、X046和X048测试桩处测试并记录管道电位，结果见表2。

由表2可见，当直流电源从X046测试桩向管道馈入10 A保护电流后，管道通电电位的平均值明显负向偏移，夜间通电电位和断电电位负向偏移。由表3可见，X046至X048测试桩处管道的断电电位比标准保护电位的高出比例比馈电前均有明显的下降，均降至5%以内；X044测试桩处管道的断电电位比标准保护电位的高出比例达到8.84%，该处管道仍处于欠保护状态;X035、X039和X042测试桩处管道的断电电位比标准保护电位的高出比例比馈电前有明显的下降，但是仍高于5%，处于欠保护状态。本次馈电试验数据表明，在X046测试桩位置增加阴极保护站可以使X046测试桩至末站管道达到有效的保护状态，但上游管道仍处于欠保护状态，在此状态下，X046测试桩处阴极保护站的有效保护范围约为2 km。

表2 X046测试桩馈电对管道电位的影响

表3 X046测试桩馈电时管道断电电位评价

(2)X039测试桩馈电试验及结果

X046测试桩馈电试验结果显示，在X046测试桩处增加阴极保护站，仍无法使上游管道达到有效的保护状态，根据现场环境和外电情况，又选取X039测试桩位置进行馈电试验。X039测试桩馈电试验的地床距离管道的垂直距离约55 m，地床与管道并行，馈电试验共采用了60支角钢地床。馈电试验时，分别在X030、X032、X035、X037、X039、X042和X044号测试桩测试并记录管道电位，结果见表4。

由表4可见，当X039测试桩处的直流电源馈入8 A后，管道通电电位的平均值明显负向偏移，夜间的通电电位和断电电位负向偏移。由表5可以看出，在X039测试桩位置馈电时，X037至X044测试桩管道的断电电位比标准保护电位的高出比例比馈电前均有明显的下降，降至5%以内或接近5%；X044测试桩馈电试验状态下，断电电位正比标准保护电位的高出比例达到5.5%，接近有效保护状态。X030至X035测试桩管道的断电电位比标准保护电位的高出比例比馈电前也明显下降，在X032测试桩处高出比例降低至5.3%，接近保护准则，这表明在X039测试桩位置增加阴极保护站能达到较好的防护效果，在此状态下，阴极保护站有效保护范围约为6 km。

表4 X039测试桩馈电对管道电位的影响

表5 X039测试桩馈电时管道断电电位评价

2.3 交流杂散电流检测结果

对全线每个测试桩的管道交流电位和交流电流密度进行24 h监测，结果见图11。由图11可知：管道全线24 h的交流电位均小于15 V，其中X038测试桩处管道的交流电位平均值高于4 V，其他49个测试桩处交流电位平均值均小于4 V；全线测试桩的24 h交流电流密度的平均值均小于30 A/m2，根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》和ISO18086:2019 Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria评价标准，管道的交流干扰程度为“弱”，不需要采取交流干扰防护措施。

(a) 交流电位

2.4 讨论

首站至末站管道受到的动态直流干扰是非常强烈的，电位波动幅度达到了±25 V。该段受干扰管道的腐蚀风险评价以及防护措施设计都存在很大的困难。在管道动态直流杂散电流干扰评价与防护方面，目前国内尚缺乏完善的标准指引。在国内管道行业的干扰防护标准中，缺少动态直流干扰检测评价方法，也缺乏针对新建地铁动态直流干扰的预防性应对措施。而在现有的轨道交通方面标准CJJ/T 49-2020《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》中，杂散电流干扰防护措施都是针对轨道交通系统内部的金属构筑物，而不是针对外部金属油气管道的。没有可执行的标准作为支撑，管道行业与轨道交通行业就无法进行有效的沟通，这也是管道企业面临的困境。

管道企业在面对已有地铁线路造成的干扰时，没有成熟适用的评价方法与防护措施，在对新建地铁线路的潜在干扰进行防护设计时无据可依。目前管道方能采取的防护或缓解措施都是一些治标不治本的被动防护措施，比如在GB 50991-2014标准中提出了排流保护、阴极保护、绝缘隔离以及屏蔽等多种防护方法。减少地铁轨道系统向大地泄放的杂散电流，才是行之有效、综合效益最高的主动式防护。