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(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院,北京 100083; 2. 中國(guó)石油西南油氣田分公司 重慶氣礦,重慶 400000)

自2011年起，中國(guó)各地城市地鐵項(xiàng)目大幅增加，地鐵進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。截至2016年12月31日，全國(guó)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)軌道交通線路的城市共31個(gè)(內(nèi)地28個(gè)、港臺(tái)地區(qū)3個(gè))，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)達(dá)3 934.8 km，累計(jì)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路127條，運(yùn)營(yíng)車(chē)站2 627座[1-2]。雖然地鐵給城市交通帶來(lái)了極大的便利，但是由地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的雜散電流對(duì)埋地管道等金屬結(jié)構(gòu)物造成了較大的干擾，帶來(lái)了腐蝕危害。有資料顯示，北京地鐵第一期工程投入運(yùn)營(yíng)數(shù)年后，其主體結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔，僅東段部分區(qū)段就更換了穿孔水管54處[3]。上海地鐵二號(hào)線世紀(jì)大道區(qū)段的埋地鋼管發(fā)生了近十次腐蝕泄漏事故，造成的直接或間接損失高達(dá)200萬(wàn)元[4]。武漢地鐵在1999年開(kāi)通之后，中壓管網(wǎng)的腐蝕搶修量激增，且一直處于高發(fā)狀態(tài)[5]。廣州白云機(jī)場(chǎng)地鐵自2010年開(kāi)通后，受地鐵雜散電流干擾，機(jī)場(chǎng)航油管道陰極保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓，管道安全受到極大的威脅[6]。美國(guó)、意大利、英國(guó)、加拿大和俄羅斯等國(guó)也存在地鐵雜散電流干擾問(wèn)題[7-11]。因此，如何認(rèn)識(shí)地鐵雜散電流干擾規(guī)律和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行有效防護(hù)已成為了實(shí)際生產(chǎn)的迫切需求。

地鐵一般采用直流供電系統(tǒng)，鋼軌作為回流通路，由于鋼軌對(duì)地電阻不能無(wú)窮大，泄漏到土壤中的雜散電流會(huì)在附近的埋地管道上流入、流出，造成管地電位的變化；另外由于列車(chē)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致管道上雜散電流的流入、流出位置不斷改變，造成動(dòng)態(tài)雜散電流，遭受地鐵雜散電流干擾的管道上管地電位呈現(xiàn)波動(dòng)特征，這種動(dòng)態(tài)波動(dòng)給管道的服役性能測(cè)試與評(píng)估帶來(lái)了困難。為了捕捉地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流的波動(dòng)特征，國(guó)內(nèi)外研究者嘗試對(duì)地鐵雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如李振芳等[12]研制的分布式集中監(jiān)控系統(tǒng)，在深圳地鐵4號(hào)線上試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)鋼極化電位偏移量和鋼軌電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。李言濤等[13]利用長(zhǎng)效Cu/CuSO4參比電極探頭對(duì)川西氣田黃金管道以及新青管道進(jìn)行極化電位以及自然腐蝕電位的測(cè)量，用極化電位在同一采集周期的平均值，正負(fù)向平均值和偏移量等參數(shù)進(jìn)行雜散電流趨勢(shì)分析，初步估計(jì)了雜散電流對(duì)兩條管線的腐蝕影響。陳志光等[14]使用在線自動(dòng)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)廣州地鐵1號(hào)線、上海明珠線、大連輕軌3號(hào)線，測(cè)試了管地電位，地電位梯度以及部分管段內(nèi)的電流，指出了管道存在雜散電流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的位置。馬曉華[15]對(duì)上海虹橋機(jī)場(chǎng)航油管道部分測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了24 h通斷電電位的采集，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)判斷了管道遭受的雜散電流干擾程度。由上可見(jiàn)，連續(xù)監(jiān)測(cè)干擾參數(shù)已經(jīng)成為地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流干擾測(cè)試與評(píng)估的一種重要方法，盡管目前國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流干擾參數(shù)的監(jiān)測(cè)，但大多僅對(duì)特定測(cè)試位置的參數(shù)進(jìn)行了分析，缺乏不同位置動(dòng)態(tài)干擾參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析與對(duì)比，對(duì)埋地管道不同位置受地鐵雜散電流干擾的規(guī)律缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。為了給實(shí)際生產(chǎn)中地鐵雜散電流的認(rèn)識(shí)和評(píng)估提供更多指導(dǎo)，本工作在某遭受地鐵雜散電流干擾的實(shí)際管線上開(kāi)展了不同位置動(dòng)態(tài)干擾參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，并基于多點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的規(guī)律分析，探討了埋地管道遭受地鐵雜散電流干擾的影響因素和變化規(guī)律，并分析了埋地管道上地鐵雜散電流的流入、流出規(guī)律。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析方法

