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(1. 北京科技大學 新材料技術(shù)研究院，北京 100083； 2. 東莞新奧燃氣有限公司，東莞 523013;3. 中石油管道有限責任公司 西氣東輸分公司,上海 200120)

隨著中國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，能源和交通運輸行業(yè)得到了快速的發(fā)展，越來越多的油氣管道和城市軌道交通建成并投入使用。截至2016年底，我國境內(nèi)在役油氣管道總里程累計約12.6萬km[1]；截至2016年，國內(nèi)已有27個城市開通地鐵，投運里程達3 000 km，據(jù)估計到2020年，全國地鐵運行總里程將達到6 000 km[2]。

城市軌道交通運輸系統(tǒng)，如地鐵或輕軌，一般采用直流牽引、經(jīng)走行軌回流。因軌道對地并不是完全絕緣，不可避免會有電流從走行軌泄入大地形成雜散電流，對周邊埋地油氣管道等金屬構(gòu)件造成干擾。雜散電流的大小和分布與直流牽引變電所的位置、饋電區(qū)段、負荷分擔狀態(tài)、負荷電流、鋼軌縱向電阻以及鋼軌對地過渡電阻等因素有關(guān)，土壤電導率對其也有較大的影響，雜散電流的分布隨列車運行時間而變化[3]，因此動態(tài)波動成為軌道交通對油氣管道干擾的典型特征。隨著我國城市軌道交通及油氣管道的發(fā)展，埋地管道受動態(tài)直流雜散電流干擾問題日益嚴重，由于地鐵動態(tài)雜散電流干擾導致的腐蝕案例在國內(nèi)外也有較多報道[4-9]。動態(tài)直流雜散電流干擾不僅會使埋地管道發(fā)生腐蝕，還會干擾陰極保護系統(tǒng)的正常運行：對于強制電流陰極保護系統(tǒng)，干擾會導致通電點的電位波動，當干擾較大時，可能導致采用恒電位運行模式的恒電位儀無法正常運行；而對于犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)，動態(tài)直流雜散電流干擾可能會使犧牲陽極發(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保護。由城市軌道交通引起的雜散電流干擾具有動態(tài)波動性，對其進行有效的測試、評估和防護存在較大困難，目前對于動態(tài)直流雜散電流干擾下的腐蝕機理尚不清晰，同時也缺乏適用于動態(tài)直流雜散電流干擾的有效評判與防護的準則。

開展動態(tài)直流雜散電流干擾的研究對于管道的安全運行具有重要的借鑒和指導意義，結(jié)合國內(nèi)外最新研究成果，本工作對雜散電流的測試方法、干擾評判以及防護技術(shù)的現(xiàn)狀進行了詳細介紹和總結(jié)，并對動態(tài)直流雜散電流干擾的相關(guān)研究方向進行了展望。

1 動態(tài)直流雜散電流干擾的現(xiàn)場監(jiān)檢測

流入流出管道雜散電流的大小受多種因素的影響，難以直接測量，通常通過測試其對埋地管道產(chǎn)生的效應來評估干擾的嚴重程度，目前常用的測試方法和內(nèi)容包括管地電位測試、土壤電位梯度測試、試片法或極化探頭法測試、電流探針法測試、智能雜散電流檢測儀(SCM)檢測、腐蝕檢查片測試等。

部分研究學者關(guān)注在動態(tài)直流雜散電流干擾下如何準確獲得管道的真實保護電位。BERTOLINI等[10]假定管地電位和地電位梯度之間存在線性關(guān)系，通過擬合管地電位和地電位梯度之間的關(guān)系曲線(管地電位為變量Y，地電位梯度為自變量X)，擬合線外延至Y軸的交點，此時地電位梯度的數(shù)值為零即無干擾狀態(tài)，管地電位數(shù)值即為消除IR降后的電位。而ZAKOWSKI等[11]假定所測試的管地電位和管軌電位之間存在線性關(guān)系，通過將管地電位減去某個乘子與管軌電位的乘積而獲得消除IR降(電流和電阻所引起的偏差)后的管地電位，乘子的取值應小于電位偏移值相對于管軌電位的百分比，一般取管地電位和管軌電位的相關(guān)系數(shù)；基準電位即無外電流極化時的電位通過管地電位和管軌電位之間的線性關(guān)系外推至管軌電位為零時獲得。實際管道現(xiàn)場不一定能滿足這兩種消除IR降方法中的假定條件(管地電位與地電位梯度或管軌電位之間存在線性關(guān)系)，因為管道可能受到其他雜散電流干擾，或同時受到多條鐵軌線路干擾，同時該方法也無法消除陰極保護電流所造成的IR降，因此以上兩種方法不是對所有狀況都適用。在2003年，ZAKOWSKI等[12]通過測量參比電極的電化學阻抗譜(管道作為對電極)，發(fā)現(xiàn)即使直流雜散電流干擾很小，現(xiàn)場測試的管地電位也可能包含很大的IR降，同時由于其他干擾造成的地電位場波動也疊加在所測量的IR降里，因此通過測試管地電位的波動來評判腐蝕風險是不準確的。

