埋地管道杂散电流干扰的研究进展

汤彬坤 ，冯 阳 ，赖文沁 ，吴 涛 ，钟剑锋 ，伏喜斌 ，钟舜聪 ,*

（1.厦门华润燃气有限公司，福建 厦门 361000；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350108；3.厦门市特种设备检验检测院，福建 厦门 361000）

0 引言

近年来，中国城市轨道交通迅速发展，地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，已覆盖许多城市[1]。地铁采用直流电力牵引系统，通过变电所供电。供应电流将走行轨作为回流线，大部分电流能够按照规定路线回流。由于技术、环境等因素的限制，走行轨绝缘层无法做到完全绝缘，故有小部分电流不可避免地泄漏到土壤中，该部分不按照规定回路流回电流源的电流称为杂散电流。除地铁外，交、直流高压输电系统、手机基站、船舶供电系统等都会产生杂散电流。

杂散电流会在管道上形成电位差从而产生腐蚀电池。杂散电流流进管道之处带负电，成为腐蚀电池的阴极区，该处发生得电子的还原反应；杂散电流流出管道之处带正电，成为腐蚀电池的阳极区，该处发生失电子的氧化反应，会导致埋地管道发生腐蚀穿孔。据资料显示：北京市地铁运营数年后，隧道内水管发生严重腐蚀穿孔[2]；上海地铁二号线运营数年后，附近钢制燃气管道在1 km内穿孔超过50 处[2-3]；美国、加拿大等国相关设施也存在杂散电流干扰问题[4-6]。杂散电流分布无规律性且影响范围极广，探究和解决杂散电流对管道的干扰存在较大的难度。目前，杂散电流对管道的干扰问题已经成为全世界关注的重要公共安全问题。

国内外学者进行了大量关于杂散电流的研究工作，并在杂散电流的分布、腐蚀规律以及防护方面取得众多研究成果。本文介绍了我国埋地管道杂散电流的干扰指标，国内外杂散电流数值模拟和防护措施的现状，并对杂散电流的研究方向进行展望。

1 埋地管道杂散电流干扰指标及模拟

根据干扰源的不同，杂散电流可分为3 类：直流杂散电流、交流杂散电流和地电流。直流杂散电流主要来源于直流电气化铁路、管道外加的阴极保护系统等；交流杂散电流主要来源于交流电气化铁路、高压交流电线设施等；地电流是地磁场的变化感应产生的，属于自然界的一种现象[7]。地电流从腐蚀观点来说并不重要，当今社会遭受的直流杂散电流引起的腐蚀问题数量要远远多于交流杂散电流引起的腐蚀问题。埋地管道杂散电流腐蚀危害极大，因此，根据相应指标判断杂散电流干扰程度，能够为管道是否采取防护措施提供有效判断依据。

GB/T 19285—2014[8]对不同情况直流杂散电流的干扰程度做出了相应的规定：当埋地管道未施加阴极保护时，其直流干扰采用管地电位较自然腐蚀电位的偏移量或管道附近土壤表面电位梯度来进行测量与评价。对大部分城市而言，通过采集管地电位的方式比采集土壤表面电位梯度的方式更为方便且准确度更高。如果管段表面任意一点的管地电位正向偏离平衡电位超过100 mV，则认为该管段遭受了严重的杂散电流干扰，应采取合适的保护措施。

该标准还对交流杂散电流干扰程度进行了规定：可依据管道交流电压和电流密度来判断埋地管道交流杂散电流干扰严重程度。与直流干扰的判定标准不同的是，如果管段表面任意一点的电压小于4 V，则判定管段不受交流干扰；如果电压大于4 V，则需要通过采集电流密度的方式进行评估。

当无法判断杂散电流源的类型时，可测试管地电位偏移值或感应电流偏移值。与直流干扰测定相同，对大部分城市而言，通过采集管地电位波动比采集感应电流波动效率更高且效果更好。当管地电位偏离平衡电位超过200 mV 时，可采取相应保护措施。

1.1 杂散电流干扰模型研究

杂散电流的分布具有无规律性和影响因素复杂性。根据以上指标，不同学者按不同假定条件，运用有限元、边界元等数值模拟技术对杂散电流的干扰进行研究，初步得出杂散电流分布规律和埋地管道杂散电流腐蚀机理。

