韓非

（深圳市燃氣集團股份有限公司，深圳518049）

饋電試驗在地鐵雜散電流干擾排流中的應(yīng)用

韓非

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埋地鋼質(zhì)管道受地鐵動態(tài)直流雜散電流干擾的緩解是管道界的一個難題。本工作嘗試使用強制電流陰極保護的方式，用強化的陰極保護電流緩解地鐵動態(tài)干擾對管道的腐蝕影響。饋電試驗有助于選取合適的強制電流陽極地床位置以及強制電流陰極保護系統(tǒng)的輸出，取得最優(yōu)的排流效果。

動態(tài)直流雜散電流；饋電試驗；緩解；陰極保護

城市地鐵系統(tǒng)一般都采用直流牽引供電方式。電力機車通過受電弓或者集電靴受電后，直流電流以機車走行鋼軌作為回流導體。地鐵的軌道設(shè)計中包含絕緣環(huán)節(jié)，以避免牽引電流泄漏入大地。但是現(xiàn)實情況中由于設(shè)計或施工、維護的問題，軌道不可能實現(xiàn)對地完全絕緣，部分回流電流會泄漏入大地形成雜散電流。這些雜散電流對周邊的埋地鋼質(zhì)管道造成干擾。在管道吸收直流雜散電流的部位，可能會出現(xiàn)防腐蝕層的剝離和管材氫脆問題；在管道排放雜散電流的區(qū)域，存在加劇管壁腐蝕的風險。

地鐵直流雜散電流對埋地鋼質(zhì)管道造成的干擾問題，是目前困擾管道業(yè)界的一個重大課題。犧牲陽極和強制電流是埋地鋼質(zhì)管道常用的兩種陰極保護方式，在城市天然氣管道的腐蝕與防護中，這兩種陰極保護系統(tǒng)都有使用。犧牲陽極陰極保護的管道在受到動態(tài)直流雜散電流干擾時，干擾電流可以通過犧牲陽極泄放入大地，減緩管道的腐蝕風險；但是這種保護模式存在的問題是在管道吸收雜散電流的部位，由于犧牲陽極的存在，相當于管道防腐蝕層存在諸多漏點，所以管道吸收的直流雜散電流量也會相應(yīng)增加。近年來部分業(yè)主單位在利用犧牲陽極進行直流干擾排流時，為了減少犧牲陽極吸收直流雜散電流的數(shù)量，使用單向?qū)ǖ难b置連接犧牲陽極與管道［1］。該裝置只允許管道通過犧牲陽極排泄電流，直流電流不能通過犧牲陽極逆流進入管道。該方法的有效性有待進一步的研究。此外因為犧牲陽極本身排流能力有限且單向?qū)ㄑb置在雷暴頻繁地區(qū)易于損壞，所以其應(yīng)用性受到限制。

強制電流陰極保護系統(tǒng)在直流雜散電流緩解方面，也有廣泛的應(yīng)用。在北美常見的應(yīng)用模式是采用恒電位控制的直流電源（整流器）為管道提供陰極保護［2］。根據(jù)相關(guān)標準［3］，當管地界面的極化電位達到-850 mV（CSE，下同）或者更負時，陰極保護即為有效。對于遭受動態(tài)直流雜散電流干擾的埋地管道，只要確保其極化電位達到-850 mV，即可排除腐蝕風險。

在使用極化電位或斷電電位對動態(tài)直流雜散電流干擾情況下的陰極保護有效性進行評價時，經(jīng)常遇到的一個問題是管道斷電電位短時間的正向波動。這個問題導致陰極保護有效性結(jié)論很難確定。就此問題，目前國際上可以參考的一個標準是澳大利亞標準AS2832.1［4］。在該標準中，利用斷電電位偏正的時間比例來判斷陰極保護是否有效。

1 管道受干擾情況的調(diào)查

某次高壓燃氣管道長度為10km，防腐蝕層為三層PE，沿管道每隔500m埋設(shè)一組鋅陽極進行陰極保護。在日常電位檢測中發(fā)現(xiàn)該管道受到強烈的直流雜散電流干擾，通電電位波動劇烈。圖1為使用電位數(shù)據(jù)記錄儀在2號測試樁處進行管道通電電位長時間監(jiān)測的數(shù)據(jù)。從該通電電位數(shù)據(jù)可以看到在地鐵運行期間管道通電電位波動比較劇烈，而在地鐵停運期間電位恢復(fù)正常。

