华南某成品油管线地铁杂散电流干扰评价及防护方案研究

2024-03-06陈程

材料保护 2024年2期

陈程

(武汉市燃气集团有限公司，湖北武汉 430030)

0 前言

根据交通运输部城市轨道交通运营数据显示，2023 年2 月我国已有52 个城市(包含县级市)开通了城市轨道交通，运营里程近万公里，其中30 多个城市贯通地铁。近几年，北京、上海、深圳、武汉等城市地铁杂散电流干扰工作显示，地铁杂散电流是造成埋地燃气管道腐蚀穿孔泄漏的重要隐患[1-5]。在直流牵引供电系统中钢轨自身存在纵向电阻，且与大地不能做到完全绝缘，常用的几种杂散电流源头控制措施无法避免杂散电流的产生，开展动态直流杂散电流对埋地金属管道干扰和防护的研究，对于管道的安全运行具有重要的借鉴和指导意义[6]。

国内外研究人员对动态杂散电流的干扰做了较多工作，Simon[7]通过埋设检查片研究轻轨开通前后对埋地管道的影响，测试了检查片的流入、流出电流密度，通过法拉第定律计算流出电流密度对应的腐蚀速率来分析管道的腐蚀风险，并适时调整阴极保护站输出，使检查片均为受保护状态。 Greenberger 等[8]利用模型模拟计算杂散电流对牵引变电站附近裸铸铁水管的腐蚀影响，假定不同比例泄露电流，计算管道与变电站不同间距的腐蚀电流密度(对应腐蚀年限)和影响范围，从而为管道设计提供参考。 Allahkaram 等[9]对受到动态杂散电流干扰的天然气管道进行腐蚀检查片的埋设，同步进行试片电流密度和通电电位的测量，发现实际腐蚀速率仅为计算腐蚀速率的27%。 Qian 等[10]研究了X52 管线钢在阳极和阴极不同电流密度下电位和pH 值的变化，发现杂散电流在阳极区加速管道腐蚀，在阴极区提供保护电流。 Xu 等[11]搭建了地铁杂散电流干扰模拟试验装置，测试了不同干扰参数下钢筋和管道的极化电位的变化，获得了不同干扰参数和腐蚀严重程度的非线性关系曲线。唐德志等[12]利用现场实验和理论分析相结合的方法进行了镁合金牺牲阳极排流技术的应用研究，其结果表明，干扰状态下当管道电位正向不超过＋1.5 V(vs CSE)时，镁合金牺牲阳极可以有效地抑制地铁杂散电流干扰，但其保护范围有限。

目前国内外关于地铁杂散电流的干扰评估与防护的研究主要集中在理论设计与缓解措施的应用，但大多数仅仅局限于杂散电流产生的原因、危害以及检测和防护方法的基本介绍，关于现场实际情况设计的实验方案较少[13-17]。本工作介绍了华南某段成品油管线直流杂散电流干扰测试数据及干扰风险评估结果，并考察了自身阴极保护系统调试，进出站绝缘接头跨接，强制电流排流3 种方案的缓解效果，最终确定强制电流排流为最优缓解方案。该工作可为管道杂散电流干扰的防护设计以及阴极保护站的布局或优化输出电流提供参考。

1 测试方法

根据GB/T 21246-2020 “埋地钢质管道阴极保护参数测量方法” 规定的埋地管道管地电位测量方法[18]，采用uDL2 Data Logger 电位数据记录仪和饱和硫酸铜参比电极进行测试，记录频率为1 次/s，记录时长≥20 h。其中直流杂散电流的测试试片尺寸选择6.5 cm2，通断周期为5 s(通4 s，断1 s)；在断电后300 ms时测试断电电位。绝缘接头采用电位法进行测试，阳极地床接地电阻采用长接地体接地电阻测试法，土壤电阻率采用对称四极交流电法，电极间距为2 m，测试仪器均为ZC-8 型接地电阻测试仪。

2 结果与讨论

樟村阀室至东莞站段某成品油管线，自东莞地铁投运以来，ZC 阀室至54 号测试桩段管道管地电位波动频繁剧烈，部分位置阴极保护电位不满足GB/T 21448-2017 “埋地钢质管道阴极保护技术规范”[19]中的要求。现场勘查得知，该段管线与东莞地铁2 号线位置关系如图1 所示。在44 号＋909 与46 号＋529 测试桩之间存在一处交叉，并在ZC 阀室至44 号＋909 测试桩段存在并行，并行间距小于1 km，并行长度约2.5 km。本次测试对ZC 阀室及DW 站阴极保护系统进行检测，包括:恒电位仪、绝缘接头、辅助阳极地床、土壤电阻率、管道沿线通断电电位以及直流杂散电流干扰。

图1 东莞地铁2 号线与管线位置关系图Fig.1 Location relationship between dongguan metro Line 2 and pipeline

