張 超

〔中國(guó)石化北京石油分公司 北京 100022〕

強(qiáng)制排流器在消除埋地金屬管道雜散電流干擾中的應(yīng)用

張 超

〔中國(guó)石化北京石油分公司 北京 100022〕

針對(duì)目前地鐵運(yùn)行過程中對(duì)埋地金屬管道造成的直流雜散電流干擾的現(xiàn)狀，提出利用強(qiáng)制排流器對(duì)干擾進(jìn)行防護(hù)的措施，并對(duì)單因素電流干擾，與地鐵(已運(yùn)行2年)垂直交叉、埋深3.5m、管徑DN300mm、雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層、已埋設(shè)10年、采用恒電位儀提供保護(hù)電流并加裝鎂陽極的某成品油輸油管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表明該技術(shù)對(duì)抑制管道上的直流雜散電流干擾達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，接近于未干擾的情況，大大降低了管道腐蝕隱患，提高了管道安全運(yùn)行水平。

成品油管道 雜散電流 腐蝕 干擾 排流器 應(yīng)用

近些年隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，埋地油氣管道與高壓輸電線路和電氣化鐵路相遇的幾率越來越多，同時(shí)由于油氣管道的高性能防腐層，高壓輸電線路、高壓電塔、高速鐵路、城市軌道交通等對(duì)油氣管道及其陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾作用[1]。近一二十年來國(guó)內(nèi)外大量油氣管道失效的案例、安全事故和檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，在具有交、直流雜散電流干擾存在的情況下，油氣管道更加容易出現(xiàn)過保護(hù)、欠保護(hù)以及一些新的腐蝕失效的情況。因此，在交直流干擾日趨嚴(yán)重的情況下，如何進(jìn)行陰極保護(hù)的有效監(jiān)測(cè)和電源輸出優(yōu)化，已經(jīng)成為困擾油氣管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)工作者一個(gè)急需解決的難題。

1 直流雜散電流干擾的危害與監(jiān)測(cè)

在紛紛加快的城市軌道交通建設(shè)中，地鐵多采取直流電力牽引系統(tǒng)和直流電走行軌回流的方式。在地鐵運(yùn)行時(shí)，由走行軌泄漏到道床及周圍土壤介質(zhì)中的直流雜散電流會(huì)對(duì)附近的設(shè)施造成嚴(yán)重腐蝕。

國(guó)外對(duì)電氣化軌道交通系統(tǒng)直流雜散電流干擾的認(rèn)識(shí)始于美國(guó)。世界上第一條商業(yè)運(yùn)行的電氣化鐵道系統(tǒng)于1888年在維吉尼亞州投入運(yùn)行，在隨后10年，美國(guó)有數(shù)千公里的電氣化鐵路投入運(yùn)行。幾乎同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)在電氣化鐵道附近的地下管線和電纜遭到嚴(yán)重腐蝕，鐵路當(dāng)局也注意到鐵軌和道釘遭到腐蝕的情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從電氣化鐵路運(yùn)行軌道泄漏的電流是造成腐蝕的主要原因，自此開始了關(guān)于直流雜散電流腐蝕的研究。

1.1 直流雜散電流干擾對(duì)管道的危害

雜散電流即指設(shè)計(jì)規(guī)定回路以外流動(dòng)的電流，其具有多源性特征。按照造成的干擾性質(zhì)可分為交流干擾和直流干擾。

埋地管道的直流雜散電流干擾主要來自于附近的直流電氣化鐵路系統(tǒng)、直流電焊機(jī)等電力傳輸系統(tǒng)，或某些工業(yè)電氣設(shè)備以及外部的陰極保護(hù)系統(tǒng)[2]。對(duì)于長(zhǎng)距離帶有涂覆層的埋地金屬管道影響最普遍、最嚴(yán)重的直流雜散電流源是直流電氣化鐵路系統(tǒng)。

由于雜散電流的強(qiáng)度一般都很大，從而使金屬溶解量大大增加，并可使被干擾體系在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生點(diǎn)蝕穿孔，甚至誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。此外，地鐵直流雜散電流還會(huì)干擾陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使?fàn)奚枠O系統(tǒng)發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，降低犧牲陽極的電流效率，致使管道得不到有效的防腐保護(hù)。

1.2 直流雜散電流干擾的監(jiān)測(cè)

