同濟大學機械與能源工程學院 秦朝葵 周 策 陳志光

埋地燃氣管道雜散電流測試及分析

同濟大學機械與能源工程學院 秦朝葵 周 策 陳志光

直流雜散電流會對燃氣管道產生嚴重腐蝕，所以軌道交通雜散電流對燃氣管道產生的腐蝕影響不容忽視。以某軌交站附近的埋地燃氣管道為研究對象，分別測量了管道的管地通斷電電位以及管道附近的地電位梯度來判斷管道的實際保護情況以及受干擾的情況，同時測量軌地電壓并根據其與管地電位和地電位梯度的時間同步性判斷干擾源為軌交系統(tǒng)。最后給出了行之有效的埋地燃氣管道雜散電流腐蝕防護措施及對策，為今后的埋地燃氣管道雜散電流防護提供了一定的幫助。

雜散電流 軌道交通 腐蝕防護 干擾判斷 燃氣管道

0 引言

軌道交通(下簡稱軌交)與燃氣管道是兩個重要的城市基礎設施，近年來均在快速擴張中。在進行軌道建設和管道鋪設時，難免有兩者相互伴行以及交叉的現(xiàn)象出現(xiàn)。

城市軌交中所廣泛采用的直流牽引供電系統(tǒng)會因機車牽引電流過大等原因產生雜散電流。對于具有完好防腐層的管道，軌交雜散電流對其干擾應該微乎其微甚至沒有，但管道防腐層因鋪設過程中的不當施工、陰保系統(tǒng)的過保護以及第三方的開挖破壞等不可抗拒因素，總會出現(xiàn)或多或少的漏點，因此軌交系統(tǒng)的運行不可避免地對附近的埋地燃氣管道形成不斷波動的直流干擾。此時僅采用外加電流或犧牲陽極等傳統(tǒng)陰極防護措施無法對燃氣管道進行充分的保護。

當埋地管道有防腐層破損時，該處的接地阻抗急劇減小，雜散電流主要由此流出，導致管道腐蝕加劇。因此，雜散電流腐蝕往往集中于管道防腐層有缺陷的部位，容易引起嚴重的坑蝕，最后導致很快穿孔。

在雜散電流的作用下，會引起結構鋼筋、附近建筑物鋼筋基礎和附近埋地管道產生電解形式的腐蝕，如果防護不及時或者方法不恰當，這些金屬結構將會被迅速的腐蝕并呈現(xiàn)深度的穿孔狀，嚴重時還可能發(fā)生天然氣、石油氣管道漏泄，造成災難性的損失。

本文以某軌交站附近的埋地高壓燃氣管道為研究對象，對其進行雜散電流測試，然后根據測得數(shù)據綜合分析來判斷管道的保護情況并明確干擾源，從而提出相應防護措施與對策。

1 現(xiàn)場測試

1.1 測試內容

本文研究對象為埋地管道雜散電流，雜散電流由受干擾的管道流出，經附近的土壤流向軌交線路。因此應當同時針對管道、土壤和軌交進行實驗測試，根據《埋地鋼質管道陰極保護參數(shù)測量方法》(GB/T 21246—2007)中的有關規(guī)定，本次實驗的測試內容也就是：管地電位測試、地電位梯度測試和軌地電壓測試。

1.1.1 管地電位

管地電位也就是埋地管道相對地的電位。由于土壤的電位無法直接測得，因此使用埋地參比電極的電位近似代替測試。在對于埋地管道的雜散電流腐蝕檢測領域，通常所用到的參比電極為飽和Cu/CuSO4(CSE，下同)，連接示意見圖1。

取無干擾時段(軌道交通停運時段)管地電位測試平均值作為管道自然電位，其余時段測試結果與管道自然電位進行對比，求得干擾狀態(tài)下管地電位平均正向偏移進行判定。

