焦建瑛,劉 瑤,陳濤濤,邢琳琳,朱祥劍,杜艷霞,霍 鐸

(1. 北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，北京 100083； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

城市埋地管網(wǎng)和地鐵交通網(wǎng)縱橫交錯，目前在多地埋地管網(wǎng)上檢測到了地鐵動態(tài)雜散電流干擾[1-5]，近幾年，國內(nèi)圍繞地鐵雜散電流干擾開展的工作表明，地鐵雜散電流是造成埋地燃?xì)夤艿栏g穿孔泄漏的重要隱患[6-13]。如何評估地鐵雜散電流干擾風(fēng)險，并采取有效防護(hù)措施成為實際生產(chǎn)的迫切需求。GREENBERGER[14]利用簡單模型模擬計算雜散電流對牽引變電站(具有二極管接地系統(tǒng))附近裸鑄鐵水管的腐蝕，在不同泄漏電流條件下，計算管道與變電站不同間距的腐蝕電流密度(對應(yīng)腐蝕年限)和影響范圍，從而為管道設(shè)計提供參考。趙晉云等[15]通過新大線管道雜散電流干擾緩解的案例，提出增加陰極保護(hù)裝置和極性接地排流來抑制雜散電流干擾，排流效果顯著，但不能完全消除干擾。楊永等[16]通過埋設(shè)鎂犧牲陽極進(jìn)行直接接地排流，或者利用極性排流器和鎂犧牲陽極的方式進(jìn)行極性接地排流，使得管道附近的土壤電位梯度顯著降低，管地電位波動也大幅減小，從而降低了雜散電流對管道的影響。

目前國內(nèi)外關(guān)于地鐵雜散電流干擾評估與防護(hù)的報道主要集中在理論設(shè)計與緩解措施的應(yīng)用，關(guān)于如何根據(jù)現(xiàn)場情況合理設(shè)計試驗方案并沒有清晰的闡述。本工作介紹了北京燃?xì)饽扯问艿罔F雜散電流干擾高壓管道的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)及干擾風(fēng)險評估結(jié)果，并開展了詳細(xì)的干擾防護(hù)現(xiàn)場試驗，分析了防護(hù)方法、排流地床位置等因素對排流效果的影響，基于現(xiàn)場試驗結(jié)果，確定了該段管道的地鐵雜散電流防護(hù)方案，以期為燃?xì)夤艿赖罔F雜散電流防護(hù)方案的設(shè)計提供參考。

1 地鐵雜散電流的干擾情況

1.1 現(xiàn)場干擾測試

由圖1可見：監(jiān)測地點為燃?xì)夤芏伪倍伺c地鐵房山線交叉及并行段，此管段建設(shè)于2012年，長度約為7 km，管徑DN1000，管道外防腐蝕層均為3層PE，沿線共有1，2，3，4，5，6，7號等7個陰保測試樁。

圖1 某燃?xì)夤芏闻c地鐵房山線的相對位置圖Fig. 1 Relative position map of a gas pipe section and the subway Fangshan line

根據(jù)GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》規(guī)定的埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法，測試了此管段的管道通電電位(采用銅/硫酸銅參比電極，CSE)，并采集了與管道同樣材質(zhì)、裸露面積為6.5 cm2的片狀試樣的斷電電位。如圖2所示，沿線管道通斷電電位均呈周期性波動，并在地鐵運(yùn)行時段波動嚴(yán)重、停運(yùn)階段較為穩(wěn)定，屬于典型的地鐵動態(tài)直流干擾特征。

如表1所示，管道通斷電電位都呈現(xiàn)從南側(cè)向北側(cè)波動幅值越來越大的規(guī)律，最北側(cè)管道與地鐵房山線交叉位置,通電電位波動幅度達(dá)到2.09 V，受雜散電流干擾較為嚴(yán)重。

表1 動態(tài)直流干擾下管道的通電電位和斷電電位Tab. 1 On potentials and off potentials of pipeline with dynamic DC interference V

1.2 干擾評估

關(guān)于直流雜散電流干擾下的管線風(fēng)險評估，國標(biāo)GB/T 21448-2017及GB 50991-2014均側(cè)重對陰極保護(hù)和穩(wěn)態(tài)直流干擾的評估，缺乏有關(guān)動態(tài)直流干擾的評判準(zhǔn)則。而國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS2832.1-2015考慮了動態(tài)雜散電流干擾，對地鐵雜散電流干擾下陰極保護(hù)管線的風(fēng)險評價進(jìn)行如下規(guī)定，對于短時間極化的、防腐蝕層性能良好的或已證實對雜散電流的響應(yīng)為快速極化和去極化的構(gòu)筑物，應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時間不應(yīng)超過測試時間的5%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+50 mV(鋼鐵構(gòu)筑物電位為-800 mV)的時間不應(yīng)超過測試時間的2%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+100 mV(鋼鐵構(gòu)筑物電位為-750 mV)的時間不應(yīng)超過測試時間的1%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+850 mV(鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV)的時間不應(yīng)超過測試時間的0.2%。