部分研究學者關(guān)注如何確定干擾源。DAROWICKI等[13]利用短時傅立葉變換(STFT)對信號譜(如電位數(shù)據(jù))的能量密度進行時域變化分析，對比管地電位數(shù)據(jù)和管軌電位數(shù)據(jù)每一時刻的時域譜密度，從而判斷干擾源的相關(guān)性。ZAKOWSKI[14]利用短時傅立葉變換的數(shù)據(jù)分析方法對存在多個干擾源的情況進行干擾源確定，在兩處位置分別同步監(jiān)測了管地電位和有軌電車的管軌電位、管地電位和鐵路的管軌電位，信號數(shù)據(jù)能量密度的時域譜分析結(jié)果表明，管道主要受有軌電車的干擾，而鐵路對管道的干擾較弱。騰延平等[15]使用同步監(jiān)測方法成功定位秦京輸油管道直流干擾源，在同一時間內(nèi)，使用存儲式雜散電流測試儀，對不同測試樁的管地電位進行同步監(jiān)測，然后根據(jù)繪制的電壓-時間變化曲線，綜合比較了同一時間內(nèi)管地電位的瞬間值與平均值，精確定位干擾源。趙晉云等[16]以新大線輸油管線為研究對象，進行雜散電流干擾調(diào)查，并現(xiàn)場測試管地電位、土壤電位梯度、土壤電阻率和管中電流(電壓降法)等參數(shù)，測試結(jié)果表明:干擾來源為與管道近距離平行的大連快軌3號線。

部分研究學者關(guān)注如何確定管道腐蝕風險點。PARKER等[17]利用SCM測量管道沿線的管中電流，同時對比沿線管地電位的變化，分析管道沿線雜散電流的流入流出位置。劉軍[18]利用SCM測量管道沿線的管中電流，結(jié)合埋地管道外防腐蝕層檢測儀檢測管道沿線的防腐蝕層缺陷點，分析獲得雜散電流的出入土點。MARTINEZ等[19]利用SCM測試管中電流，同步監(jiān)測管道沿線的管地電位、地電位梯度和探針電流，對比分析了雜散電流的干擾情況以及管道的腐蝕風險。GREENBERGER等[20]利用試片法對管道直流雜散電流干擾進行測試，用試片模擬管道的防腐蝕層缺陷，將試片埋設在管道附近并通過測試樁內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄儀與管道連接，同時參比電極也通過數(shù)據(jù)記錄儀與管道連接，監(jiān)測直流電流密度、試片斷電電位等參數(shù)，對由直流雜散電流引起的管道腐蝕情況作出評價。劉軍[21]介紹了一種新型的極化試片電流測試方法，并在某成品油管道的直流雜散電流干擾檢測中進行了應用，該技術(shù)采用高精度數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測流經(jīng)試片的直流電流大小與方向，同步監(jiān)測試片的通電電位。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明流經(jīng)試片的直流電流方向與大小都發(fā)生劇烈的變化時，管道的通電電位也隨之波動；通過進一步計算各點的試片直流電流的平均值，可以找到雜散電流的流出區(qū)域，即管道腐蝕風險較大的區(qū)域。陳志光等[22]以上海軌道交通某檢修基站附近的燃氣管道為研究對象，分別對基站內(nèi)土壤電位梯度、軌地電位、基站附近燃氣管道的管地電位進行了測試，分析了各測試數(shù)據(jù)的對應性，對雜散電流干擾強度、產(chǎn)生原因、在土壤中流動方向進行了研究。測試結(jié)果表明受正線地鐵運行影響，基站內(nèi)軌地電位基本保持負電位，為電流的“匯集點”，地鐵基站周邊燃氣管道處于失電流的“陽極區(qū)”，有雜散電流腐蝕風險。