圖1 管地電位測試示意

只有將參比電極置于管道防腐層缺陷處，測得的管地電位才真實反映管道的保護狀態(tài)。在實際工程實踐中，由于管道測試樁和外加電流系統(tǒng)統(tǒng)一設置，犧牲陽極或外加電流與管道之間的斷電過程很難操作，并且斷電會對管道的保護效果造成一定影響。為最大程度降低土壤中 IR降的影響，故使用試片斷電法進行代替，測得的就是管道的斷電電位，其更接近于管道的真實保護電位。將與管道具有相同材質和性質的鋼質材料做成極化試片(試片見圖2)，用導線將其與管道或閥門井連接，埋入土壤中充分極化使其達到與管道相同的極化電位。極化完全后只需將試片與管道之間的連接斷開即可斷電，而管道本身還是處于陰極保護系統(tǒng)中，不受該過程影響。本次測試采用12s通3s斷的時間規(guī)律來斷開和閉合試片與管道之間的連接，分別測得斷電電位和通電電位。通斷電電位的區(qū)別將在下文進行討論。

圖2 極化試片

1.1.2 地電位梯度

地電位梯度指土壤中因電流流動所形成的電勢差，可通過雙參比電極法測試。沿管線方向和管線垂直方向布置兩組參比電極，通過兩組參比電極電位差矢量和求得地電位梯度，方法示于圖3。

圖3 土壤電位梯度測試示意

圖中，a、b、c、d是四個CSE參比電極，其中ac與bd的距離相等，且垂直對稱布設，ac垂直于管道 bd平行于管道。通過對兩組參比電極的電位差進行矢量相加來求得地電位梯度。

1.1.3 軌地電壓

軌地電壓為軌道對地的電位。它是影響金屬結構對地電位和雜散電流產生的主要因素。軌地電壓測試對分析雜散電流源頭及雜散電流的變化有直接幫助，此外通過對軌地電壓與管地電位變化對應性進行分析，可進行干擾源的確定。測試過程中通過地鐵系統(tǒng)鋼軌電位限位器，對地鐵鋼軌對接地扁鋼電位進行測試，方法示于圖 4。為了便于分析研究干擾源側的情況，本文還輔助測試了接地扁鋼對地電位。

圖4 軌地電壓測試示意

1.2 測試布置與設備

測試現(xiàn)場為距某條軌交車站100 m的2.5 MPa天然氣管道測試樁處，該管道采用加強級3PE防腐層并結合外加電流保護法。按照AS 2832.1—2004中的要求，測試時間需涵蓋軌交運營高峰時間段及運營結束。測試時間為2016年2月27日下午至夜間列車運行結束后半小時，有效數(shù)據時段18:00～00:19。

測點處共布置參比電極7支，其中3支用于管地電位測試(P1、P2、P3)。使用試片斷電法測量管道的通斷電電位。在管道東北側布置4支參比電極A、B、C、D，測量地電位梯度。參比電極埋深均為20cm。實驗測試數(shù)據采集頻率2Hz。監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、測試模塊、PC機、連接導線組成，測試模塊基本參數(shù)：16位有效分辨率；輸入范圍±10 V；精度±0.1% ；分辨率1 mV。采用自行設計的基于虛擬儀器的自動監(jiān)測系統(tǒng)，可進行雜散電流實時顯示及自動存儲。

按照《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》(SY/T 0017—2006)要求，通過布設導線，利用軌交站內部的軌道電位限位器(NK11)和接地扁鋼測量了軌地電壓。其目的在于通過軌地電壓和管地電位的時間關聯(lián)性，明確軌交系統(tǒng)對燃氣管道的影響。實驗測試數(shù)據采集頻率2 Hz，連接安捷倫多用儀表進行測量。

測試現(xiàn)場的布置情況見圖5。

圖5 測試現(xiàn)場布置

2 測試數(shù)據及分析

2.1 管地電位數(shù)據

同時間段內的 P1處管地通斷電電位對比見圖6。通電電位的波動幅度相較于斷電電位更大，下圖中通電電位在-1.8～-0.2 V之間劇烈波動，而斷電電位則僅在-1.4～-0.4 V之間輕微波動，基本穩(wěn)定在-0.8V左右。測試數(shù)據表明，在討論管道的真實保護情況以及評價管道的受干擾情況時，需要采取不同的數(shù)據。在討論管道的真實保護情況時，應使用更接近管道的真實保護電位的斷電電位；而在評價管道受干擾情況時，則應使用波動更為明顯的通電電位。