1）轨道交通动态杂散电流干扰模型研究。杂散电流干扰主要来自轨道交通，研究轨道交通动态杂散电流干扰模型，有助于研究人员制定动态杂散电流干扰的有效评判和防护准则，有助于施工人员对受动态杂散电流干扰的埋地管道采取相应防护措施。

张栋梁等[9]设计了双边供电方式下基于时间-位置-取流变化的杂散电流动态分布模型，分析杂散电流在不同工况下的动态分布规律。列车和变电所之间的杂散电流泄漏呈现半球体状，当列车处于动态时，该半球体状的范围会随着列车与变电所的位置差异而发生改变，并可以计算出列车在任意位置杂散电流的泄漏量。蔡智超等[10]建立具有地铁牵引特性的地铁杂散电流动态分布模型，考虑车辆运行状态下（牵引、制动）钢轨对地电位和杂散电流动态分布规律，当地铁在加速上坡路段、减速下坡路段和上高架的上坡路段会增大杂散电流泄漏，原杂散电流分布形状斜率会增大。Mingjie Liu 等[11]基于CDEGS 杂散电流仿真模型，通过对限速运行模式的分析，提出通过计算各点的累积泄漏电荷来防止埋地导体超过电压阈值和被腐蚀的措施。K.Darowicki 等[12]结合试验和模拟研究提出了杂散电流具有时频分布特性一致的观点，根据研究结果，结合短时傅里叶变换，提出了一种信号频谱功率密度随时间变化的杂散电流检测方法。A.Zaboli 等[13]利用MATLAB 建立列车杂散电流分布模型，比较不同土壤类型中有无集电垫时的杂散电流，并用有限元模拟的方式对钢轨绝缘扣件的绝缘性进行了分析。A.Ibrahem 等[14]设计了一套铁路直流杂散电流仿真系统。该系统不仅可以研究和分析杂散电流和接触电压的影响，而且可以在实际实施之前对减轻这些影响的技术进行评估。

2）埋地管道杂散电流干扰模型研究。严重的杂散电流干扰会对埋地管道造成腐蚀甚至引起爆炸。研究杂散电流对埋地管道的腐蚀规律，分析不同影响因素下杂散电流对埋地管道的干扰情况，能够为杂散电流对埋地管道潜在高危区域的判断提供理论支撑，同时能够对新建管道的地段选择提供理论依据。

李琴等[15]通过建立电车杂散电流对管地电位干扰模型，求得轨道电位和管地电位的分布变化函数以及杂散电流泄漏量分布函数，并对管道防腐蚀层单破损点、双破损点情况下管道的电化学腐蚀规律进行分析，当防腐层只有单破损点时管道不易受到电化学腐蚀，当防腐层出现双破损点时管道杂散电流泄漏处腐蚀严重。图1、图2 分别为单、双破损点腐蚀电流流动原理图。

图1 单破损点腐蚀电流流动原理图[15]Fig.1 Schematic diagram of stray current flow at single damaged point

图2 双破损点腐蚀电流流动原理图[15]Fig.2 Schematic diagram of stray current flow at double damaged point

Yaping Zhang 等[16]研究了受保护和不受保护管道的2 种布置方式（平行和交叉），并运用COMSOL 有限元模拟软件进行仿真，得到2 种布置方式下埋地管道的杂散电流分布情况。结果表明，受保护/不受保护管道的布置形式对不受保护管道的潜在分布有很大的影响，且牵引电流和土壤电阻率是影响杂散电流大小的关键因素。柯甜甜等[17]利用ANSYS 有限元模拟软件建立土壤-走行轨-管道的有限元模型，将土壤电阻率、地铁牵引电流、走行轨与管道间距作为影响因素，研究杂散电流的变化规律。结果表明，土壤电阻率越小，地铁牵引电流越大，走行轨与管道间距越小，杂散电流的泄漏量越大。A.Mujezinovi 等[18]提出了一种基于多参数同步测量、连续小波互相关和频谱图相结合的地下管道动态杂散电流检测方法和分析方法，该方法与传统方法相比准确度更高。澹台乐琰等[19]为了研究地铁杂散电流对管道干扰的规律，建立多列车杂散电流泄漏分布模型，基于实际工程数据，预测真实情况下地铁线路电流泄漏分布对管道的干扰。