目前，國外對于城市管道系統(tǒng)和軌道交通系統(tǒng)之間存在雜散電流的腐蝕風險已形成共識，雙方建立了聯(lián)動機制，并開展現(xiàn)場聯(lián)合測試，對確定雜散電流干擾的腐蝕風險和防護措施的實施設計提供更詳細的數(shù)據(jù)支持，但這樣的聯(lián)動機制在國內(nèi)還沒有建立。GREENBERGER[23]報道了美國波特蘭水務局和軌道交通運輸管理局進行的聯(lián)合測試項目。該項目對地鐵鋼軌和接地網(wǎng)短接前后各類參數(shù)(鋼軌泄漏電流、軌地電位、地電位梯度和管地電位、管道絕緣接頭跨接電流等)進行了監(jiān)檢測。測試結(jié)果表明,地電位梯度的測量可以用來評估鋼軌的腐蝕狀態(tài)。將數(shù)據(jù)按時間百分比(累積頻率)進行排序作圖，可以比較明顯地展示出當信號大小或方向發(fā)生改變時相應的比例界限，地電位梯度的時間百分比和電流的流入流出特征也能比較清晰地表達出來。LINDEMUTH等[24]介紹了三例輕軌系統(tǒng)直流雜散電流對輸水管道干擾的聯(lián)合檢測案例，分別測試了管地電位、管中電流、軌地電位、軌道泄漏電阻等，其中管中電流采用電流測試樁或電位差降法進行測試。案例分析結(jié)果表明有效的防護措施能夠減緩雜散電流干擾的影響。DE LAS CASAS等[25]介紹了管道系統(tǒng)與芝加哥交通管理局(CTA)鐵路系統(tǒng)的聯(lián)合測試案例，他們對一條90 in(約228.6 cm)輸水管道進行管軌電位和管地電位的同步監(jiān)測，繪制管道沿線測試點的Beta曲線，計算擬合線的斜率，將擬合線外推至管軌電位為零時獲得無干擾狀態(tài)下的管地電位，分析獲得最大干擾點位置，然后在干擾嚴重點進行24 h電位監(jiān)測，為后續(xù)的跨接設計提供參數(shù)，包括跨接電流最大允許值和跨接電纜電阻最大允許值的計算，以及跨接電纜的型號選擇。陳志光等[26]利用自行設計的測試系統(tǒng)對上海地區(qū)平行于軌道交通的某埋地燃氣管道進行了管地電位、管中電流測試(利用絕緣接頭處跨接電纜)，并借助軌道交通部門的直流雜散電流檢測樁進行了聯(lián)合測試。結(jié)果表明：所測區(qū)域內(nèi)燃氣管道受到嚴重的直流雜散電流干擾，且雜散電流變化與軌道交通運行規(guī)律具有一致性；在軌道交通防腐蝕系統(tǒng)設計滿足軌道交通相關(guān)標準的前提下，泄漏的直流雜散電流仍對附近燃氣管道產(chǎn)生了嚴重影響。

目前的研究大部分是圍繞動態(tài)直流雜散電流干擾對埋地管道電位、地電位梯度和管中電流波動范圍的影響而開展的，而關(guān)于干擾程度對管道腐蝕的影響研究較少，干擾來自哪條軌道線路泄漏的雜散電流，以及管道流入流出干擾電流大小與位置的確定也有待開展系統(tǒng)的研究。GB/T 21246-2007標準[27]提出在雜散電流干擾的區(qū)域需要采用極化探頭或試片法對陰極保護效果及干擾程度進行評判，但對于探頭試片的選擇、測試的時間、測試數(shù)據(jù)的分析等內(nèi)容沒有明確的要求。在GB 50991-2014標準[28]中提到采用探頭或檢查片來消除管地電位測試中土壤IR降的影響，同時對管地電位的測試時間和讀數(shù)時間間隔進行了規(guī)定。但該標準并沒有考慮到動態(tài)直流雜散電流干擾下管地電位的波動特性。根據(jù)現(xiàn)場的檢測經(jīng)驗，試片瞬時斷電電位也會發(fā)生波動，部分時刻可能會出現(xiàn)試片瞬時斷電電位正于最小保護電位的情況。此時如何評判雜散電流的干擾強度，多大范圍內(nèi)不滿足標準要求的電位數(shù)量和程度可以接受，在該標準中并沒有說明。隨著國內(nèi)城市軌道交通設施的大規(guī)模建設，動態(tài)直流雜散電流干擾的問題將日益嚴重，準確評估動態(tài)直流干擾程度及腐蝕風險已成為管道安全運行的迫切需求。

2 動態(tài)直流雜散電流干擾判斷指標

目前，國內(nèi)外均無專門針對軌道交通引起的動態(tài)直流雜散電流干擾的判斷指標，現(xiàn)行的關(guān)于直流雜散電流干擾的評判標準也主要是針對穩(wěn)態(tài)直流雜散電流干擾的。