本次測(cè)試的管道全長(zhǎng)約123.7 km，管徑為φ813 mm，管道采用L485鋼制成，防腐蝕涂層為3PE防腐蝕層。管道與地鐵線的相對(duì)位置見(jiàn)圖1。管道距離地鐵最近的測(cè)試樁為15號(hào)測(cè)試樁，約為6 km。

圖1 管線與地鐵線路的相對(duì)位置Fig. 1 Relative position of pipeline and subway line

由圖1可見(jiàn)；測(cè)試點(diǎn)在整條管線上平均分布，共計(jì)24個(gè)。根據(jù)GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》，當(dāng)管道與埋設(shè)的極化試片充分極化后，采用UDL-2型數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)埋地管道各測(cè)試點(diǎn)的通電電位、試片斷電電位以及電流密度進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的同步連續(xù)監(jiān)測(cè)。本工作涉及的電位均相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極(CSE)。

獲得埋地管道上不同位置的地鐵雜散電流干擾參數(shù)后，分析了時(shí)間、埋地管道與地鐵線路相對(duì)位置、管道閥室接地等因素對(duì)干擾的影響規(guī)律，并對(duì)不同位置的同步監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行了分析，探索了管道上不同位置雜散電流的流入、流出關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 地鐵雜散電流干擾典型的時(shí)間特征性

由圖2可見(jiàn)：白天管道通電電位波動(dòng)強(qiáng)烈，而夜間則波動(dòng)較小。經(jīng)查找相關(guān)資料，該管線所在地區(qū)地鐵運(yùn)行時(shí)段首班車(chē)發(fā)車(chē)時(shí)間為6∶30，末班車(chē)收車(chē)時(shí)間為23∶50，發(fā)車(chē)間隔6 min。圖2中，通電電位的波動(dòng)在6∶30-23∶50較強(qiáng)，而在23∶50-6∶30則較弱，與地鐵早晚收發(fā)車(chē)時(shí)間一致，這表明該管線的通電電位受到地鐵雜散電流的干擾。由圖3可見(jiàn)：每隔6 min，通電電位呈現(xiàn)較大的干擾峰值，與發(fā)車(chē)間隔相吻合。

圖2 6號(hào)測(cè)試樁測(cè)得管道的通電電位Fig. 2 On potential of pipeline at No. 6 test pile

圖3 圖2中方框處的局部放大圖Fig. 3 Localized enlarged view at the box position of Fig. 2

2.2 距離對(duì)電位波動(dòng)的影響

由表1和圖4可見(jiàn)：測(cè)試樁的電位波動(dòng)幅度隨與地鐵站距離的增大呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明管道所受地鐵雜散電流干擾隨著與地鐵站距離的增大而減小。

2.3 閥室接地對(duì)電位波動(dòng)的影響

對(duì)管線上閥室的絕緣性能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)X閥室處(21號(hào)測(cè)試樁)閥室接地系統(tǒng)和埋地管線存在搭接，為了考察搭接對(duì)地鐵雜散電流干擾的影響，對(duì)比了X閥室處(21號(hào)測(cè)試樁)以及相距1 km的20號(hào)測(cè)試樁處的管道通電電位和試片斷電電位。由表2及圖5可見(jiàn)： X閥室處管道通電電位波的幅度明顯小于20號(hào)測(cè)試樁處的，且X閥室處管道通電電位平均值及試片斷電電位均正于20號(hào)測(cè)試樁處的。