(a) 2號 (b) 3號

(c) 2號 (d) 3號圖2 地鐵雜散電流干擾下,不同測試樁處測得的通電、斷電電位Fig. 2 On potentials and off potentials measured at different test piles under the interferebce of subway stray current

本工作中管道的防腐蝕層為3層PE，屬于短時間極化構(gòu)筑物，因此參照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)要求，統(tǒng)計了燃?xì)夤艿姥鼐€測試樁處斷電電位比保護(hù)準(zhǔn)則更正時間占總測試時間的比例，如表2所示。由表2可見，此段管道極化電位正于保護(hù)電位的時間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，說明此段管道受到動態(tài)直流干擾嚴(yán)重，故要進(jìn)行動態(tài)直流防護(hù)。

表2 管道動態(tài)直流干擾風(fēng)險評價Tab. 2 Risk assessment of pipeline dynamic DC interference %

2 地鐵雜散電流干擾防護(hù)的現(xiàn)場試驗

為了獲得該段管道的地鐵雜散電流防護(hù)方案，在現(xiàn)場開展了防護(hù)試驗，主要考察了防護(hù)方法和排流地床位置兩個因素對排流效果的影響。

2.1 犧牲陽極現(xiàn)場排流

如圖3所示，距離管線2 m，距離6號測試樁約100 m處，臨時埋設(shè)2支鎂合金犧牲陽極，同時在犧牲陽極埋設(shè)處、6號測試樁處的管道正上方埋設(shè)極化試片，模擬管道的防腐蝕層漏點，用來測試排流效果。

圖3 犧牲陽極埋設(shè)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of sacrificial anode installation

由圖4可知，新增犧牲陽極對犧牲陽極地床附近管道的雜散電流干擾有一定的緩解效果，斷電電位降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保護(hù)電位(-0.85 V)以下，但在6號測試樁附近管道通斷電電位沒有降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。由此推斷，兩支鎂合金犧牲陽極排流地床的有效保護(hù)范圍在100 m內(nèi)，若應(yīng)用鎂合金犧牲陽極保護(hù)7 km長的管道，需要埋設(shè)大量犧牲陽極，同時犧牲陽極服役壽命有限，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與現(xiàn)場施工條件，不推薦使用犧牲陽極防護(hù)方案。

(a) 陽極地床處 (b) 6號測試樁處圖4 犧牲陽極地床連接前后管道通斷電電位測試結(jié)果Fig. 4 Test results of on and off potentials of pipeline before and after the connection of sacrificial anodes

2.2 強(qiáng)制排流

如圖5所示，根據(jù)干擾水平和現(xiàn)場埋設(shè)條件，分別在管段兩端的1號、6號測試樁處埋設(shè)臨時排流陽極地床和參比電極，采用直流電源進(jìn)行強(qiáng)制排流饋電試驗。6號測試樁處陽極地床距離管道約100 m，1號測試樁處陽極地床距離管道約200 m；同時在沿線測試樁處安裝數(shù)據(jù)記錄儀，測試干擾緩解前后的通斷電電位。

圖5 臨時陽極地床埋設(shè)位置Fig. 5 Temporary anode bed burying position

2.2.1 1號測試樁處強(qiáng)制排流

由圖6可見，隨著饋入電流的增大，管道的斷電電位下降明顯，其中在饋入4 A電流后，1,2,3號測試樁處管道的斷電電位降至-0.85 V以下，排流效果明顯；距排流地床越遠(yuǎn)，管道斷電電位越下降越不明顯，5，6，7號測試樁處部分管道斷電電位沒有達(dá)到保護(hù)電位，排流效果逐漸變差。

由圖7可見：只有1，2，3號測試樁處的通、斷電電位明顯改善，而其他區(qū)域的緩解效果較差，有效保護(hù)范圍約3 km。

2.2.2 6號測試樁處強(qiáng)制排流

由圖8可見,隨著饋入電流的增大，管道的斷電電位下降明顯；饋入相同電流時，隨著與排流地床距離的增大，管道斷電電位下降來越不明顯，在距離6號測試樁6 km的另一端1號測試樁處測得斷電電位完全達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求(-0.85 V以下)。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(d) 5號 (e) 6號 (f) 7號圖6 1號測試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測試樁的通斷電電位Fig. 6 On and off potentials at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 test pile