中國國家標準GB 50991-2014[28]中針對不同情況規(guī)定了直流雜散電流的干擾程度：(1) 對于處于設計階段的管道工程，當管道附近20 m范圍內(nèi)地電位梯度>0.5 mV/m時，確認存在直流干擾；當管道附近20 m范圍內(nèi)地電位梯度≥2.5 mV/m時，應對管道敷設后可能受到的直流雜散電流干擾影響進行評估，根據(jù)評估結(jié)果預設干擾防護措施。(2) 對于沒有實施陰極保護的管道，當管地電位相對于自然電位正向或負向偏移>20 mV時，確認存在直流干擾；當任意點的管地電位較自然電位正向偏移≥100 mV時，應采取干擾防護措施。(3) 對于已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應采取干擾防護措施。

澳大利亞標準AS 2832.1-2015[29]規(guī)定：記錄足夠長時間下管道的陰極極化電位，按照埋地金屬受雜散電流極化時間的長短分為短時間極化和長時間極化。對短時間極化、涂層性能良好的埋地金屬建筑物，電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；正于保護準則+50 mV(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為-800 mV)的時間不應超過測試時間的2%；正于保護準則+100 mV(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為-750 mV)的時間不應超過測試時間的1%；正于保護準則+850 mV(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV)的時間不應超過測試時間的0.2%。對于長時間極化、涂層質(zhì)量不好的埋地金屬建筑物，規(guī)定其電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的10%。

歐洲標準BS EN 50162-2004[30]針對有無陰極保護的結(jié)構(gòu)物進行如下規(guī)定：(1) 對無陰極保護結(jié)構(gòu)，選擇電位偏移為參考指標，考慮了土壤電阻率及IR降的影響，可接受的管地電位最大正向偏移見表1。(2) 對有陰極保護結(jié)構(gòu)，當干擾導致消除IR降后管道電位超出保護電位范圍時，干擾不可接受。同時建議采用電流探針測試法對干擾可接受程度進行評判。一般持續(xù)24 h測試探針的電流(陰極保護電流和雜散電流的結(jié)果)，并將管道不受雜散電流干擾時段的探針電流定義為基準值(如測試地鐵停運階段的探針電流)，然后確定具有最正電位波動時間段的探針電流(此時探針電流相對于基準值降幅最大)，統(tǒng)計當探針電流不同程度低于基準值時的累積持續(xù)時間，累積持續(xù)時間超過相應的最大可接受程度(見表2)則表明結(jié)構(gòu)物存在高腐蝕危險。

ZAKOWSKI等[31]對動態(tài)直流雜散電流干擾下管地電位和管軌電位24 h的變化規(guī)律進行了研究，提出了以不對稱系數(shù)來評價雜散電流干擾嚴重程度的準則。不對稱系數(shù)定義為管道電位偏移基準電位的概率，其中基準電位(無外電流極化時的腐蝕狀態(tài))可以由管地電位和管軌電位之間的線性關(guān)系外推至管軌電位為零時獲得。FREIMAN[32]進一步根據(jù)涂層缺陷大小、涂層厚度和土壤電阻率等對管地電位偏移的影響，利用簡化模型并假定界面電流全部流經(jīng)極化電阻，得出流經(jīng)界面電流大小與管地電位偏移量的關(guān)系式。而流經(jīng)界面的電流與腐蝕量有關(guān)，在明確可接受最大腐蝕速率的情況下，可以得出不同不對稱系數(shù)情況下最大電位偏移量的極限值。不對稱系數(shù)β的計算式見式(1)。

表1 EN 50162-2004標準中無陰極保護埋地或浸沒金屬結(jié)構(gòu)的可接受電位正向偏移Tab. 1 Acceptable positive potential shifts for buried or immersed metal structures without cathodical protection in standard of EN50162-2004

表2 EN 50162-2004標準中受直流雜散電流干擾的探針電流的評判指標Tab. 2 Criteria for probe current interfered by DC stray current in standard of EN 50162-2004

(1)

式中：β為不對稱系數(shù)，即所測管地電位正向偏離基準電位的概率；tA為測試過程中管地電位正向偏移基準電位的時間，s；t為管地電位測試總時間，s；NEi>Es為管地電位Ei正向偏移基準Es電位的采樣數(shù)；N為測試時間段內(nèi)采樣總數(shù)。

根據(jù)不對稱系數(shù)可評價管道腐蝕風險，見表3[31]。

表3 用不對稱系數(shù)評估腐蝕風險的標準Tab. 3 Corrosion hazard criterion evaluated by asymmetry coefficient