目前國(guó)內(nèi)外埋地管道直流雜散電流的判斷及排除技術(shù)尚不完善，我國(guó)對(duì)直流雜散電流干擾的判定為管道上任意一點(diǎn)正向偏移20 mV或附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，確認(rèn)為直流干擾。國(guó)際上對(duì)于地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流的判別尚未統(tǒng)一，其中涉及該內(nèi)容的主要有英國(guó)/歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS/EN50162—2004《Protection against corrosion by stray current from direct current systems》和澳大利亞AS2832.1—2004《Cathodic protection of metals, Part1: Pipes and cables》標(biāo)準(zhǔn)。其中英國(guó)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS/EN50162—2004提出使用電流探針代替管道涂層缺陷來評(píng)價(jià)陰極保護(hù)構(gòu)筑物上的波動(dòng)的雜散電流干擾程度。一般持續(xù)24 h測(cè)試探針的電流(陰極保護(hù)電流和雜散電流共同作用下的結(jié)果)，以管道不受波動(dòng)的雜散電流干擾的時(shí)候(如晚上)的電流為參考值。通過對(duì)比干擾時(shí)間段內(nèi)的持續(xù)時(shí)間和方向來對(duì)雜散電流干擾水平進(jìn)行評(píng)判。澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)是采用記錄一定時(shí)長(zhǎng)下管道的管地電位分布情況，來判定受地鐵雜散電流的干擾程度。

2 強(qiáng)制排流器對(duì)直流雜散電流干擾的防護(hù)

強(qiáng)制排流器是一套自適應(yīng)強(qiáng)制排流系統(tǒng)，安裝在管道沿線，監(jiān)測(cè)探頭可自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)管道上的直流雜散電流的強(qiáng)度，通過監(jiān)測(cè)探頭將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)反饋給強(qiáng)制排流器中心處理器控制器單元，由強(qiáng)制排流器雜散電流補(bǔ)償和吸收單元自動(dòng)完成管道上存在的雜散電流的補(bǔ)償和吸收，消除管道上的直流雜散電流，保持管道上管地電位的平穩(wěn)性，恢復(fù)管路各恒電位儀系統(tǒng)的有效工作，提高管道安全運(yùn)行壽命[3]。

強(qiáng)制排流器原理：將管道(或金屬結(jié)構(gòu)物)上的雜散電流引向排流器，并經(jīng)由排流器流入大地或流回干擾源，從而避免雜散電流直接從管道流入土壤造成電化學(xué)腐蝕。排流器不能影響陰保系統(tǒng)的工作，同時(shí)要考慮其自身受到的雷電過電壓和高壓輸電電塔故障電流的影響。

該強(qiáng)制排流器不但可以消除地鐵造成的直流雜散電流干擾，還可適用于直流超高壓直流輸電線路(HVDC)對(duì)于管道的影響，當(dāng)直流超高壓輸出線路開始單極工作的時(shí)候，強(qiáng)制排流系統(tǒng)可在1MS內(nèi)響應(yīng)并開始工作，直到直流輸出線路恢復(fù)正常工作。

強(qiáng)制排流器具有數(shù)據(jù)雙向通信(遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)控)功能，控制中心通過客戶端可實(shí)時(shí)觀察控制排流器各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析和預(yù)警，也可以通過客戶端軟件向強(qiáng)制排流器發(fā)送控制參數(shù)，完成強(qiáng)制排流器預(yù)定參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，修正強(qiáng)制排流器的工作狀態(tài)及參數(shù)。

強(qiáng)制排流器會(huì)按預(yù)定的時(shí)間將工作狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給強(qiáng)制排流器中心控制系統(tǒng)，中心控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)、預(yù)警，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中心控制系統(tǒng)服務(wù)器，中心控制系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成、導(dǎo)出及打印功能。

3 強(qiáng)制排流器的實(shí)例驗(yàn)證效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)基本情況

某成品油輸油管道與地鐵垂直交叉，埋深約為3.5 m，管徑DN300 mm，為雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，已埋設(shè)10年，采用恒電位儀提供保護(hù)電流并加裝鎂陽極。恒電位儀安裝地點(diǎn)距離該排流點(diǎn)管道距離為12.8 km，為恒電位運(yùn)行模式，預(yù)置電位-1.25V。

交叉處地鐵已運(yùn)行2年，運(yùn)行時(shí)間5點(diǎn)至24點(diǎn)，附近無主變電站，直流側(cè)標(biāo)稱電壓為DC750V，牽引接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為DC500～900V，按照地鐵標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了相關(guān)雜散電流防堵阻措施及收集系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)量附近測(cè)試樁保護(hù)電位，長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，初步判定雜散電流干擾。