3）交流杂散电流干扰模型研究。直流杂散电流对埋地管道的危害程度最大，但交流杂散电流对管道的干扰也不能忽视。因此，积极研究交流杂散电流的干扰规律，不仅可以为埋地管道设计、运行和防护提供理论指导，而且可以完善交流杂散电流风险评估标准。

王新华等[20]通过建立数学模型的方式，研究交流电流密度对腐蚀速率的影响；通过CDEGS 仿真软件，分析了并行长度、距离、土壤电阻率等对交流干扰沿管道分布的作用。除此之外，王新华等[21]还运用COMSOL Multiphysics 有限元仿真、交流阻抗谱分析及三维体式显微镜观测等方法，研究X70 钢表面3PE 防腐层剥离处在土壤模拟溶液中以及交流杂散电流干扰下的防腐层下腐蚀及剥离机理。交流电流在管线钢防腐层剥离区域及破损点处的仿真云图如图3 所示。从图中可看出，防腐层破损区域的电流密度极高，并且电流密度从中间往两端呈现递减状态。上述模型的建立为杂散电流的研究提供了理论基础，为进一步开展埋地管道杂散电流保护措施及监测工作指明方向。

图3 交流电流在管线钢防腐层剥离区域及破损点处的仿真云图[21]Fig.3 Simulation of the alternating current in stripping zone and damage point of pipeline steel coating

2 埋地管道杂散电流保护措施

在实际工程中，现有的杂散电流防护技术难以完全消除杂散电流的泄漏。要做好杂散电流防护，一方面要减小干扰源头的杂散电流泄漏量，另一方面要对埋地管道采取相应保护措施[22-23]。关于防护杂散电流的方法，可以归纳为3 类：控制和减小杂散电流源的泄漏；对埋地管道加强保护；加强杂散电流监测。

2.1 杂散电流源防护研究

杂散电流源防护主要方法有：

1）减小干扰电流。减小干扰电流的方法主要有2 种：一种是减小地铁牵引电流的大小，另一种是在地铁下方增设排流网。要改变地铁牵引电流，需要根据地铁运行的实际情况进行设置。如今对减小干扰电流的研究主要集中在增设排流网，通过不同的钢筋排布方式或者排布密度可以达到不同的效果。李亚宁等[24]对有无排流网以及单/双边供电条件下的杂散电流进行测试，结果表明，铺设排流网后杂散电流泄漏量明显减小，且双边供电杂散电流测试值相对单边供电杂散电流测试值有明显下降。

2）合理设置变电站间距。马德良等[25]基于基尔霍夫定律建立杂散电流数学模型，研究变电所间距对杂散电流的影响。结果表明，变电所间距越大杂散电流的泄漏量越大，排流网中的电流也越大。目前，我国地铁大部分只在一、二线城市覆盖，且许多二线城市的地铁路线也还在规划中。因此中国在地铁大范围普及前，地铁部门在满足地铁运行条件的基础上合理设置变电所间距，能够有效减小杂散电流源头的泄漏。

3）增大轨地过渡电阻。该方法是减小杂散电流源头泄漏的一个重要内容。朱峰等[26]推导了各金属结构电压、电流解析表达式，并用CDEGS 软件进行仿真验证，讨论不同过渡电阻对杂散电流的影响。结果表明，杂散电流大小与轨地过渡电阻成反比。因此，地铁部门应使用电阻率高且不容易受损的材料作为走行轨的绝缘层，从而增大轨地过渡电阻，并且地铁部门应加强走行轨绝缘层的检测力度，谨防因绝缘层损坏而导致的电流泄漏。

2.2 埋地管道防护研究

只有杂散电流通过土壤到达埋地管道才会发生腐蚀，故制定合适的埋地管道保护措施是杂散电流防护的关键。埋地管道防护的主要措施有：

1）保证管道防腐层性能达标。GB/T 19285—2014[8]规定，管道外防腐层绝缘电阻率一般应≥104Ω·m，对三层结构聚乙烯防腐层绝缘电阻率一般应≥105Ω·m。处于特殊环境的管道，在外防腐层种类选择和结构设计时应有特殊考虑。