3 動態(tài)直流雜散電流干擾的緩解措施

目前對于動態(tài)直流雜散電流干擾防護的方法可分為2類：控制雜散電流產(chǎn)生的源頭，減少雜散電流的產(chǎn)生；對已產(chǎn)生的雜散電流采取排流措施，減輕其腐蝕危害。軌道交通方采取源控法是主動型防治雜散電流方法，而管道方采取排流法是被動地防治雜散電流的方法，如美國科羅拉多州區(qū)域公共交通管理局RTD(Regional Transportation District)在輕軌設計標準中對雜散電流腐蝕的控制進行了規(guī)定：在正常操作條件下,對雜散電流控制應減少或限制源頭的雜散電流水平，而不是試圖緩解其可能對運輸設施和其他地下構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響(可能是有害的)[33]。無論控源法還是排流法都不是獨立存在的，只有兩種方法相互結(jié)合，才能更加有效地控制甚至避免雜散電流對埋地管道的損害。為了降低軌道交通系統(tǒng)對油氣管道的干擾影響，需要采取有效的緩解措施，下面總結(jié)了目前國內(nèi)外埋地管道采用的主要緩解措施。

3.1 避開干擾源

管道在勘察設計階段就應做好雜散電流防護工作，即在滿足設計安全要求的前提下避開可能的電流干擾源。GREENBERGER等[20]介紹了利用簡單模型模擬計算雜散電流對位于牽引變電站(具有二極管接地系統(tǒng))附近裸鑄鐵水管的腐蝕影響，在不同百分比泄漏電流下，計算與變電站不同間距管道的腐蝕電流密度(對應腐蝕年限)和影響范圍，從而為管道設計提供參考。陳志光等[34]建立了包含排流網(wǎng)、大地、埋地燃氣管道的雜散電流分布數(shù)學模型，分析了管道與地鐵隧道距離、土壤電阻率等參數(shù)對雜散電流分布的影響。計算結(jié)果表明,管道與地鐵隧道間的距離及管道防腐蝕層電阻的增大能有效減小雜散電流。柯甜甜等[35]運用有限元分析軟件建立了走行軌-大地-金屬管道的模型，通過改變走行軌回流、走行軌縱向電阻、土壤電阻率、走行軌與金屬管道間距，模擬雜散電流的影響。模擬結(jié)果表明，列車牽引電流越小、土壤電阻率越大、走行軌與管道間距越大，雜散電流對管道陰極保護電位分布的影響越小。

3.2 增加回路電阻

國內(nèi)外相關(guān)標準中均提到了包括防腐蝕層修復、絕緣隔離、屏蔽等綜合治理措施，其目的在于阻斷或減小雜散電流流入管道，從而降低干擾程度。NACE SP0169-2013標準[36]提出在受干擾結(jié)構(gòu)上正確安裝絕緣接頭能夠減少或緩解管道的雜散電流干擾問題，但必須采取謹慎的措施以確保雜散電流不會從電絕緣裝置的兩端流出。GB 50991-2014標準[28]也指出采用絕緣隔離措施后應避免電絕緣裝置兩端形成新的干擾點。

郭慶茹等[37]對大連金州石棉礦區(qū)受直流雜散電流干擾的地下穿越管道實施了綜合治理，根據(jù)管道受直流雜散電流干擾的程度和周圍環(huán)境的影響不同，采用不同結(jié)構(gòu)等級的管道防腐蝕層進行保護，對于不適宜安裝排流裝置、搶修困難的地下穿越管段，采用特殊結(jié)構(gòu)的防腐蝕層進行防護，使排流設施布局更趨合理，有效阻止了直流雜散電流干擾對管道的腐蝕。MCCAFFREY[38]總結(jié)了輸水管道在新建或者改造過程中為緩解輕軌系統(tǒng)直流雜散電流干擾而進行陰極保護設計的相關(guān)技術(shù)措施:新建金屬管道設計增加犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)時應考慮安裝的絕緣接頭與已有裸鑄鐵管道隔離，同時應增加防腐蝕涂層保護以減小陰極保護電流的需求。趙英新等[39]對某條擬建設的燃氣主干管道提出了相關(guān)的雜散電流整治方案:建議提高防腐蝕等級，采用聚乙烯三層特加強級防腐蝕，接口處采用熱縮套管；在穿越段出入土點兩端安裝絕緣接頭，穿越段管道兩端安裝單向極性排流器和犧牲陽極的聯(lián)合系統(tǒng)；對檢測出來的防腐蝕層缺陷及時修復或更換。

3.3 排流保護

GB 50991-2014標準[28]提到了四種排流保護方式，即直接排流、極性排流、強制排流和接地排流。前三種排流方式均要求管道和鐵軌直接或間接連接，管道和鐵軌間距較遠時連接起來比較困難；管道和鐵軌連接后相當于雜散電流回路電阻減小，鐵軌泄漏的雜散電流有可能增加，進而加速鐵軌的腐蝕；此外，直接、極性、強制等排流方法都會對鐵路運行信號造成干擾，涉及到鐵路系統(tǒng)方的協(xié)調(diào)工作,難度也較大，在國內(nèi)較少有相關(guān)的案例報道，更多的案例還是采用接地排流的方式。

