埋地管道地铁动态杂散电流防护设计方案研究

孙学鹏，高佳伟，焦亚龙，覃慧敏, 杜艳霞

(1.北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083；2.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035; 3.中国石油化工股份有限公司中原油田分公司油气储运中心，河南 濮阳 457001)

0 前 言

随着城市化进程不断加快，城市轨道交通建设数量逐渐增多。至2018年底，我国内地的城市轨道交通(地铁、轻轨和有轨电车)通车里程已达5 766.7 km，共有35座城市开通运营，城市轨道交通已经逐渐成为主要交通工具[1]。地铁给城市交通带来了极大便利，但是地铁一般采用直流供电系统，运行轨道为其牵引供电回路的一部分，铁轨不能做到完全对地绝缘，泄漏到土壤中的杂散电流会在附近的埋地管道上流入、流出，使得管地电位呈现动态波动特征。其中，刘杰[2]通过在一条受地铁杂散电流干扰的管线上不同位置开展干扰参数的同步监测，并对数据进行统计分析，发现地铁动态杂散电流干扰参数具有与地铁运行时间相对应的典型时间特征。其具体表现为在夜间至凌晨地铁停运的时间段内，管地电位基本无波动，而在日间地铁运行时间段内，管地电位波动剧烈，同时波动周期与地铁发车频次有一定相关性。朱祥剑[3]对北京、上海、深圳、无锡4城市受地铁杂散电流干扰的管道进行24 h管地电位监测，发现管地电位存在波动变化周期，其波动周期由众多小波峰组成，这些小波峰能反映出地铁杂散电流引起的管地电位上升、下降和在峰值时的平稳波动。管地电位的动态波动使得管地电位无法维持相对稳定，不但增大了管道的腐蚀风险，还给管道阴极保护电位进行有效测试、评估以及管道防护带来了较大困扰[4-10]。

国内外学者围绕杂散电流干扰下埋地管道防护开展了探索工作。其中，于志永[11]建立了地铁车辆段牵引回流系统模型，提出了在车辆段设置回流回路、设置杂散电流收集网、钢轨采用绝缘法安装杂散电流防护措施。Qin等[12]在一段受杂散电流干扰较为严重的管道上使用原有的牺牲阳极作为接地极，在牺牲阳极和管道之间安装极性排流器，防止杂散电流通过牺牲阳极流入管道。排流后通过测试桩监测到的电位明显负移，管道受到的直流杂散电流干扰大幅降低。胡伟[13]介绍了中石化销售华东公司成品油管网某管段的直流干扰治理实践，通过现场调研提出了采用深井式埋设纯锌合金作为阳极材料的防护方法。Delascasas[14]利用极性排流方法对一条自来水主管道的动态直流杂散电流干扰进行缓解，在地铁和管道之间跨接电缆并安装反向电流限制开关。结果表明，流经跨接电缆的排流电流最大达70 A。Beggs[15]介绍了在轻轨交通(LRT)系统建设前，针对可能受影响区域的输气管道提出的一系列监测及防护措施，其中包括在关键位置埋设永久性参比电极、利用电流环测量电流的大小和方向、针对市区与轨道交通交叉的燃气管网采取更换为塑料管道或者对管道安装套管等特殊处理，同时使用绝缘接头进行电气隔离，增加管道的纵向电阻，减少了杂散电流吸收。Mccaffrey[16]总结了输水管道新建和改造过程中受轻轨杂散电流影响的阴极保护设计防护的相关技术，包括在牺牲阳极系统中为防止阴极保护失效，每个阴极保护系统安装2组阳极地床；为了减小阴极保护的电流输出，对管道预先涂覆防腐层；为更好地实现电绝缘，在穿过轻轨下方的管道安装在管套中时使用绝缘垫片实现套管和保护管道的电绝缘等。夏慧芳等[17]提出了智能控制接地排流和采用强制排流的2种方案。Brenna等[18]提出一种基于电流准则的杂散电流防护方法，设定一个最小阴极保护电流，在该电流下试片的极化电位满足阴极保护电位准则，这样可以有效改进阴极保护系统，消除恒电位仪在恒电位运行模式下IR降的影响。马晓华[19]采用试片断电法对虹桥机场航油管道干扰情况进行了检测，从检测报告中可以看出部分管道受杂散电流干扰严重，之后采用排流器+牺牲阳极材料作为排流接地体地床的极性排流形式，排流器一端与管道相连，另一端与排流地床相连，使干扰电流通过排流地床排出。同时针对管道电位出现正移的情况，管线增加外加电流强排阴极保护站，通过外加电流阴极保护系统使管道电位尽可能负移，消除电位正移。国内外学者围绕杂散电流干扰下埋地管道防护开展的工作，大多集中在对于防护方法的介绍以及阴极保护系统的改进，对于地铁动态杂散电流防护设计中关于管道电位动态波动、杂散电流影响范围大、不同区域之间的相互影响等难点缺乏对整体排流防护设计方法的探索。因此，探索地铁杂散电流防护设计方法对于动态直流杂散电流干扰下的管道防护具有重要的借鉴和指导意义。本工作以遭受地铁杂散电流干扰的某实际埋地天然气管段为研究对象，探索了基于现场排流试验的防护设计方法，即对多个受干扰位置进行24 h动态直流干扰参数的连续监测，基于监测数据分析受干扰管段地铁杂散电流流入、流出规律。根据杂散电流流入、流出规律，开展不同位置的现场排流试验，基于现场试验结果及相关计算确定了受干扰管段的地铁杂散电流防护方案。同时，对防护效果进行了测试评估，测试评估结果说明此防护方案达到了预期的防护效果。