圖7 1號測試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 7 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 test pile

由圖9可見，1號測試樁處未見明顯的改善效果外，沿線電位均有所改善，其中5號測試樁的改善效果比另兩側(cè)要差，由于同一條管線各測試點之間是電連接的，所以推斷5號測試樁處改善效果較差的原因可能是埋設(shè)的試片與土壤的接觸性能差導(dǎo)致的極化較差。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(d) 5號 (e) 6號 (f) 7號圖8 6號測試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測試樁的通斷電電位Fig. 8 On and off potentials at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 6 test pile

圖9 6號測試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 9 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 6 test pile

由以上試驗結(jié)果可見，分別在1和6號測試樁處饋電，均出現(xiàn)靠近饋電點一側(cè)的管道電位達(dá)到饋電效果，而遠(yuǎn)離饋電點一側(cè)的改善效果較差，說明僅通過單側(cè)排流地床難以將整個管道的雜散電流減排到理想的效果，需要考慮在兩側(cè)同時饋入電流進(jìn)行防護(hù)。

2.2.3 1號和6號測試樁處同時進(jìn)行強(qiáng)制排流

為了解決單側(cè)饋電不能滿足讓遠(yuǎn)離饋電點一側(cè)電位達(dá)到改善效果的問題，在1號和6號測試樁處同時進(jìn)行強(qiáng)制排流試驗，如下圖10所示，同時在1號和6號測試樁處饋入2 A電流，兩側(cè)管道的斷電電位均下降明顯，有效解決了單側(cè)饋電效果不佳的問題，但若要滿足澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)要求，兩側(cè)饋入電流要大于2 A。

3 排流方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場防護(hù)試驗結(jié)果，針對該管段設(shè)計了如下地鐵雜散電流的防護(hù)方案：

(1) 由于犧牲陽極排流方式保護(hù)距離和排流量有限，考慮到經(jīng)濟(jì)效益與現(xiàn)場施工條件，選擇強(qiáng)制排流方案；

(2) 由于現(xiàn)場無交流市電，管道沿線南、北兩側(cè)的閥室內(nèi)有太陽能發(fā)電系統(tǒng)，故強(qiáng)制排流電源采用太陽能發(fā)電的直流電源，管段南、北兩側(cè)各需要1套電源系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場排流試驗結(jié)果，選擇額定功率為24 V/10 A(直流供電)恒電位控制的強(qiáng)制排流電源，也可以根據(jù)實際陽極地床安裝之后的接地電阻情況最終確定。

(a) 1號測試樁 (b) 6號測試樁圖10 1號和6號測試樁處同時強(qiáng)制排流后管道沿線測試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 10 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 and No. 6 test piles

(3) 分別在1號和6號測試樁附近安裝兩處淺埋排流地床，地床埋深大于1.5 m，排流地床距離管道盡量大于50 m，每處地床包含30支含鉻高硅鑄鐵陽極(φ75 mm×1 500 mm)，陽極中心間距3 m。

4 結(jié)論

(1) 對某段燃?xì)夤艿赖罔F雜散電流干擾問題開展了沿線測試樁的24 h通斷電電位測試，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對干擾程度進(jìn)行了評估，結(jié)果表明：此段管道受到動態(tài)直流干擾，需要進(jìn)行動態(tài)直流干擾防護(hù)。

(2) 在現(xiàn)場開展了防護(hù)試驗，試驗結(jié)果顯示：犧牲陽極排流效果差，緩解距離短，不適合較長距離的管道保護(hù)；單側(cè)強(qiáng)制排流試驗均出現(xiàn)靠近饋電點一側(cè)的管道電位達(dá)到饋電效果，但遠(yuǎn)離饋電點一側(cè)的管道改善效果較差的現(xiàn)象；在兩側(cè)同時進(jìn)行強(qiáng)制排流，能有效解決單側(cè)饋電效果不佳的問題；對此段管道保護(hù)需要兩側(cè)同時饋入3～4 A電流。

(3) 基于現(xiàn)場防護(hù)試驗，確定了受地鐵雜散電流干擾燃?xì)夤芏蔚母蓴_防護(hù)方案，明確了強(qiáng)制排流的防護(hù)類型，確定了兩側(cè)同時饋電的排流方式，以及排流器的選型和排流地床的埋設(shè)方式。