劉 通

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，電氣化鐵路以其更高的運(yùn)輸速度、更大的運(yùn)載能力、更低的運(yùn)輸成本和更好的安全性得到廣泛關(guān)注，新時(shí)期“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的宏偉藍(lán)圖已經(jīng)初現(xiàn)規(guī)模。受制于城市化建設(shè)等因素的影響，電氣化鐵路與油氣管線綜合管廊密集交織的現(xiàn)象難以避免。

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)一般采用交流單相制，其波動(dòng)性大、電壓不平衡等特點(diǎn)會(huì)對(duì)沿線近距離平行或交越的埋地油氣管線造成交流電磁干擾。雖然近些年電氣化鐵路牽引供電方式多采用帶回流線直接供電和AT供電方式，最大限度地從源頭減弱了電磁干擾程度，然而大量研究成果表明，在被干擾端施加防護(hù)措施仍然十分必要。

文獻(xiàn)[1]研究了電磁作用對(duì)人身安全及管道安全、陰極保護(hù)設(shè)備等的影響，并給出了安全電壓的限值；文獻(xiàn)[2]研究了交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)主要通過容性耦合、阻性耦合和感性耦合的方式對(duì)油氣管線產(chǎn)生電磁干擾，二者距離越近，感應(yīng)電壓越大，其安全隱患就越大；文獻(xiàn)[3]提出了管道交流干擾影響的評(píng)估指標(biāo)，并分析比較了兩種防護(hù)方式的特 點(diǎn)，提出了切實(shí)可行的排流設(shè)計(jì)方案。通過查閱資料，如何更加有效地針對(duì)電氣化鐵路電磁干擾進(jìn)行防護(hù)仍然是個(gè)值得關(guān)注的問題。本文結(jié)合近期開通項(xiàng)目京沈客專鐵路工程，對(duì)電氣化鐵路跨越油氣管線區(qū)段電磁干擾防護(hù)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的效果，為同類型工程項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目情況簡(jiǎn)介

新建京沈鐵路客運(yùn)專線位于華北和東北兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)之間，是溝通東北、華北、華東、中南等地區(qū)的重要通道，亦是連接華北、華東、中南與東北經(jīng)濟(jì)區(qū)的紐帶，其地理位置十分重要。本項(xiàng)目電氣化鐵路沿線主要涉及沈陽燃?xì)庥邢薰?、沈陽石蠟化工有限公司，中石油沈陽輸油氣分公司、中石油錦州輸油氣分公司、遼河油田油氣集輸公司、阜新大唐等產(chǎn)權(quán)單位所屬的輸油氣管道與電氣化鐵路交越或平行，會(huì)不同程度上受到交流電磁干擾影響。為減少乃至于消除這些影響，確保新建京沈鐵路客運(yùn)專線及上述被干擾的設(shè)施安全正常運(yùn)行，對(duì)上述設(shè)施需要分別采取相應(yīng)的電氣化防護(hù)措施。

1.2 防護(hù)設(shè)計(jì)原則

對(duì)于與交流電氣化鐵路交越平行的油氣管道，根據(jù)管道的性質(zhì)和可能產(chǎn)生的干擾程度，采取以人身和設(shè)備的安全作為防護(hù)重點(diǎn)并兼顧管道防腐的原則。為了減少和消除電磁干擾并兼顧管道防腐，對(duì)管道采用排流方式，并結(jié)合管道性質(zhì)及既有防護(hù)工藝，選取相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)方案。對(duì)于沒有采取外加強(qiáng)制電流保護(hù)的裸露油氣管線及既有犧牲陽極防護(hù)的管線，建議采取犧牲陽極防護(hù)措施；對(duì)于運(yùn)行時(shí)間要求較長(zhǎng)、使用要求較高、既有強(qiáng)制電流保護(hù)的管線，建議采取固態(tài)去耦合防護(hù)方案。對(duì)可能造成影響的防護(hù)設(shè)施，可采取先監(jiān)測(cè)后防護(hù)的方法，待電氣化鐵路開通后根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定補(bǔ)充防護(hù)方案。