2）设置阴极保护措施。杂散电流腐蚀属于电化学腐蚀，腐蚀区域主要发生在阳极区域。阴极保护根据电化学腐蚀原理，采用电化学方法使被保护金属成为阴极，从而抑制金属腐蚀的电子迁移，避免或减少腐蚀发生。阴极保护法又分为牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。牺牲阳极法的优势在于：经济成本较低；既能接地又能防腐；施工方便简单，对相邻埋地管道干扰小；适用于分散、无电源地区的被保护物；保护电流利用率高，且分布均匀。外加电流法的优势在于：能够适应较恶劣的环境，不受土壤电阻率的影响；保护装置寿命长，能长时间对被保护物进行阴极保护；适用于较长的金属管道，管道越长，成本越低[27]。阴极保护系统能在一定程度上减少杂散电流的干扰，因此，在杂散电流存在的区域，应根据环境设置合理的阴极保护措施。

董亮等[28]认为牺牲阳极吸收杂散电流，可能导致其排流能力下降，于是在原有牺牲阳极阴极保护系统上进行改进，在牺牲阳极和管道连接之间安装极性装置，阻止牺牲阳极吸收杂散电流，降低牺牲阳极的消耗速率。李伟等[29]认为外加电流阴极保护法可能会对其他外部无保护措施的埋地管道引起杂散电流腐蚀，因此通过室内模拟实验，考察跨接电阻、牺牲阳极位置和材质、金属屏蔽线位置和连接方式等对不同干扰类型的缓解效果和规律，获得不同排流方法的适用条件。试验装置示意图及实物图如图4 所示。其中，管道A、B 为被干扰管道，管道C 为受阴极保护管道。土壤用水溶液代替，能够有效保证电阻率等参数的稳定性。管道A 与管道C 平行放置，管道B 与管道C 垂直放置，该试验能够研究在不同管道排布位置时受保护管道对未受保护管道的干扰情况。S.Fonna 等[30]通过分组试验的方式，对牺牲阳极阴极保护系统对其他埋地金属的影响进行研究，并提出了更具有效性且对临近管道干扰较小的牺牲阳极排布方式。

图4 试验装置示意图及实物图[29]Fig.4 Schematic diagram and photo of experimental equipment

3）设置排流防护措施。将泄漏至土壤的杂散电流人为引导到泄露源中或排放到大地中的防护方法称为排流防护。杂散电流排流保护法主要有直接排流、极性排流、强制排流和接地排流4 种。排流保护法在国内外已经得到广泛适用，但每种方法都有其优缺点。建设理想的排流工程，首先应准确排查杂散电流干扰源，其次应根据实际情况设置合理排流防护，最后应严格按照设计文件施工，严格控制工程质量，防止偷工减料。

众多学者在原有方法的基础上，对排流方法进行了研究和探讨。唐德志等[31]结合现场试验和理论分析，对镁合金牺牲阳极排流技术进行应用研究，结果表明，干扰状态下管道电位正向偏移不超过+1.5 V 时，镁合金牺牲阳极可以有效抑制杂散电流干扰。吴昊等[32]将极性排流和负电位排流相结合对埋地管道进行排流保护，其优点是安装方便，应用范围广，无需电源，排流效果好，排流同时还能提供阴极保护电流，同时解决了负电位排流法中牺牲阳极极性逆转问题。符耀庆等[33]采用固态去耦合器排流技术实施排流改造。去耦合器具有隔直流、通交流的特点，既可以应用在有阴极保护的管道上，也使得排流地床材料拥有更多的选择。该排流技术的应用有效减小埋地管道杂散电流干扰，消除了杂散电流腐蚀隐患。选择合适方法进行排流防护，能够有效保护管道免受杂散电流干扰。

2.3 埋地管道杂散电流监测

埋地管道的杂散电流防腐工作非常复杂，除了检测管道杂散电流的变化外，还需监测管道防腐层的受损情况、管道周围是否新建会产生杂散电流的工程等。只有根据杂散电流的变化情况及时调整和更新管道的防护措施，才能有效降低杂散电流对管道的干扰。

传统的监测方法是在新建地铁过程中，将参比电极埋入地铁隧道内，并从结构钢筋引出测量端子，在一定时间内接好导线进行测量记录[34]。这种方法弊端较多，如：现场测量的环境及空间限制大，测量不方便且危险；该方法是局部测量，测量结果不能反映整个线路的杂散电流分布情况等。因此，实施杂散电流在线自动监测可以极大提高准确性和效率，且能够降低测试人员的工作量和危险性。张栋梁等[35]提出利用无线通信技术构建有轨电车杂散电流监测系统，解决了传统有线监测系统建设复杂、成本高、影响美观等缺点，且能够准确有效地进行监测，具有很大实用价值。殷爽[36]在现有监测系统的基础上对监测方法进行研究，提出基于在线监测技术的新型系统，可以有效判断绝缘薄弱区域，并完善了供电回流状态综合分析评价体系。新型杂散电流监测系统构架图如图5 所示。该系统能同时监测多组数据，并且可识别出绝缘层的薄弱区域，具有实时数据传输、事故预警、综合分析判断等功能。