采用管地電位測(cè)試儀對(duì)未利用強(qiáng)制排流器管道1號(hào)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行24 h電位記錄，每3 s進(jìn)行一次記錄，管地電位正向偏移最大值3.34V，負(fù)向偏移最大值-5.03V(見圖1)。在地鐵停止運(yùn)行后，管地電位逐漸穩(wěn)定，并由-1.09V逐漸上升到-0.9V(見圖2)。

圖1 1號(hào)排流點(diǎn)24 h管地電位監(jiān)測(cè)電位圖

圖2 1號(hào)排流點(diǎn)地鐵停運(yùn)后管地電位

采用管地電位測(cè)試儀對(duì)未使用強(qiáng)制排流器管道2號(hào)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行24 h電位記錄，管地電位正向偏移最大值3.15V，負(fù)向偏移最大值-5.28V(具體情況見圖3)。在地鐵停止運(yùn)行后，管地電位逐漸穩(wěn)定，并由-1.05V逐漸上升到-0.62V(具體情況見圖4)。

圖3 2號(hào)排流點(diǎn)24 h管地電位監(jiān)測(cè)電位圖

圖4 2號(hào)排流點(diǎn)地鐵停運(yùn)后管地電位

3.2 現(xiàn)場(chǎng)情況分析

由24 h管地電位記錄可以看出，1號(hào)與2號(hào)測(cè)試點(diǎn)受到直流干擾較為嚴(yán)重，不僅出現(xiàn)了正向偏移和負(fù)向偏移，而且電流影響極大，電位值范圍在-5V至3.4V之間。在地鐵運(yùn)行時(shí)間結(jié)束后，保護(hù)電位逐漸升高，出現(xiàn)未保護(hù)的狀態(tài)，2號(hào)測(cè)試點(diǎn)甚至出現(xiàn)-0.6V的電位，說明陰極保護(hù)系統(tǒng)未發(fā)揮功能，同樣可能有持續(xù)性的地鐵信號(hào)用直流電流影響。

3.3 進(jìn)行強(qiáng)制排流

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，地鐵供電系統(tǒng)對(duì)管道有極強(qiáng)的影響，干擾管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)，如若不及時(shí)解決則極有可能造成防腐層剝離及管道腐蝕。為此，在管道與地鐵垂直交叉點(diǎn)兩側(cè)安裝強(qiáng)制排流器，強(qiáng)制排流器運(yùn)行后，再對(duì)管道進(jìn)行24 h管地電位測(cè)量。

從圖1、3可看出，在上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行管地電位24h監(jiān)測(cè)，未進(jìn)行排流前管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)管地電位劇烈波動(dòng)，且波動(dòng)范圍較大。強(qiáng)制排流器開機(jī)后，從圖5、6可看到，管道上存在的雜散電流得到有效抑制，管道管地電位波動(dòng)范圍較小，且在地鐵停運(yùn)后，陰極保護(hù)系統(tǒng)無法保護(hù)的狀態(tài)也得到了改善，達(dá)到預(yù)期的目的。通過上述試驗(yàn)，從排流效果來看，該排流技術(shù)對(duì)抑制管道存在的單因素直流雜散電流達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)，可使管道接近于未干擾狀態(tài)，大大降低了管道腐蝕隱患，提高了管道安全運(yùn)行水平(見圖5、6)。

圖5 1號(hào)排流點(diǎn)(排流后)24 h管地電位監(jiān)測(cè)電位圖

圖6 2號(hào)排流點(diǎn)(排流后)24 h管地電位監(jiān)測(cè)電位圖

4 結(jié)束語

強(qiáng)制排流技術(shù)作為一種全新的排流技術(shù)，針對(duì)單因素直流雜散電流干擾取得了非常好的實(shí)際使用效果，將突破目前行業(yè)技術(shù)發(fā)展所面臨的技術(shù)瓶頸，最大程度地減緩直流雜散電流對(duì)埋地金屬管道造成的危害，從而保證管道后期安全高效運(yùn)行。

[1] 張永飛，趙書華，李平，等.長(zhǎng)輸埋地管道陰極保護(hù)故障診斷與排除[J]. 腐蝕與防護(hù), 2014, 35(11):1168-1172.

[2] 貝克曼 W V，施文克W，普林茲W. 陰極保護(hù)手冊(cè)-電化學(xué)保護(hù)的理論與實(shí)踐[M]. 胡士信，王向農(nóng)等譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 張玉星，杜艷霞，路民旭，等.動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下埋地管道的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護(hù), 2013,34(9):771-774.

2017-04-12。

張超(1983-)，男，本科，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，工程師，現(xiàn)從事管道油庫安全管理工作。