由圖6可見(jiàn)：21號(hào)測(cè)試樁處的通電電位波動(dòng)幅度明顯小于其他測(cè)試樁處的，說(shuō)明X閥室接地系統(tǒng)與管道的搭接減小了通電電位的波動(dòng)幅度，同時(shí)拉正了通電電位。其主要原因?yàn)椋?閥室接地與管線搭接時(shí)，接地系統(tǒng)因較大的裸露面積及較低的接地電阻而充當(dāng)了排流地床，會(huì)使地鐵雜散電流更多通過(guò)接地系統(tǒng)流入、流出管道，管道上的流入、流出雜散電流減少，從而使管道通電電位波動(dòng)幅度明顯減小；同時(shí)由于接地和管道的搭接，導(dǎo)致陰保電流也會(huì)漏失在接地材料上，管道獲得的陰保電流小于在其他位置處的，故而閥室接地附近管道的陰極保護(hù)電位要正于其他位置的。盡管閥室接地與管線搭接時(shí)，附近的管道通電電位波動(dòng)幅度減小，但很有可能通過(guò)接地從該處流入或流出較多的雜散電流，而導(dǎo)致其他位置管道上相應(yīng)流出、流入的雜散電流量增加，進(jìn)而可能增大其他管段的干擾風(fēng)險(xiǎn)。

表1 1～15號(hào)測(cè)試樁的管道通電電位及測(cè)試樁與地鐵站的距離Tab. 1 On potential of the pipeline at 1-15 test piles and distance between test point and subway station

圖4 與地鐵站距離-電位波動(dòng)曲線Fig. 4 Distance from subway station-potential fluctuation curve

測(cè)試樁通電電位/V試片斷電電位/V最大值最小值平均值最大值最小值平均值通電電位波動(dòng)/V21號(hào)-0.66-1.33-1.02-0.85-1.06-0.970.6720號(hào)-0.43-2.28-1.41-0.95-1.21-1.141.85

(a) X閥室處

(b) 20號(hào)測(cè)試樁圖5 X閥室處和20號(hào)測(cè)試點(diǎn)處的管道電位Fig. 5 Pipe potentials at X valve chamber (a) and 20#test point (b)

圖6 16-24號(hào)測(cè)試樁處的通電電位Fig. 6 On potential fluctuation at No. 16-24 test piles

2.4 管段上雜散電流流入、流出的規(guī)律

管道電位的正、負(fù)向偏移意味著雜散電流的流出、流入，通過(guò)對(duì)埋地管道上多個(gè)位置干擾參數(shù)的同步測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，研究了同一管段上的雜散電流流入、流出相對(duì)位置關(guān)系及變化規(guī)律。

由圖7可見(jiàn)：針對(duì)在15號(hào)測(cè)試樁上游的管段，在a、c兩個(gè)時(shí)段，12和14號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較正，說(shuō)明此時(shí)該位置是雜散電流的流出點(diǎn)，而4，5，8號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較負(fù)，說(shuō)明此時(shí)該位置是雜散電流的流入點(diǎn)；在b時(shí)段，12和14號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較負(fù)，說(shuō)明此時(shí)該位置是雜散電流的流入點(diǎn)，而4，5，8號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較正，此時(shí)該位置是雜散電流的流出點(diǎn)。4，5，8號(hào)測(cè)試樁處管段和12和14號(hào)測(cè)試樁管段的電位變化趨勢(shì)相反，對(duì)應(yīng)雜散電流的流入與流出，說(shuō)明這兩段管段互為地鐵雜散電流的流入、流出位置。

(a) 電位

(b) 局部放大圖圖7 15號(hào)測(cè)試樁上游部分測(cè)試樁處管道通電電位檢測(cè)結(jié)果及其局部放大圖Fig. 7 Test results (a) and enlarged view (b) of on potential of pipeline at the test part upstream of test pile No. 15