图5 新型杂散电流监测系统构架图[36]Fig.5 Framework diagram of a new stray current monitoring system

现阶段，除了对杂散电流监测系统进行研究，部分学者还通过研究管道不同信号的波动来完善管道杂散电流监测的参数。朱祥剑等[37]对不同城市地铁杂散电流干扰下的管道管地电位数据进行收集和分析，总结了受干扰管道管地电位的波动规律。李平[38]在传统断电电位测试方法上进行改进，采用试片电位采集仪对断电电位进行了收集。结果表明，该方法收集的数据更为可靠高效，对现有管道杂散电流监测参数的完善具有重要意义。

3 总结及展望

现有研究已明确了埋地管道杂散电流的主要来源及其干扰程度指标。虽然不同研究者通过各类仿真模型对各类杂散电流干扰模型进行了大量研究，得到了特定工况下埋地管道杂散电流分布特点、腐蚀影响规律及影响因素等研究成果，具有一定的现实指导意义，但是，因杂散电流无规律分布及影响因素复杂的特点，难以建立完善的、考虑实际所有因素的模拟模型，需要进一步建立更为完善、通用的模型，得到更为准确的理论支撑。

当前，针对埋地管道杂散电流防护主要从减小干扰源头杂散电流的泄漏量和埋地管道保护2 个方面入手，现有研究对杂散电流源和埋地管道防护措施已有比较明确的方法。但是，采用何种防护措施与实际的规划方案、环境因素、管道的防腐工程情况及管道的腐蚀情况等息息相关。在不同的工况下，杂散电流的防护措施效果差别较大。添加阴极保护和设置排流保护能有效减小杂散电流对管道的干扰，但也要谨防成为新的杂散电流干扰源。当前的研究难点在于，如何准确实现全线管道电流的分布、管道防腐层受损及管道腐蚀情况等的监测，才能根据杂散电流的变化情况及时调整和更新管道的防护措施，有效降低杂散电流对管道的干扰。因此，监测是获悉管道是否安全的关键环节。然而，当前的监测手段和设备存在一定的不足，腐蚀情况缺乏判定依据，探究和解决杂散电流对管道的干扰存在较大的难度。研究新型的监测手段以提高数据收集能力和信息准确性，具有较大的现实意义。

因此，综合考虑产生杂散电流干扰的各种因素，完善杂散电流评价指标，系统分析杂散电流分布规律，结合实际情况灵活铺设防护措施，采取科学有效的监测技术，将成为解决埋地管道杂散电流干扰的重要手段。当前，杂散电流对管道的干扰问题已经受到了广泛关注，研究杂散电流的干扰对加强公共安全而言具有极其重要的意义。结合国内外研究和实际工程建设可知，杂散电流未来主要研究方向有以下几个方面：

1）直流动态杂散电流分布特性研究。杂散电流的主要来源为城市轨道交通，杂散电流的分布会随列车运行的时间而变化，其动态波动性会导致埋地管道保护工作难以实施。因此，掌握直流动态杂散电流的分布特性，对地铁日常运营和埋地管道保护工作具有重要意义。

2）直流动态杂散电流评价指标研究。直流动态杂散电流干扰是对埋地管道腐蚀最严重的干扰。现行直流杂散电流干扰评判标准主要为稳态直流干扰，且国内外均无针对直流动态杂散电流干扰的评价指标。完善直流动态杂散电流评价指标，具有迫切且重要的意义。

3）杂散电流干扰来源追踪研究。减小杂散电流干扰是一个极其复杂的工程，需要从源头进行控制。杂散电流源头往往不止一个且极难寻找，只有通过相应的办法追踪来源，才能从源头控制杂散电流，才能更好实施排流保护措施。

4）杂散电流排流措施研究。不同地区的杂散电流干扰源、埋地管道铺设方式及土壤环境不同，故杂散电流的排流措施要根据实际情况制定。未来杂散电流排流措施应具有集成化和易操作性，能够在不同环境背景下工作。