2.1 阴极保护系统检测

ZC 阀室至DW 站管线共约22.5 km，共设置外加电流阴极保护系统2 套，其中ZC 阀室1 套，保护上下游管线；DW 站1 套，保护进站及出站管线，站内未设置阴极保护系统，恒电位仪均可正常运行。阴极保护系统分布如图2 所示。 ZC 阀室未设置绝缘接头，DW 站进出站管线均设置有绝缘接头，DW 站进站与出站管线在恒电位仪阴极线及零位线接线柱处设置有跨接，ZC阀室和DW 站阴极保护系统辅助阳极地床接地电阻分别为8.21 Ω 和7.82 Ω，相对较高。

图2 ZC 阀室至DW 站阴极保护系统分布示意图Fig.2 Distribution diagram of cathodic protection system from ZC valve chamber to DW station

采用电位法对DW 站进出站绝缘接头进行测试。测试数据如表1 所示，进出站位置绝缘接头，站内、站外管线通电电位及交流电压平均值存在明显差异，可判断进站位置绝缘接头良好。

表1 DW 站进出站绝缘接头测试数据Table 1 Test data of insulated joint in and out of DW station

2.2 土壤电阻率测试

管道沿线共完成土壤电阻率测试23 处，测试结果如表2 和图3 所示，根据GB/T 21447-2018[20]判断1处土壤腐蚀性“强”(电阻率＜20 Ω·m)，7 处土壤腐蚀性为“中”(电阻率20～50 Ω·m)，15 处土壤腐蚀性为“弱”(电阻率＞50 Ω·m)。

表2 ZC 阀室至DW 站土壤电阻率测试数据Table 2 Test data of soil resistivity from ZC valve chamber to DW station

图3 ZC 阀室至DW 站土壤电阻率测试结果Fig.3 Test results of soil resistivity from ZC valve chamber to DW station

2.3 直流杂散电流监测及评价

2.3.1 测试结果评估标准

关于杂散电流干扰下的管线风险评估，国内相关标准如GB/T 21448-2017[19]及GB 50991-2014[21]均侧重稳态的直流干扰，但关于动态直流杂散电流干扰的评判还不完善，而在国外相关标准中，如澳大利亚标准AS 2832.1-2015[22]就考虑了动态杂散电流的干扰，对地铁杂散电流干扰下阴极保护管线的风险评价做了如下规定，对于短时间极化的构筑物，防腐层性能良好的构筑物或已证实对杂散电流的响应为快速极化和去极化的构筑物，应遵循以下准则:

电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的5%；

电位正于保护准则＋50 mV(对钢铁构筑物电位为-800 mV)的时间不应超过测试时间的2%；

电位应正于保护准则＋100 mV(对钢铁构筑物电位为-750 mV)的时间不应超过测试时间的1%；

电位正于保护准则＋850 mV(对钢铁构筑物电位为0 mV)的时间不应超过测试时间的0.2%。

2.3.2 动态直流干扰结果评估

对ZC 阀室至DW 站23 处管道电位进行监测，通电电位测试结果如图4 所示。由测试结果可知，管道沿线电位均发生明显波动，其中ZC 阀室至51 号＋906测试桩电位波动范围较大，约5～-6 V 之间；其余测试桩电位波动范围较小，约1 ～-2 V 之间，结果表明该段管线受直流杂散电流干扰影响。

图4 ZC 阀室至DW 站通电电位监测结果Fig.4 Monitoring results of energized potential from ZC valve station to DW station

为确定干扰源类，对距离地铁最近的46 号＋529 测试桩通电电位监测数据进行分析，根据电位波动范围及东莞地铁运行时刻表可将测试结果分为5 个阶段，如图5 所示。其中阶段3 管线通电电位基本无波动，说明此时干扰源未工作，该时间段为00:00 ～5:30，这与地铁运行规律基本一致，因此判断干扰类型为地铁直流干扰。其余时间段5:30 ～24:00 管线电位均有明显波动，但调查资料显示东莞地铁运行时间段为6:30～23:05，说明在5:30～6:30 以及23:05～24:00 2 个时间段管线受到其它直流干扰源影响，由于ZC 至DW 段管线与上游(广州HP 站)及下游(深圳PS 站)方向管线均电连接，因此判断:ZC 阀室至DW 站段管线主要受东莞地铁影响，同时深圳和广州地铁对其也有影响。

图5 46 号＋529 测试桩通电电位监测结果Fig.5 Monitoring results of power-on potential of 46＃＋529 test pile

上述结果表明该段管线受动态直流杂散电流干扰，因此根据澳大利亚标准AS 2832.1-2015 对ZC 阀室至DW 站23 处管道24 h 断电电位监测结果进行评价，评价结果如图6 所示。 ZC 阀室至51 号＋906 测试桩电位波动范围较大，约在0.10 ～-1.25 V 之间；其余测试桩处电位波动范围较小，约在-0.60 ～-1.10 V 之间。此时受地铁干扰电位正向波动超出标准限值时间最长的为46 号＋529 ～49 号测试桩段管线。 42 号＋080、42 号＋509、43 号、44 号＋909、46 号＋529、47 号＋430、48 号、49 号、50 号＋210、51 号＋906 桩处断电电位分别正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0的比例均超出标准限值要求；52 号＋011、53 号＋550 桩处断电电位正于-0.85 V、正于-0.80 V 的比例超出标准限值要求；52 号＋971、54 号＋125 处断电电位正于-0.85 V 的比例超出标准限值要求。共14 处，合计61%的监测点断电电位不满足AS 2832.1-2015 标准要求。