(a) 電位

(b) 局部放大圖圖8 15號(hào)測(cè)試樁及其下游部分測(cè)試樁處管道通電電位檢測(cè)結(jié)果及其局部放大圖Fig. 8 Test results (a) and enlarged view (b) of on potential of pipeline at test pile No. 15 and the test part downstream of test pile No. 15

由圖8可見(jiàn)：在a時(shí)段，15號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較正，說(shuō)明此時(shí)該點(diǎn)為雜散電流的流出點(diǎn)，而18,19,23號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較負(fù)，此時(shí)該點(diǎn)為雜散電流的流入點(diǎn)；在b時(shí)段，15號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較負(fù)，說(shuō)明此時(shí)該點(diǎn)為雜散電流的流入點(diǎn)，而18,19,23號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得的管道通電電位較正，說(shuō)明此時(shí)該點(diǎn)為雜散電流的流出點(diǎn)。15號(hào)測(cè)試樁處管段與18，19，23號(hào)測(cè)試樁處管段的電位變化趨勢(shì)相反，即雜散電流流入、流出規(guī)律相反。

本試驗(yàn)管道的雜散電流流入、流出規(guī)律為：以12,14，15號(hào)測(cè)試樁處管段為分界，在同一時(shí)刻，上下游兩端管段電位波動(dòng)變化趨勢(shì)與之互為相反，若12,14，15號(hào)測(cè)試樁處管段為雜散電流的流入點(diǎn)，則上下游兩端管段則為雜散電流的流出點(diǎn)；同樣，若12,14，15號(hào)測(cè)試樁處管段為雜散電流的流出點(diǎn)，則上下游兩端管段則為雜散電流的流入點(diǎn)，具體的雜散電流流入流出示意圖如圖9所示。

圖9 管道流入流出雜散電流示意Fig. 9 The inflow and outflow of stray current in the pipeline

為了研究距離地鐵較近區(qū)段是否有更高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)試了15號(hào)測(cè)試樁上游部分管段通電電位，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表3，其中偏移基準(zhǔn)線是在夜間(1∶00-5∶00)無(wú)地鐵干擾下測(cè)得的電位平均值。由表3可見(jiàn)：針對(duì)上游管段，距離地鐵較近的區(qū)域(12，14號(hào)測(cè)試樁處)的正向偏移時(shí)間比例大于遠(yuǎn)離地鐵區(qū)域(4，5，8號(hào)測(cè)試樁處)的，且隨著距離減小，偏移的時(shí)間比例逐漸增加，正向偏移的平均值也逐漸正移。這表明距離地鐵站較近的區(qū)域，雜散電流引起的電位正向偏移量大，正向偏移累計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，其腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大于遠(yuǎn)離地鐵區(qū)域的。

表3 15號(hào)測(cè)試樁上游部分管道的通電電位測(cè)量結(jié)果Tab. 3 On potential measurement results of the upstream part of the test pile No. 15

3 結(jié)論

(1) 地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流干擾參數(shù)具有與地鐵運(yùn)行時(shí)間相對(duì)應(yīng)的典型時(shí)間特征，具體表現(xiàn)為在夜間至凌晨地鐵停運(yùn)的時(shí)間段，管道通電電位基本無(wú)波動(dòng)，而在日間地鐵運(yùn)行時(shí)間段管道通電電位波動(dòng)劇烈，同時(shí)波動(dòng)周期與地鐵發(fā)車(chē)頻次有一定相關(guān)性。

(2) 地鐵雜散電流干擾的強(qiáng)度隨著管道至地鐵線路相對(duì)距離的減小而增大，距離地鐵站較近的管段具有更高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 當(dāng)閥室接地與管道存在搭接或短接時(shí)，附近的管地電位波動(dòng)幅度明顯減小，與管道短接的接地充當(dāng)了排流地床，降低了受干擾管道的干擾幅度，但同時(shí)因?yàn)殛幈ｋ娏髁魇?，也?huì)使該處管地電位整體正向偏移。

(4) 受地鐵雜散電流干擾的管道不同位置之間互為流入、流出位置，同一位置雜散電流的流入、流出特性隨時(shí)間變化。