DE LAS CASAS[40]利用極性排流方法對一條自來水主管道的動態(tài)直流雜散電流干擾進行緩解，在電氣鐵路和管道之間跨接電纜并安裝反向電流限制開關(guān)，結(jié)果表明流經(jīng)跨接電纜的排流電流最大達70 A。高玉珍[6]選取4 km與軌道交通平行的某天然氣主干網(wǎng)管段進行極性排流試驗，將被干擾管道與干擾源地鐵變電站負極母排用一根電纜連接，中間串聯(lián)一個單向?qū)ǘO管和限流電阻，在連接點的管道上方設置監(jiān)測點。極性排流試驗過程中可以發(fā)現(xiàn),測試點通電電位和試片極化電位明顯偏負，管道吸收來自軌交的雜散電流并通過臨時敷設的電纜通路最終回到軌交變電站負極母排，通過電纜流入負極母排的電流在0～18 A變化。陳耀等[2]利用極性排流法對受到地鐵雜散電流干擾的某機場航油管道進行排流，選取與航油管道伴行的地鐵6號線暹崗站設置排流點，從管道側(cè)鋪設一條長約500 m的排流電纜，并通過極性排流器連接到地鐵排流柜，然后再引電纜至牽引供電所負極或回流軌道。檢測管道排流量及排流前后各測試樁的極化電位，發(fā)現(xiàn)地鐵停運時的排流電流基本為零，最大排流量為11.2 A，地鐵運行期間排流量平均值在4 A左右；排流后受保護管道大于10 km。

HA等[41]設計了包含全橋電路(可以正負方向輸出)的快速響應電位控制型整流器，并在釜山的一條天然氣管道上進行了強制排流試驗，對比了3種情況下(關(guān)閉原有強排設施、開啟原有強排設施和利用快速響應整流器強制排流)管地電位的波動情況。結(jié)果表明，利用快速響應整流器進行強制排流，管地電位正向波動得到了抑制。HA等[42]報道了一篇關(guān)于韓國直流地鐵系統(tǒng)所產(chǎn)生的雜散電流干擾的調(diào)查，首爾的8條地鐵線路和埋地管道之間共設置了99處強制排流和極性排流裝置，利用電流感應裝置檢測了每處裝置的排流量。測試發(fā)現(xiàn):強制排流的效果要好于極性排流的效果，強制排流時管道遠端吸收更多的直流雜散電流；地鐵走行軌對地排放更多的直流雜散電流，根據(jù)強制排流和極性排流裝置的監(jiān)檢測結(jié)果，平均排流電流總量為1 111.74 A/a，腐蝕速率達10 kg/a。

郭慶茹等[37]對某棉礦區(qū)地下穿越管段實施的初步治理方案中采用接地排流方法，排流地床埋設在雜散電流流向干擾源的一側(cè)，距管道30 m，每組埋設鋁合金陽極20支，極性排流器露天安裝在管道附近。測試數(shù)據(jù)表明,安裝接地式排流裝置后，管段出現(xiàn)的最大正電位值負向偏移較大，由安裝前的12 V降至1.9 V，管地電位正、負交變的頻率趨緩，排流裝置的排流量均超過2 A，管道出現(xiàn)正電位的延續(xù)時間明顯縮短。趙晉云等[16]介紹了新大線管道雜散電流干擾緩解的案例，提出采取增加陰極保護裝置和極性接地排流方式共同防護來抑制雜散電流干擾，每個接地極處使用30支犧牲陽極，中間加入防逆流裝置(極性排流器)。結(jié)果表明，該方法排流效果顯著，但不能完全消除干擾，某些時刻管地電位仍會出現(xiàn)正向偏移或大幅度的負向偏移。楊永等[43]介紹了兩處利用接地排流法緩解干擾的案例，埋設鎂犧牲陽極進行直接接地排流，或者利用極性排流器和鎂犧牲陽極的方式進行極性接地排流。經(jīng)過排流改造后，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，管道受雜散電流干擾程度降低。QIN等[44]選取一段受雜散電流干擾較為嚴重的管道，使用原有犧牲陽極為接地極，然后在犧牲陽極和管道之間安裝極性排流器，防止雜散電流通過犧牲陽極流入管道。排流后測試樁處監(jiān)測到的通電電位整體負向移動，試片斷電電位較穩(wěn)定，管道受到的直流雜散電流干擾大幅降低。