2 防護(hù)方案

2.1 防護(hù)方案說明

防護(hù)方案通過防護(hù)理論模擬計(jì)算和方案設(shè)計(jì)研究確定，并根據(jù)不同的防護(hù)對(duì)象與防護(hù)經(jīng)驗(yàn)確定被防護(hù)設(shè)施防護(hù)類別與性質(zhì)，確定防護(hù)方案設(shè)計(jì)，并得到產(chǎn)權(quán)單位的同意和認(rèn)可方可進(jìn)行實(shí)施。以沈陽樞紐區(qū)域?yàn)槔?，該區(qū)域地下管網(wǎng)多為天然氣鋼制管道，管徑150～400 mm，部分管線外側(cè)設(shè)有高性能3PE防腐層，設(shè)置有強(qiáng)制電流保護(hù)。經(jīng)過與產(chǎn)權(quán)單位協(xié)商和專家方案評(píng)審，最終確定采用固態(tài)去耦合器排流方式。

固態(tài)去耦合器通過電纜與管道采用鋁熱焊連接，另一端與接地地床連接，接地地床需埋設(shè)于凍土層以下，接地電阻要求低于管道對(duì)地電阻且不大于4 Ω，從而達(dá)到排流的效果。測(cè)試探頭通過電纜接入固態(tài)去耦合裝置，利用測(cè)試探頭可以測(cè)量管地電位、交流干擾電壓等數(shù)據(jù)。排流設(shè)施縱斷面布置情況如圖1所示。

圖1 排流設(shè)施縱斷面布置示意圖（單位：mm）

2.2 排流設(shè)備工作原理

國外學(xué)者多年前曾利用固態(tài)半導(dǎo)體材料研制出固態(tài)去耦合器，2007年前后該方案被引入我國，并在新建長(zhǎng)輸管道中得到了廣泛應(yīng)用[4]。固態(tài)去耦合器采用整流裝置對(duì)交直流干擾進(jìn)行電流泄放和電壓限制，正常工作狀態(tài)下既能夠阻斷直流，防止既有管道陰極保護(hù)電流的流失，又能釋放交流電流，降低入地交流雜散電流對(duì)管道的影響。此外，該設(shè)備充分利用了壓敏電阻型浪涌保護(hù)器快速響應(yīng)的特性，并結(jié)合火花間隙型浪涌保護(hù)器的耐受電流大、殘壓低等特性，能有效避免直擊雷電流和感應(yīng)雷電流等強(qiáng)能量的干擾[5]。本工程選用的固態(tài)去耦合器性能參數(shù)如表1所示。

表1 固態(tài)去耦合器的性能參數(shù)

當(dāng)有長(zhǎng)時(shí)小電流干擾時(shí)，固態(tài)去耦合器工作在“直流隔離模式”，主要通過箝位式模塊將管道電位限制在-2.0～+2.0 V范圍，該閾值電壓也可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位要求適當(dāng)調(diào)整，以確保管道在既有陰極保護(hù)效果不受影響的同時(shí)免受交流電氣化鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行電流產(chǎn)生入地雜散電流的影響。

當(dāng)與管道鄰近的電氣化鐵路存在短路故障或架空避雷線遭受雷擊時(shí)，入地短路電流瞬間激增，管道周圍土壤電位梯度變化較大。感性及阻性耦合等因素交織，會(huì)在管道中感應(yīng)出短時(shí)大電流，此時(shí)，固態(tài)去耦合器自動(dòng)切換為“短路模式”，浪涌保護(hù)器動(dòng)作，經(jīng)過短暫延時(shí)后火花間隙動(dòng)作，從而有效降低直擊雷、感應(yīng)雷等強(qiáng)電流沖擊對(duì)管道的影響。

通過箝位模塊和防浪涌模塊的切換配合，可排除各種工況下電磁干擾對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響，延長(zhǎng)管道的使用壽命，確保運(yùn)行安全。