圖6 同一時刻管地通斷電電位對比圖

2.1.1 斷電電位

機車運行時，斷電電位不斷波動，平均值分別為-0.824 V、-0.832 V和-0.812 V，正于《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》(GB/T 19285—2014)中要求的-0.85 V，正于-0.85 V的情況屢有發(fā)生，管道存在較大腐蝕風險，管道的陰保系統(tǒng)防護不足。

機車停運后，管地電位趨于平穩(wěn)，斷電電位穩(wěn)定在-0.865 V左右，可認為此電位即為管道的自然電位。管道的斷電電位在地鐵停運后仍負于國家標準中要求的-0.850 V，在無地鐵運行情況下本管道的陰極保護系統(tǒng)保護狀況良好。

選取23:50～00:19測得數(shù)據的平均值為背景值，分析相對機車停運后的背景電位的偏移情況。機車運行時，管地電位正偏的幾率分別為80.5%、89.6%和86.1%，出現(xiàn)正偏的概率極高，具有極大的腐蝕風險。P1處的機車運行時段和停運后的斷電電位對比見圖7。在機車停運后，通電電位趨于穩(wěn)定。

圖7 機車運行時段和停運后斷電電位對比

通電電位瞬時最大值為-0.254 V，相對于背景自然電位平均正向偏移分別為94、118和152 mV，接近或大于《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規(guī)程》(CJJ 95—2013)中規(guī)定的100 mV，因此可確定在此處存在較為嚴重的雜散電流干擾。

通過機車運行時與停運后管地電位的巨大變化以及運行時通電電位相對于自然電位的正向偏移，可判斷所測燃氣管道受到強烈的雜散電流干擾，且雜散電流的產生與機車運行有著直接關系。

2.1.2 通電電位

同樣，管道的通電電位有著和斷電電位類似的變化規(guī)律。機車運行時，通電電位波動十分劇烈，

2.2 地電位梯度

地電位梯度同樣隨地鐵運行頻繁波動，且遠大于0.5 mV/m，存在強烈的雜散電流干擾；其中垂直管道方向的電位梯度甚至在-37.4～32.2 mV/m之間劇烈波動，而平行管道方向的波動范圍較小，基本在-10～10 mV/m之間波動。

在軌道交通系統(tǒng)運行結束后電位梯度值趨于平穩(wěn)。垂直管道方向地電位梯度僅為0.461 mV/m，小于國家標準中的規(guī)定，可以認為無雜散電流干擾。而平行管道方向電位梯度為1.693 mV/m，此方向有直流干擾，但由于其方向為由C流向D，背離軌道交通系統(tǒng)且此時機車已經停運，因此可斷定此處另有干擾源。機車運行時段和停運后的地電位梯度對比見圖 8。但綜合停運后的平穩(wěn)電位梯度進行分析，則相對于其他可能存在的干擾源，軌道交通系統(tǒng)對燃氣管道有著更為明顯的影響效果。

圖8 機車運行時段和停運后地電位梯度對比

地電位梯度的方向代表著土壤中電流的流向，而土壤中電流的流向無疑與機車的運行、取流情況緊密相關。機車不同取流情況的交替變化使得電位梯度不斷波動，但無論梯度方向如何均會對管道造成干擾。因此本文通過分別計算地電位梯度的各流向平均值，進一步討論軌交系統(tǒng)對燃氣管道的干擾影響。各流向的地電位梯度平均值見表1。

表1 各流向地電位梯度平均值

從表1可知，各流向電位梯度均大于0.5 mV/m，有強烈雜散電流干擾；垂直管道方向的梯度遠大于2.5 mV/m，此情況下受雜散電流干擾的管道除自身陰保系統(tǒng)外，還需添加額外防腐措施來配合保護。

2.3 軌地電壓及其時間同步性

在站臺變電站內部，利用軌道電位限位器(NK11)內的接地母排及接地扁鋼測試樁，進行了車站內部軌道的軌地電壓測試。測試結果如圖9所示。

圖9 軌地電壓數(shù)據

軌地電壓變化與管地電位變化基本相反，大多數(shù)管地電位正偏均能找到對應時刻的軌地電壓較負值，只是管地電位的波動幅度小得多。充分說明了軌交系統(tǒng)對燃氣管道產生了強烈的干擾。