1 干扰测试及规律分析

1.1 研究方法

所考察的管段位于A站与B站之间，管道与地铁线路相对位置如图1所示。管段进出站均安装了绝缘接头，管道防腐层为3PE涂层。管线离地铁线路最近距离约1 km。前期管线的现场调研干扰检测结果表明，管地电位存在明显的波动，导致管道原有的阴极保护系统由于干扰无法正常运行。

图1 管道与地铁线路相对位置图

为了进一步掌握地铁动态杂散电流干扰的程度，对管段不同位置的干扰情况进行了详细测试，在管段上选择了7个测试点，测试点的位置如图1所示。根据GB/T 21246-2020“埋地钢质管道阴极保护参数测量方法”[20]规定的埋地管道管地电位测量方法，本工作采用试片断电法进行测试，测试内容包括测试桩处试片通电电位、断电电位、直流电流密度等参数。首先，在测试桩附近埋设试片和硫酸铜参比电极，将试片全部埋入土壤中，硫酸铜参比电极放置在与试片同深且距离试片1 cm处。试片和硫酸铜参比电极埋设完毕后，将UDL-2型数据记录仪的黑色导线与试片对应的导线相连接，红色导线与硫酸铜参比电极对应的导线相连接，蓝色导线与测试桩里管道线相连接。之后，使用UDL-2型数据记录仪对埋地管道沿7个测试点的试片通电电位、断电电位以及直流电流密度进行24 h的同步连续监测。其中，UDL-2型数据记录仪所测最小电位可达10-6V，最小电流可达10-6A。同时，本次测试采用的UDL-2型数据记录仪设置参数为：数据采集频率为1 s采集一个数据，循环周期20 s，断电3 s，断电延迟150 ms，通电延迟150 ms，电位只选择直流电压，电流只选择直流电流。试片通、断电电位及电流密度测量示意如图2所示。

图2 试片通、断电电位及电流密度测量示意图

获得埋地管道上不同位置的地铁杂散电流干扰参数后，通过Origin软件作图得到了通、断电电位的测试结果，分析了管道通、断电电位随时间的波动变化规律，探索了管道上不同位置杂散电流的流入、流出关系，并对管道动态直流干扰风险进行评价。

1.2 测试结果及分析

此管段共有7个测试点，由于1号测试点和2号测试点相距较近，故没有在2号测试点进行同步测试。此管段监测获取了管道上6处不同位置的干扰参数波动数据，下面以5号测试点为例来分析管道通、断电电位随时间的波动特征，其通、断电电位波动图如图3所示。由图3可见地铁杂散电流作用下的电位-时间记录有一个显著的特点：白天管地电位波动强烈，而夜间波动很小，呈现出典型动态直流干扰的特征。测试点的断电电位在一定时间内比-0.85 V(vs CSE)要正，表明管道存在一定的腐蚀风险。

