唐 偉，陳 殷，李良威

（1、2、3，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，四川成都 610031）

1 引言

油氣管道與鐵路臨近時(shí)，電氣化鐵路中的交變電流會(huì)對(duì)鋼制管道產(chǎn)生電磁干擾，從而改變管道及空間磁場(chǎng)分布，這一過(guò)程被稱為交流干擾［1］，其會(huì)在管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，對(duì)管道造成電化學(xué)腐蝕，進(jìn)而危害鐵路和油氣管道安全［2］。因此我國(guó)對(duì)交流干擾有嚴(yán)格限制，并規(guī)定在鐵路開通運(yùn)營(yíng)前，需對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)估。

由于交流干擾是一個(gè)電磁感應(yīng)過(guò)程，求解過(guò)程較為復(fù)雜。常用的方法為經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元法，經(jīng)驗(yàn)公式法結(jié)果粗糙，工程應(yīng)用常常造成不必要的冗余設(shè)計(jì)［3-4］。有限元法占用資源較大，計(jì)算速率慢，不適用于工程設(shè)計(jì)［5］。

文獻(xiàn)［6］給出了交流干擾的解析計(jì)算方法［6］，但計(jì)算公式較為復(fù)雜，普通設(shè)計(jì)人員難以掌握。為解決這一問題，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某條新建高速鐵路與油氣管道交匯時(shí)的一個(gè)典型點(diǎn)，介紹了一款自主開發(fā)的計(jì)算軟件，該軟件能計(jì)算管道交流干擾電壓、電流以及空間磁場(chǎng)分部等，從而為防護(hù)提出建議。

2 數(shù)學(xué)建模

油氣管道與鐵路交匯時(shí)可能存在平行與交叉兩種情況，其示意圖分別如圖1（a）/（b）所示。

圖1 油氣管道與鐵路臨近示意圖

2.1 平行臨近 當(dāng)鐵路與管道平行臨近時(shí)，可等效為若干鐵路載流導(dǎo)體與管道構(gòu)成的電磁感應(yīng)模型，此時(shí)管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如式（1）所示，

其中，μ0、f、l分別為真空磁導(dǎo)率、電流頻率和平行段長(zhǎng)度，rf為大地交流電阻，Hm為管道埋設(shè)深度，dn為管道與載流導(dǎo)體的水平距離，D為等值深度，n為載流導(dǎo)體的數(shù)量，其與鐵路供電方式及單復(fù)線等工況相關(guān)，In為不同導(dǎo)體中電流大小，與不同工況下電流分配系數(shù)相關(guān)。

2.2 交叉臨近 當(dāng)鐵路與管道交叉臨近時(shí)，可等效為無(wú)數(shù)平行微元的疊加，此時(shí)管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電流如式（2）所示，

其中，

其中，（x0,y0,z0）和（x1,y1,z1）為交叉接近段起止位置的空間坐標(biāo)，（zd,yd,zd）為載流導(dǎo)體的空間坐標(biāo)。

式（1）～（3）的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程如文獻(xiàn)［6］所示。

3 軟件開發(fā)

文獻(xiàn)［6］研究了油氣管道交流干擾產(chǎn)生的電流和空間磁場(chǎng)，并給出了計(jì)算公式。然而，表達(dá)式較為復(fù)雜，且為隱式，不能滿足工程快速計(jì)算需求。未解決這一問題，本文開發(fā)了相應(yīng)計(jì)算軟件。

軟件采用VB 2010和MATLAB混合編程，用MATLAB編寫核心算法，VB 2010編寫操作界面，既保證了計(jì)算的高效性，也保證了通用性。其開發(fā)過(guò)程如圖2所示。

圖2 軟件開發(fā)示意圖

主程序由VB 2010編寫，VB2010是由美國(guó)微軟公司開發(fā)的可視化、面向?qū)ο蠛褪录?qū)動(dòng)相結(jié)合的高級(jí)語(yǔ)言，因此，最終軟件能兼容Windows 7/Vista/10等不同操作系統(tǒng)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 軟件安裝 該軟件基于VB 2010和MATLAB混合編程，可運(yùn)行在安裝有.Net 4.5.1以上版本的Windows系統(tǒng)中，軟件安裝主界面如圖3所示。

圖3 軟件安裝主界面

依次完成運(yùn)行環(huán)境、編譯器和主程序的安裝即可，如果系統(tǒng)已有.Net 4.5.1以上版本，即可跳過(guò)第一步。

4.2 模塊選擇 本文將以國(guó)內(nèi)某處新建高速鐵路與油氣管道交匯的實(shí)際情況為例，介紹該軟件的使用方法。啟動(dòng)軟件后，首先需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模塊選擇，選擇界面如圖4所示。

圖4 模塊選擇界面

4.3 輸入與計(jì)算 根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況選擇完畢后，點(diǎn)擊啟動(dòng)，進(jìn)入?yún)?shù)輸入界面，如圖5所示。

圖5 參數(shù)輸入界面

如上圖所示，由于要輸入不同導(dǎo)體以及管道的空間坐標(biāo)，因此需進(jìn)行空間原點(diǎn)定位，點(diǎn)擊參考圖后，會(huì)給出原點(diǎn)位置，如圖6所示。

圖6 確定空間原點(diǎn)

此外，需輸入鐵路各載流導(dǎo)體的回流系數(shù)，該系數(shù)通?？捎晒こ探?jīng)驗(yàn)或理論計(jì)算確定。對(duì)于有條件的工程，也可采用實(shí)測(cè)值。所有參數(shù)輸入完畢后，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，軟件開始計(jì)算交流干擾大小以及空間磁場(chǎng)，其間會(huì)要求設(shè)置結(jié)果儲(chǔ)存路徑，如圖7所示，用戶可根據(jù)使用習(xí)慣選擇。

圖7 結(jié)果儲(chǔ)存路徑選擇

4.4 結(jié)果輸出 當(dāng)計(jì)算完成后，軟件會(huì)彈出輸入界面如圖8所示，軟件提供了“牽引工況”和“短路工況”兩種情況下的計(jì)算結(jié)果，用戶可根據(jù)需要，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行切換。

圖8 輸入界面

由上圖可知，軟件給出了不同工況下感應(yīng)電壓、電流、交流電流密度等結(jié)果，并對(duì)是否滿足規(guī)范以及是否需要防護(hù)進(jìn)行了判別。其中感應(yīng)電壓判別依據(jù)為《交流電氣化鐵道對(duì)油（氣）管道（含油庫(kù)）的影響容許值及防護(hù)措施》（TB/T2832-1997），交流干擾強(qiáng)度判別依據(jù)為《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50698-2011）。最后，在圖7所示選擇的結(jié)果儲(chǔ)存路徑中，可以得到空間磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)圖，從而直觀反映磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化，用戶可根據(jù)需要使用，也可轉(zhuǎn)為.mp4等視頻格式。

5 結(jié)論

根據(jù)工程應(yīng)用需求，本文開發(fā)了一款油氣管道交流干擾計(jì)算軟件，并以工程實(shí)際情況為例，著重介紹了軟件的操作過(guò)程和方法，可為相關(guān)技術(shù)人員的使用提供參考。該軟件計(jì)算速率高，結(jié)果準(zhǔn)確度大大優(yōu)于目前廣泛采用的經(jīng)驗(yàn)公式法，從而避免不必要的冗余設(shè)計(jì)，極大節(jié)省了管道的防護(hù)成本。該軟件已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多條新建鐵路的安全評(píng)估中，取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。