當軌地電壓為正時，電流從軌道流向土壤，土壤中電流從B流向A，也就是從軌道流向管道；相反，則電流從土壤流向軌道，管地電位較正，土壤中電流從A流向B，也就是從管道流向軌道。二者的變化趨勢基本保持一致，幾乎完全同步，軌地電壓的變化直接導致了地電位梯度的不斷波動，甚至可推斷在垂直管道方向僅有軌交系統(tǒng)對電位梯度產生較大影響。

兩者的時間同步性對比，見圖10。

圖10 軌地電壓與管地電位時間同步性對比

3 軌交雜散電流防護措施及對策

從技術角度，埋地燃氣管道的雜散電流防護措施包括主動避免和被動防護兩個方面。主動避免的方法有避開干擾源、更換鋼質管道為聚乙烯管道、設置絕緣接頭、增大接地電阻等，適用于管道安裝埋地施工前期。而被動防護的方法有排流保護、犧牲陽極保護、外加陰極保護電流等。具體的常規(guī)措施有：

(1)避開干擾源，管道布線時選擇合理的走向，雜散電流干擾源；

(2)更換鋼質管道為聚乙烯管道，使用在歐美普遍使用的PE管道可以有效避免雜散電流腐蝕；

(3)設置絕緣接頭，采用絕緣法蘭隔離有陰極保護的管段和無陰極保護的管段；

(4)增大接地電阻，根據雜散電流腐蝕的電路模型，增大管地間電阻或增大陰陽極的有效邊界電阻是減小雜散電流行之有效的方法之一；

(5)陰極保護法，陰極保護有兩種方法，即外加電流陰極保護法和犧牲陽極保護法，其原理相同。

本文研究的管道采用加強級 3PE防腐層并結合外加電流保護法，但仍出現(xiàn)了目前保護情況不佳的現(xiàn)象。對于已建成的管道主動避免的措施已不可取，而在使用陰極保護法仍出現(xiàn)腐蝕風險時，應當考慮采取排流等手段。人為使軌交系統(tǒng)雜散電流直接流回干擾源中或排放到大地中的防護方法稱為排流法，根據排流接線回路的不同分為直接排流、極性排流、強制排流和接地排流四種。排流是對管道陰極防護系統(tǒng)的重要補充，也將是今后燃氣管道雜散電流防護領域的一個重要研究方向。

4 結語

本文對某軌交站附近的雜散電流進行測試并分析現(xiàn)場測試結果。分別測量了管道的通斷電電位、管道附近的地電位梯度以及軌地電壓。三組數(shù)據均在機車運行時不斷波動，停運后趨于平穩(wěn)。管道的通電電位波動十分劇烈，受到嚴重干擾，斷電電位不滿足國家標準中的相關規(guī)定，存在腐蝕風險。機車運行期間管道附近的地電位梯度波動頻繁，梯度值甚至超過了2.5 mV/m，根據國家標準規(guī)定，管道不僅存在腐蝕風險，甚至還需額外的防護措施。管地電位、地電位梯度變化均與軌地電壓具有時間同步性，充分說明軌交系統(tǒng)對管道的干擾。

在討論管道的真實保護情況時，應使用更接近管道的真實保護電位的斷電電位；而在評價管道受干擾情況時，則應使用波動更為明顯的通電電位。

對于有防腐層且已施加陰極防護的管道，若其在受到嚴重直流雜散電流干擾，仍需要額外的防護措施時，可考慮對管道進行排流保護。排流是對管道陰極防護系統(tǒng)的重要補充，也將是今后燃氣管道雜散電流防護領域的一個重要研究方向。

Measurement and Analysis of Stray Current near Buried Gas Pipeline

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering Qin Chaokui Zhou Ce Chen Zhiguang

Stray current has profound influence on electric field of gas pipeline and the nearby soil. In this paper, field tests have been done in a station of Shanghai metro including on/off pipe-to-soil potential, soil potential gradient to estimate the protection and affected condition of pipeline. Rail-to-soil potential has also been tested to investigate the stray current interference from rail transit upon near buried gas pipeline based on the synchronism. Finally,effective protective measures against straycurrent corrosion are introduced.

stray current (SC) , rail transit, corrosion protection, interference estimation, gaspipeline