图3 管线5号测试点电位测试结果

AS2832.1-2015[21]中规定，对于短时间受杂散电流极化作用的影响且涂层性能良好的金属埋地管道而言，测量电位大于规定电位(即受保护下的电位)的时间不应超过测量时间的5%，大于规定电位50 mV(对于钢铁结构来说即所测电位大于-800 mV)的时间不应超过测量时间的2%，大于规定电位100 mV(对于钢铁结构来说即所测电位大于-750 mV)的时间不应超过测量时间的1%，大于规定电位850 mV(对于钢铁结构来说即所测电位大于0 mV)的时间不应超过测量时间的0.2%。根据AS2832.1-2015对管道沿线的6个测试点的管道通电电位波动范围，断电电位最大值、最小值、平均值以及直流腐蚀风险评价进行统计，结果如表1所示。从表1中可以看出，3、5、7号测试点的断电电位统计结果远远大于标准要求，表明杂散电流对管道的干扰比较严重，需要采取一定的防护措施。

表1 管道动态直流干扰风险评估结果

1.3 管段上杂散电流流入、流出位置规律分析

管道中检测到电流的正、负向流动对应杂散电流的流入、流出管道，对管道上多个位置电流的同步测试数据进行分析对比，研究管段上的杂散电流流入、流出相对位置关系及变化规律。

3、4、5、6号4个测试点在同一方向上，其电流的流入、流出的规律更明显，因此，将3、4、5、6号4个测试点同步测试的电流密度数据绘图，如图4所示。图4显示了管道不同位置在相同时间段内的电流流向情况。由沿线电流密度同步记录数据局部放大图(图4b)可以看出，在同一时刻，3、4、5号测试点同步电流密度流向一致，6号测试点电流密度流向与3、4、5号测试点相反，说明在同一时刻，3、4、5号测试点是杂散电流的流入点时，6号测试点是杂散电流的流出点；3、4、5号测试点是杂散电流的流出点时，6号测试点是杂散电流的流入点。3、4、5号测试点和6号测试点的电流密度变化趋势相反，对应杂散电流的流入与流出，说明3、4、5号测试点和6号测试点互为地铁杂散电流的流入、流出位置，即当杂散电流从3、4、5号测试点流入时，6号测试点流出杂散电流，反之亦然。具体的部分测试点杂散电流流入、流出示意图如图5所示。在进行杂散电流防护方案设计的时候需要考虑管道不同位置杂散电流流入、流出的关系。

图4 部分测试点的电流密度流入、流出情况

图5 部分测试点杂散电流流入、流出示意

2 现场排流试验

为了确定被干扰管段所需的排流量及排流地床的位置，根据管道的干扰水平，杂散电流流入、流出规律，管道的干扰水平和地床开挖的可行性，选择在管线的两端进行馈电试验，分别于1号和7号测试点附近埋设2个临时阳极地床1号和2号，2个地点的馈电输出如表2和表3所示，同时于沿线测试桩处安装数据记录仪进行干扰缓解前后的通、断电电位测试。阳极地床的材质为扁铁，埋设位置垂直距离管道40 m左右，现场排流试验如图6所示。电源为恒电流输出模式。

表2 1号临时阳极地床

表3 2号临时阳极地床

图6 现场排流试验示意图

强制排流试验结果如图7所示，根据4个测试点的分布位置及杂散电流流入、流出规律，选择1、3、5、6号测试点，给出1、3、5、6号测试点的强制排流效果。由图7可知在1号临时阳极地床馈入3 A电流时，只有1号测试点电位明显负移，其他位置无明显变化。在1号临时阳极地床馈电时，随着馈入电流的增大，3号测试点处试片断电电位正于阴极保护标准的比例逐渐减小，但始终存在正于阴极保护准则的比例，说明管道依然存在腐蚀风险。在2号临时阳极地床馈电时，随着馈入电流的增大，6个测试点通、断电电位都明显负向偏移，各测试点处试片断电电位正于阴极保护标准的比例逐渐减小，当馈入电流达到7 A时，所有测试点处试片断电电位均达到阴极保护准则要求的范围。

由馈电试验结果(图7)可知，在1号临时阳极地床馈电到3 A时，只有距离最近的1号测试点的电位明显负移，3号测试点和5号测试点电位无明显变化，馈电效果不明显。在2号临时阳极地床馈电到7 A时，排流效果可以达到最远的1号测试点。同时，3号测试点和5号测试点馈电效果明显。在2号临时阳极地床馈电电流为7 A时，全线测试桩均达到阴极保护标准。2号阳极地床相对于1号阳极地床排流效果更佳，与2号阳极地床的位置更靠近干扰最严重的管段及干扰源有关，馈电试验说明在进行地铁杂散电流排流地床位置选择时，应充分考虑干扰严重管段及与干扰源的相对位置。考虑到用电设备的电源需求，初步选择在2号临时阳极地床附近安装防护地床。