2.3 施工主要技術(shù)要求

2.3.1 管道定位開挖

通過管道里程標(biāo)初步判斷管道位置，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)管道位置進(jìn)行精確測(cè)量，技術(shù)人員對(duì)管道位置進(jìn)行標(biāo)定，并指導(dǎo)施工人員開挖。開挖采用機(jī)械與人工相結(jié)合的方式，初始開挖時(shí)可采用機(jī)械開挖，當(dāng)接近管道時(shí)，采用人工開挖方式，避免機(jī)械開挖損傷管道。

2.3.2 管道焊接與補(bǔ)口

在管道焊接施工前，施工單位需與相關(guān)單位辦理管道動(dòng)火作業(yè)手續(xù)，并要求產(chǎn)權(quán)單位派遣安全監(jiān)督人員對(duì)動(dòng)火全過程進(jìn)行監(jiān)督管理，同時(shí)做好相應(yīng)安全措施與配備消防設(shè)備，保證油氣管道的安全。

在取得產(chǎn)權(quán)單位安全監(jiān)督人員的同意后，施工人員方可實(shí)施焊接。焊接前，在管道焊接防腐層上開50 mm×50 mm的方孔，需露出金屬管壁，采用鋁熱焊模具進(jìn)行電纜焊接。焊接工藝如圖2所示。

圖2 管道與電纜焊接工藝示意圖

管道焊接施工完成后，需對(duì)連接處焊點(diǎn)采用補(bǔ)傷片和固定片防腐密封，要求固定片與電纜結(jié)合緊密。先將破口處清理干凈，去除焊渣等異物，然后將補(bǔ)傷片平鋪在破口處，用火焰加熱器均勻加熱，保證補(bǔ)傷片均勻融化并覆蓋住整個(gè)破口區(qū)域；取固定片，固定片大小與防腐層搭接寬度不小于100 mm，用火焰加熱器均勻加熱膠黏劑，膠黏劑均勻溶化后，開始封閉破口區(qū)域，從一側(cè)均勻擠壓，排出空氣，直至固定片整體覆蓋破口處。

2.3.3 地床制作安裝

固態(tài)去耦合接地裝置制作：垂直接地極采用Φ20鍍鋅鋼管制作而成，每根長(zhǎng)度為2.5 m，水平接地極采用50×5的鍍鋅扁鋼，兩者之間采用U型焊接加固夾進(jìn)行焊接加固。地床土方挖填：開挖長(zhǎng)25 m的地床溝，根據(jù)凍土情況確定埋設(shè)，并在每支接地鋼管位置開挖地極坑。

將預(yù)制好的接地極鋼管垂直安裝，接地極相互間距為5 m，其頂端距地面大于700 mm。用扁鋼帶將各鋼管連接，連接處采用電焊焊接，各接縫均應(yīng)焊牢，焊縫應(yīng)飽滿均勻。用銅焊將連接電纜焊至扁鋼端頭位置。上述焊點(diǎn)及周圍100 mm范圍內(nèi)用環(huán)氧煤瀝青進(jìn)行加強(qiáng)防腐絕緣處理。

2.3.4 測(cè)試探頭安裝

一般將探頭埋設(shè)在被保護(hù)管道附近的土壤中，埋設(shè)深度可與管道相同。實(shí)施前，先將測(cè)試探頭浸泡在適量的蒸餾水或清潔淡水中不少于2 h；將埋有測(cè)試探頭的回填料袋埋入預(yù)先挖好的埋設(shè)坑中，并將周圍土壤壓實(shí)，隨后在埋設(shè)地點(diǎn)澆灌適量的淡水以改善電極連接狀態(tài)；然后將電極導(dǎo)線接入排流裝置測(cè)量回路即可使用。

3 效果測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

在京沈客專正式開通運(yùn)營(yíng)且管道防護(hù)工程設(shè)施安裝投用后，針對(duì)本工程范圍進(jìn)行管道防護(hù)效果測(cè)試，以檢驗(yàn)電氣化防護(hù)工程設(shè)施的防護(hù)效果。測(cè)試項(xiàng)目主要包括管道交直流24 h監(jiān)測(cè)、排流設(shè)施檢查、土壤電阻率測(cè)試、接地極接地電阻及接地極開路電位測(cè)試、鐵路與防護(hù)對(duì)象位置關(guān)系調(diào)查等。主要項(xiàng)目測(cè)試方法如下：