3.4 陰極保護

陰極保護法可以采用犧牲陽極或者強制電流兩種方式。一般接地排流方法多采用犧牲陽極方式。一方面犧牲陽極可以起到排流作用，另一方面還可提供陰極保護電流。犧牲陽極地床通常與極性排流聯(lián)合使用，在被干擾管道與犧牲陽極排流地床間串聯(lián)極性排流器，可以起到只允許犧牲陽極流出電流保護管道，而阻止雜散電流通過犧牲陽極流入管道的作用。在動態(tài)直流雜散電流干擾情況下，管道電位存在波動，利用強制電流方式對管道進行陰極保護時很難長時間保持在恒電位的模式下工作，所以多采用恒電流的輸出模式。但是當管道的陰極保護電流需求發(fā)生變化時,恒電流輸出模式不能及時調(diào)整輸出電流，同時也無法有效緩解動態(tài)變化的雜散電流干擾。

YUNOVICH等[45]介紹了在動態(tài)直流雜散電流干擾條件下智能調(diào)整輸出的陰極保護優(yōu)化(CMCPO)系統(tǒng)，包括監(jiān)測管道沿線多個測試樁極化試片的斷電電位(Eoff)、試片電流和自腐蝕電位，利用100 mV偏移準則評判各個測試樁的陰極保護狀態(tài)，按照內(nèi)置算法進行腐蝕風險排序，并上傳相應的需求方案給遠程控制的陰極保護整流器。該系統(tǒng)已被成功應用在一條電纜護套管上。LAZZARI等[46]和BRENNA等[47]提出一種基于電流準則的雜散電流防護方法，假定通電電位隨時間的變化率與流經(jīng)試片電流隨時間的變化率之間存在線性關(guān)系，因此恒電位儀在恒電位模式下的運行算法可以調(diào)整為恒試片電流模式下的運行算法，測量流經(jīng)試片的電流，利用電流隨時間的變化率來調(diào)整恒電位儀的輸出，使得流經(jīng)試片的電流保持不變，設定一個最小陰極保護電流IP，在該電流下試片的極化電位滿足陰保電位準則，這樣可以有效改進陰極保護系統(tǒng)，消除恒電位儀在恒電位運行模式下IR降的影響。張超[48]利用強制排流器對與地鐵垂直交叉、采用恒電位儀提供保護電流并加裝鎂陽極的某成品油輸油管道進行試驗。試驗采用的強制排流器是一套自適應強制排流系統(tǒng)，安裝在管道沿線，監(jiān)測探頭可自動連續(xù)監(jiān)測管道上的直流雜散電流的強度，通過監(jiān)測探頭將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)反饋給強制排流器中心處理器控制器單元，由強制排流器的雜散電流補償和吸收單元自動完成雜散電流的補償和吸收，保持管地電位的平穩(wěn)，恢復管道各恒電位儀系統(tǒng)的有效工作，提高了管道安全運行水平。HOSOKAWA等[49]介紹了一條同時遭受交流干擾和動態(tài)直流干擾管道的緩解案例，通過前期現(xiàn)場測試和實驗室研究提出了基于交直流電流密度之比的腐蝕風險判據(jù)。安裝固態(tài)去耦合器和交流排流地床以緩解管道的交流干擾，此時試片的交流電流密度和直流電流密度平均值位于風險矩陣圖的保護區(qū)域，但試片直流電流密度的長時間監(jiān)測結(jié)果顯示仍有部分時刻電流密度小于零(流出電流腐蝕狀態(tài))，利用法拉第定律計算得流出電流部分的總量對應腐蝕速率為0.92 mm/a。雖然短時間內(nèi)試片流出電流狀態(tài)對于實際腐蝕速率的影響還有待進一步研究，但為了降低直流雜散電流干擾的腐蝕風險，對陰保間整流器的輸出進行了調(diào)整，使得該測試樁處試片的直流電流密度均大于零(均為陰極保護狀態(tài))，此時直流電流密度的平均值雖然有所增大，但仍落在風險矩陣圖的保護區(qū)域內(nèi)。韓非[50]嘗試使用強制電流陰極保護的方式來緩解地鐵動態(tài)直流雜散電流干擾對管道的腐蝕影響，在直流干擾嚴重的管段進行饋電試驗，監(jiān)測管道沿線極化試片的斷電電位，為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)的輸出參數(shù)提供參考，根據(jù)饋電試驗進行了管道干擾排流方案的設計。周吉祥[51]采用BEASY軟件模擬方法，對接地排流、極性接地排流和強制電流陰極保護相結(jié)合的方案進行數(shù)值模擬，對城鎮(zhèn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)在動態(tài)直流雜散電流干擾下的優(yōu)化進行研究，根據(jù)模擬結(jié)果對原陰極保護系統(tǒng)進行改造，對改造后的相關(guān)數(shù)據(jù)進行測試及效果分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰極保護系統(tǒng)得到優(yōu)化，管地沿線試片的極化電位均滿足陰極保護準則。