圖1 2號測試樁處管道通電電位長時間監(jiān)測圖Fig.1 Long-time monitoring of on-potential at test station 2#

為進一步排查管道受干擾情況，使用Fluke289萬用表對全線測試樁進行10分鐘普測，記錄測試樁處通電電位的最大值、最小值和平均值，并繪圖見圖2。

圖2 次高壓管道1～10號測試樁處通電電位10 min普測圖Fig.2 On-potential at test stations No.1 to 10（10 minutes）

以上檢測數(shù)據(jù)表明管道受到強烈的地鐵直流雜散電流干擾，在某次10 min的檢測周期內(nèi)管道的通電電位波動范圍為-3.0～+0.5 V。該動態(tài)直流干擾嚴重影響了陰極保護系統(tǒng)的保護效果，在電位偏正位置，存在管道腐蝕的風險。

鑒于在存在雜散電流干擾的情況下無法通過通斷陰極保護電源的方式檢測管道斷電電位，為了進一步評價管道的腐蝕風險，在現(xiàn)場檢測工作中，采用了極化試片測試管道的斷電電位，結(jié)合相關(guān)標準進行陰極保護有效性的評價。測試中使用的極化試片為圓盤狀，面積6.5 cm2，材質(zhì)與管道一致。將試片埋設(shè)在管道同等深位置，距離管壁20～30 cm。試片通過測試樁與管道連接，將銅/飽和硫酸銅參比電極（CSE）放置在試片附近以減少電位讀數(shù)中的IR降，見圖3。

圖3 極化試片測試接線圖Fig.3 Wiring of polarization coupon for off-potential reading

在進行試片的斷電電位現(xiàn)場測試時，使用數(shù)據(jù)記錄儀自動通斷試片與管道的電連接，并記錄試片的通電電位和斷電電位。以圖4中1號測試樁處埋設(shè)試片的通斷電電位24 h連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例來說明動態(tài)干擾對陰極保護電位的影響。

圖4 1號測試樁處試片通斷電電位24 h連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 On-potential and off-potential of polarization coupon at 1#test station

在對全線測試樁處極化試片進行長時間的通斷電電位監(jiān)測后，發(fā)現(xiàn)1號～10號樁管道的斷電電位均有部分時間無法達到-850 mV。根據(jù)澳大利亞標準AS2832.1將測試斷電電位進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 直流干擾段管道試片斷電電位偏正情況統(tǒng)計Tab.1 Anodic excursion of coupon off-potential

從統(tǒng)計結(jié)果可以得出，除了1號和2號測試樁達到標準要求，其他測試樁的斷電電位正于保護標準+100 mV和+50 mV比例均無法達到標準的要求，因此需要對此段進行直流雜散電流排流。

2 饋電試驗及排流方案設(shè)計

在該動態(tài)直流干擾的排流方案設(shè)計中，嘗試使用強制電流陰極保護的方式給管道提供充足的保護電流，以抑制防腐蝕層破損點處雜散電流流出帶來的腐蝕問題。在方案設(shè)計中安裝臨時陽極地床，使用直流電源進行饋電試驗，選取最合理的排流地點、優(yōu)化排流電流需求設(shè)計。在饋電試驗中，仍使用前述的極化試片對陰極保護斷電電位進行監(jiān)測。在饋電試驗運行48 h后，對在測試樁附近埋設(shè)試片的電位進行檢測、記錄，研究單個饋電點的有效排流緩解范圍。本次饋電試驗點分別選擇3號～10號測試樁，試驗中的臨時陽極地床距離管道垂直距離盡量不小于50m。

以3號測試樁的饋電試驗說明該設(shè)計方法。圖5中展示的是不同饋電電流對3號、5號、7號測試樁處試片斷電電位的影響。從饋電試驗結(jié)果可以看出，在3號測試樁饋入2 A電流時，3號測試樁位置斷電電位接近達到標準要求；饋入4 A時，5號測試樁和7號測試樁能達到標準要求。

表2中統(tǒng)計的是利用AS2832.1標準規(guī)定以及測試樁處24 h連續(xù)監(jiān)測試片斷電電位所做出的有效性判斷統(tǒng)計。在3號測試樁饋電4 A 時，遠至7號測試樁的斷電電位是符合標準要求的。