图6 ZC 阀室至DW 站断电电位监测结果Fig.6 Monitoring results of outage potential from ZC valve chamber to DW station

2.4 不同缓解方案效果对比

2.4.1 进出站绝缘接头跨接

本测试研究DW 站进出站跨接给ZC 阀室至DW站段管线带来的影响。 DW 站阴极保护系统及干扰源示意图如图7 所示，由于43 号～54 号＋125 段管线受地铁干扰较为严重，在该段选择5 处位置及DW 站进站绝缘接头处进行电位测试。

图7 DW 站阴极保护电流及杂散电流示意图Fig.7 Schematic diagram ofcathodic protection current and stray current of DW station

DW 站进出站跨接线连接及断开2 种状态下电位波动情况如图8 所示，跨接线断开前后管道电位均频繁波动，难以说明进出站跨接线对干扰的影响。

图8 DW 站进出站跨接前后电位监测数据Fig.8 Potential monitoring data of DW station before and after entering and leaving the station

对图8 电位监测结果进行处理得到如图所示电位统计图(见图9)。由图9 可知，DW 站跨接前后测试桩电位均发生了波动，但电位波动范围均较小，因此判断DW 站进出站跨接对ZC 阀室至DW 站段管线电位存在一定影响，但影响相对较小，暂可不考虑，后期测试均将在DW 站进出站管线跨接的情况下进行。

图9 DW 站进出站跨接前后电位统计数据Fig.9 Statistical data of potential before and after the entry and exit of DW station

2.4.2 阴极保护系统调试

根据图1 和图6 测试结果可知，受干扰的43 号～54 号＋125 段管线均处于ZC 阀室阴极保护系统的保护范围内，增大ZC 阀室阴极保护系统输出电流至3.0 A，DW 站阴极保护系统维持原有输出3.5 A，管道沿线5处测试桩处电位如表3、图10 所示，此时受地铁影响正于保护电位时间最长的为46 号＋529 桩，比例为26.59%，且43 号、44 号＋909、49 号桩处断电电位分别正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例超出标准限值要求，46 号＋529 桩处断电电位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V 的比例超出标准限值要求，说明该状态下管道阴极保护电位无法满足标准要求。

表3 ZC 阀室恒流3.0 A 运行时电位监测结果Table 3 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 3.0 A operation

图10 ZC 阀室恒流3.0 A 运行时电位监测结果Fig.10 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 3.0 A operation

将ZC 阀室阴极保护输出电流从3.0 A 逐步提高到6.0 A，DW 站阴极保护系统仍维持原有输出3.5 A。管线电位如表4、图11 所示。

表4 ZC 阀室恒流6.0 A 运行时电位监测结果Table 4 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 6.0 A operation

图11 ZC 阀室恒流6.0 A 运行时电位监测结果Fig.11 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 6.0 A operation

此时受地铁影响正于保护电位时间最长的仍为46号＋529 桩，比例为19.11%，且43 号、46 号＋529、49 号测试桩处管线电位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例仍超出标准限值要求；52 号＋971 测试桩处管线电位正于-0.85 V 的比例仍超出标准限值要求。但此时41 号＋981 测试桩处管线断电电位负于-1.20 V 的比例已经达到22%，不宜继续增加ZC 阀室阴极保护系统输出。

2.4.3 强制电流排流

选取受干扰最严重的46 号＋529 测试桩处进行现场排流实验，配合现有阴极保护系统进行测试，现场排流示意图如图12 所示。 DW 站阴极保护系统输出电流恒定设置为3.5 A，ZC 阀室阴极保护系统输出电流恒定设置为6.0 A。 46 号＋529 测试桩处分别馈入1.0、3.0 A 电流，对管道沿线断电电位变化进行监测。

图12 现场排流测试示意图Fig.12 Schematic diagram of on-site drainage test

46 号＋529 测试桩馈入1.0 A 电流时，管道沿线电位监测数据如表5、图13 所示。此时受地铁影响正于保护电位时间最长的为43 号桩，比例为12.05%，且43号、46 号＋529 测试桩处管线电位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例仍超出标准限值要求；49 号测试桩处管线电位正于-0.85V、正于-0.80 V 的比例仍超出标准限值要求。

表5 46 号＋529 处馈电1.0 A 时电位监测结果Table 5 Potential monitoring results when feeding 1.0 A at 46＃＋529

图13 46 号＋529 处馈电1.0 A 时电位监测结果Fig.13 Potential monitoring results when feeding 1.0 A at 46＃＋529

根据上述测试结果继续增大46 号＋529 测试桩处排流地床输出，当输出达到3.0 A 时，管道沿线电位监测数据如表6、图14 所示。此时仅43 号测试桩处管线受地铁干扰电位正于-0.80 V 的比例为2.85%，略微超出2%的限值要求，其余测试桩均可达到保护，该条件下管道阴极保电位基本满足标准要求。