3.5 雜散電流監(jiān)檢測

埋地管道的雜散電流腐蝕防護是一項長期艱苦的工作，必須經(jīng)常性地檢測雜散電流的變化情況，如管道周圍是否有產(chǎn)生雜散電流的新建工程，管道的防腐蝕層是否遭到破壞等。防護措施也要根據(jù)新情況及時調(diào)整和更新，只有這樣，才能保證管道得到有效的保護。

BEGGS[52]針對配氣管網(wǎng)可能受到來自即將開通的輕軌系統(tǒng)的雜散電流干擾，提出了一系列監(jiān)檢測和防護措施，其中包括在關(guān)鍵位置埋設長效參比電極和測試樁，安裝電流環(huán)監(jiān)測電流大小和方向，對市中心與軌道交叉部分的管段進行特殊處理(如使用塑料管，大口徑管或沉管處理等)，使用絕緣接頭進行管段電氣隔離，同時建議在輕軌系統(tǒng)未開通運行前原始狀態(tài)下進行基準測量。

4 動態(tài)直流雜散電流干擾數(shù)值模擬

近年來，隨著邊界元、有限元等數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬技術(shù)評價埋地管道干擾嚴重程度和緩解方案設計逐漸成為發(fā)展趨勢，但由于軌道交通直流雜散電流干擾具有動態(tài)變化特性，導致在建模計算時存在一定的困難，有待進一步的研究。BAETé等[53]利用數(shù)值模擬技術(shù)對比利時地鐵和管網(wǎng)之間由于極性排流和強制排流產(chǎn)生的耦合和相互作用進行了研究，模型中地鐵走行軌總長320 km(包含6所變電站和658輛列車)；管網(wǎng)總長623 km(包含19座陰極保護站，10處強制排流設施，10處極性排流系統(tǒng))，利用該模型模擬計算了雙方的電位和電流密度，獲得了地鐵和管道的腐蝕風險。婁志標等[54]使用仿真軟件模擬燃氣管道在軌道交通牽引電流干擾下的動態(tài)雜散電流分布情況;以土壤電位梯度作為判定指標，分析了軌道絕緣電阻存在均勻破損的情況下機車行駛一個周期內(nèi)管道動態(tài)雜散電流的分布;探討了不同絕緣接頭安裝位置、絕緣接頭電阻大小以及不同犧牲陽極的安裝位置、安裝組數(shù)情況下，管道受到雜散電流的干擾情況;給出了安裝絕緣接頭和安裝犧牲陽極兩種雜散電流防護措施的最佳方式。董亮等[55]利用數(shù)值模擬技術(shù)、同時根據(jù)實際案例計算分析了地鐵雜散電流對埋地管道陰極保護水平及犧牲陽極輸出的影響規(guī)律，針對獲得的影響規(guī)律提出了相應的防護方法，并分析了其有效性,研究結(jié)果可為埋地管道地鐵雜散電流干擾的防護設計提供參考?？绿鹛鸬萚35]運用有限元分析軟件建立了走行軌-大地-金屬管道的有限元模型，通過改變走行軌回流、走行軌縱向電阻、土壤電阻率、走行軌與金屬管道間距大小，模擬雜散電流的影響。模擬結(jié)果表明：走行軌回流越小、土壤電阻率越大、走行軌與管道間距越大對陰極保護電位的影響越小。

5 結(jié)束語

當前埋地管道受軌道交通系統(tǒng)的直流干擾問題日益嚴重，研究動態(tài)直流雜散電流干擾對埋地管道的影響具有迫切而重要的意義。由于雜散電流的動態(tài)波動性，電流的方向和大小隨機變化，在管道同一缺陷點處存在雜散電流的流入和流出，即發(fā)生金屬界面陰陽極極化的交替，使得腐蝕風險的評估具有一定的難度。動態(tài)直流雜散電流干擾的準確檢測和評估是世界各國學者和工程技術(shù)人員研究的熱點問題之一，尚有待深入研究。為了對軌道交通動態(tài)直流干擾進行準確的評價與防護，需要在以下幾個方面開展深入的研究工作：

(1) 動態(tài)直流雜散電流干擾參數(shù)有效測試方法研究；

(2) 動態(tài)直流雜散電流干擾影響因素及干擾強度與管道腐蝕嚴重程度的對應關(guān)系研究；

(3) 動態(tài)直流雜散電流干擾評價與判定標準研究；

(4) 動態(tài)直流雜散電流干擾緩解措施及其優(yōu)化設計研究；

(5) 動態(tài)直流雜散電流干擾計算模型的建立和數(shù)值模擬技術(shù)研究。

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