圖5 3號測試樁饋電試驗結(jié)果Fig.5 Current requirement test results at 3#test station

表2 3號測試樁饋電試驗結(jié)果數(shù)據(jù)有效性統(tǒng)計Tab.2 Evaluation of current requirement test results for 3#test station

因各測試樁處饋電試驗數(shù)據(jù)性質(zhì)重復(fù)，在此不再一一描述。在進行8處測試樁位置的饋電試驗后，總結(jié)如下：在3號和9號測試樁的位置饋電入電流時，保護范圍效果最好，且保護范圍最大。單獨使用3號測試樁的臨時地床輸出4 A電流時，能保護到7號測試樁，保護距離為7km；單獨使用9號測試樁的臨時地床輸出4 A 電流時，兩端能保護到6號和10號測試樁，保護距離為4km。表明在這兩個位置安裝陰極保護系統(tǒng)輸出相應(yīng)的電流，可以使整條管線的陰極保護到達標準的要求，并且因為電流疊加的作用，兩處陰極保護系統(tǒng)各自的實際輸出電流不需要達到4 A。

根據(jù)饋電試驗所設(shè)計的管道干擾排流方案即為：在繼續(xù)使用原有犧牲陽極陰極保護的情況下，在3號和9號測試樁位置追加陰極保護站，每個站的使用強制電流陰極保護的方式緩解動態(tài)直流雜散電流的干擾，可以較好地解決管道斷電電位正向偏移問題，但是也會在部分時間加劇斷電電位偏負的問題。管道斷電電位過負，可能導致防腐蝕涂層的剝離或其他對管材有害的影響。在GB 21448［3］中提出極限保護電位不能比-1 200 mV更負。但是從目前業(yè)界現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展情況來看，很難找到一種同時解決電位偏正和偏負問題的方案。在AS2832.1［4］中提到在使用強制電流陰極保護對直流干擾排流時，短時間的電位偏負相對來說不重要。然而在該標準中未對“短時間”進行明確的定義，尚有待進一步研究明確。

輸出電流至少為4 A。目前因征地以及電源問題尚未解決，還未進入工程施工階段。

3 討論

（1）使用強制電流陰極保護的方式對受到雜散電流干擾的管道進行排流緩解，是一種可行的方式，當管道電位滿足標準要求時，管道的腐蝕風險可以得到有效控制。

（2）使用饋電試驗方法，可以對干擾緩解設(shè)計進行輔助優(yōu)化。可以優(yōu)選陰極保護系統(tǒng)的安裝位置以及電流輸出參數(shù)。

（3）強制電流陰極保護方式對管道斷電電位偏負的影響，以及電位偏負所帶來的防腐蝕層剝離和氫脆等問題，應(yīng)進一步研究明確。

（4）設(shè)計方案的保護效果，有待陰極保護系統(tǒng)安裝投產(chǎn)后進一步測試研究。在陰極保護系統(tǒng)投產(chǎn)后，將進一步對各測試樁的試片斷電電位進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)電流輸出，以求既能達到有效保護，又盡量避免過負電位的出現(xiàn)。

［1］陳飛，周吉祥，牟南翔.埋地管道直流雜散電流排除實踐［J］.腐蝕與防護，2013，34（2）：171-173.

［2］NACE International CP Interference training material［M］.Atlanta：January NACE International，2008.

［3］GB 21448-2008 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］AS2832.1-2004 Cathodic protection of metals part1：pipes and cables［S］.

Application of Current Requirement Test to Mitigation of DC Transit Stray Current Interference

HAN Fei
（Shenzhen Gas Corporation Ltd.，Shenzhen 518049，China）

Mitigation of DC transit stray current interference is one of the challenges faced by pipeline industry.In this study impressed current cathoclic protection（ICCP）was tried to mitigate the DC interference from DC transit system，using enhanced CP current as a counteract measure to prevent corrosion.Current requirement test is an optimal method to choose the anode site and output parameters for ICCP system to get an optimized mitigation result.

DC stray current；current requirement test；mitigation；impressed current cathoclic protection（ICCP）

TG174.4

B

1005-748X（2015）11-1101-03

10.11973/fsyfh-201511019

2015-08-13

韓 非（1981-），工程師，從事燃氣管道運行管理工作，13632902155，jianainana@sina.com