在管道與鐵路交越或平行段上選擇排流設(shè)施安裝位置，利用雜散電流測(cè)試儀連續(xù)監(jiān)測(cè)管道對(duì)地的交、直流電位，檢驗(yàn)箝位式排流器電氣化防護(hù)設(shè)施的防護(hù)效果。直流電位測(cè)試采用飽和硫酸銅參比電極，交流電位測(cè)試采用鋼釬參比電極，雙通道同時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)試周期為24 h，采樣速率為1次/s。

利用接地電阻測(cè)試儀采用等距四極法測(cè)量并計(jì)算2 m深的土壤電阻率，測(cè)試時(shí)4個(gè)鋼釬電極應(yīng)平行于管道布置。

3.2 管道交流干擾防護(hù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定：針對(duì)已實(shí)施交流干擾防護(hù)工程的管段，在土壤電阻率不大于25 Ω·m的地方，管道交流干擾電壓低于4 V；在土壤電阻率大于25 Ω·m的地方，交流電流密度小于60 A/m2；在安裝陰極保護(hù)電源設(shè)備、電位遠(yuǎn)傳設(shè)備及測(cè)試樁位置處，管道上的持續(xù)干擾電壓和瞬間干擾電壓應(yīng)低于相應(yīng)設(shè)備所能承受的抗工頻干擾電壓和抗電強(qiáng)度指標(biāo)，并滿足安全接觸電壓的要求。

3.3 防護(hù)效果測(cè)試結(jié)論

以沈陽燃?xì)夤維YRQ-SSD10排流設(shè)備為例，該處防護(hù)對(duì)象與京沈客專線路呈交越狀態(tài)，二者位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 鐵路與防護(hù)對(duì)象位置關(guān)系

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)排流設(shè)施外觀良好，接線、標(biāo)牌及測(cè)試端子均完好；通過對(duì)管道及接地極參數(shù)測(cè)試，管地電位及接地電阻均滿足規(guī)范要求，管道排流后，交流干擾電壓降低率達(dá)到30.6%，效果較為明顯。測(cè)試數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 排流設(shè)施測(cè)試記錄

通過對(duì)排流設(shè)施處管地電位進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)（圖4），測(cè)得管地電位最高-0.9673 V，管地電位最低-1.4223 V，平均管地電位為-1.1983 V，排流設(shè)施投運(yùn)未對(duì)既有陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，根據(jù)GB/T 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，管地電位滿足陰極保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 管地電位（V）24 h監(jiān)測(cè)曲線

通過24 h交流電壓監(jiān)測(cè)記錄（圖5），測(cè)得交流電壓最高0.5506 V、交流電壓最低0.0356 V，平均交流電壓為0.2531 V。

圖5 管道交流電壓（V）24 h監(jiān)測(cè)曲線

分析該測(cè)試點(diǎn)交流干擾電壓-時(shí)間曲線，結(jié)果顯示：當(dāng)鐵路列車通過時(shí)，該測(cè)試點(diǎn)管道交流干擾電位有所變化，但均小于1 V，其余測(cè)試點(diǎn)排流設(shè)施投入后的交流干擾電壓也均在4 V以下，防護(hù)狀態(tài)下的燃?xì)夤艿朗茈姎饣F路交流干擾影響較弱；實(shí)測(cè)該處的土壤電阻率為72.8 Ω·m，防護(hù)設(shè)備投入狀態(tài)下的交流電流密度為8.0 A/m2，測(cè)試結(jié)果滿足GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求。

4 結(jié)語

針對(duì)電氣化鐵路與埋地鋼制油氣管線交叉或近距離并行產(chǎn)生的電磁干擾問題，本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，詳細(xì)描述了一種采用固態(tài)去耦合器排流方式的實(shí)施方案。在電氣化鐵路開通運(yùn)營(yíng)后，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢驗(yàn)，并對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行分析，證明了該防護(hù)方案的有效性，可為今后相關(guān)工程建設(shè)的電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。