图7 强制排流效果试验结果

3 干扰排流方案设计

根据现场排流试验结果及现场安装条件，选择在距离7号测试点较近的A站附近安装深井阳极地床。选取φ50 mm×1 000 mm(预包装尺寸φ273 mm×2 000 mm，50 kg/支)的MMO阳极，其最大输出电流密度为100 A/m2。根据排流量的需求(>7 A)，为了保证电源输出不是太大，控制阳极接地电阻为3 Ω。按照阳极接地电阻的要求计算阳极的数量。单只阳极接地电阻采用式(1)计算：

(1)

式中：Ra，h为阳极的接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；L为阳极长度，m；d为阳极直径,m；t为地表下的埋深，m。根据现场实测，取土壤电阻率ρ为100 Ω·m，根据式(1)进行计算得Ra，h≈15.9 Ω。

连接至同一主电缆的多支水平式阳极组的接地电阻采用式(2)和式(3)计算：

(2)

(3)

式中：Rgb，h为N支水平式阳极的总接地电阻，Ω；Ra，h为单支阳极的电阻，Ω；N为阳极数量；S为阳极之间的中心间距，m；F为群集因子。

阳极中心间距S为5 m，计算得Rgb,h<3 Ω，N>9.1。因此，深井选用10支及以上的MMO阳极能满足输出电流的要求。考虑到实际地下环境条件，设计深井阳极100 m，活性区长度50 m，阳极中心间隔5 m(端部间距3 m)，共10支预包装MMO阳极。

深井阳极系统中每组阳极用一根电缆引至阳极接线箱，每支阳极的电缆在井口预留3 m。选择阳极电缆时主要考虑电流容量和机械强度2方面，另外环境中卤素离子也是一个重要因素。综合以上考虑，选择的阳极电缆型号为YJV-1KV-1×16 mm2。

通过回路中电压的计算设计强制排流电源。其中，回路总电阻采用式(4)进行计算：

RT=Ra+RW+Ru+R

(4)

式中：Ra为阳极接地电阻(此处为1.98 Ω)；RW为导线电阻；Ru为未知组件电阻；R为阴极对地电阻。

取RW=0.20 Ω；Ru=0.50 Ω；Rc=0.02 Ω计算得到RT=3.7 Ω。

电压采用式(5)进行计算：

E=IR+Ep

(5)

式中：I为总排流电流量，A；R为回路总电阻，Ω；Ep为反电动势，一般取2 V。计算得到E≈30 V。

考虑服役时间及余量，强制排流电源选择2台抗干扰恒电位仪(50 V/20 A，一用一备)，型号为SMART IMRT-1H。

4 防护效果评价

实施防护方案后，进行了效果测试与评价，2号临时阳极地床附近的智能抗干扰恒电位仪以恒电位模式运行，其预置电压为-1.2 V，输出电压为0～5 V，输出电流为0～4 A。开启智能抗干扰恒电位仪后，对沿线管道进行了24 h的电位测试，测量结果如表4所示。

表4 沿线管道测试结果

从表4可以看出，所有测试点的断电电位均满足标准要求。其中腐蚀风险高的3号测试点、7号测试点所测电位相对于正于保护准则比例、正于保护准则50 mV比例、正于保护准则100 mV比例、正于保护准则850 mV比例均为0，说明管道施加阴极保护后达到了预期要求，设备可长期进行运行。

5 结 论

本工作以遭受地铁杂散电流干扰的埋地天然气管道为研究对象，探索了基于现场排流试验的防护设计方法，得到以下结论：

(1)管段多点同步监测数据分析可以获得地铁杂散电流在受干扰管道上的流入、流出分布规律。本文案例中受地铁杂散电流干扰的管道3、4、5号测试点与6号测试点之间互为流入、流出位置，同一位置杂散电流的流入、流出特性随时间变化。管地电位测试数据表明，3号、5号和7号测试点存在较为严重的杂散电流干扰，腐蚀风险比较高；

(2)开展不同位置的现场排流试验，发现在1号临时阳极地床馈电的馈电效果不明显。在2号临时阳极地床馈电，馈电效果明显，说明在进行地铁杂散电流排流地床位置选择时，应充分考虑干扰严重管段及与干扰源的相对位置关系，不同位置的排流效果会有明显差异；

(3)基于现场排流试验，确定了排流方案。实施防护方案后，测试评估结果表明防护方案取得了良好的效果。说明基于现场试验及相关计算确定的受干扰管段杂散电流防护方案合理，可以为同类工程提供参考。