(1. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083； 2. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

近年來，我國很多城市都已開通并擴建地鐵，地鐵給人們出行帶來巨大的便利。但由于地鐵運行軌道為其牽引供電回路的一部分，鐵軌與大地又不能做到完全絕緣，導致電流不可避免地流入大地形成雜散電流，對埋地金屬管道造成動態(tài)干擾[1-8]。

國內外關于埋地管道受雜散電流干擾方面的報道很多。 ROGELIO等[9]介紹了管道系統與芝加哥交通管理局(CTA)鐵路系統的聯合測試案例，對一條輸水管道進行管軌電位和管地電位的同步監(jiān)測，分析獲得受雜散電流干擾最大點的位置；陳志光等[10]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, 并借助軌道交通部門的測試電極進行了聯合測試，結果表明所測區(qū)域內燃氣管道受到嚴重的雜散電流干擾，且雜散電流變化與軌道交通運行具有直接關系?，F場檢測結果證實了管地電位波動受到地鐵雜散電流的干擾，但對于干擾引起的腐蝕風險缺乏有效統一的評判。為解決這一問題，部分學者進行了模擬試驗，其中大部分試驗設計采用的是恒流輸出模式，且只考慮了單個方向電流(流入或流出)的影響。QIAN等[11]研究了X52管線鋼分別在電流流出區(qū)(陽極)和電流流入區(qū)(陰極)不同電流密度下電位和pH的變化，結果表明雜散電流會加速管道腐蝕和降低陰極保護的作用。王力偉等[12]研究了雜散電流密度、土壤電導率和土壤酸堿度對Q235管線鋼腐蝕的影響，并重點研究了腐蝕形貌的分形特征及腐蝕速率與分形維數的相互關系。也有少部分研究者考慮了地鐵雜散電流干擾的動態(tài)特征，分別利用正向脈沖或低頻正旋波干擾進行了試驗設計，但試驗參數的設置并不統一。王新華等[13]通過在實驗室搭建動態(tài)雜散電流加速腐蝕試驗平臺，采用信號發(fā)生器和功率放大器模擬地鐵雜散電流，對不同脈沖電壓(1.0～4.0 V，七水平)干擾下管道涂層破損處電流和管地電位變化規(guī)律進行了研究，同時研究了不同干擾頻率(5.0～30.0 Hz，六水平)下雜散電流對腐蝕速率的影響；張玉星等[14]根據地鐵雜散電流干擾特點設計了模擬試驗裝置，對不同脈沖電壓(0.5～10 V)干擾下金屬腐蝕速率進行了研究，同時考慮了一定周期(300～2 000 s)內雜散電流作用時間對腐蝕的影響，初步得出動態(tài)直流雜散電流對管道的腐蝕規(guī)律。

地鐵雜散電流干擾具有動態(tài)波動性，但對于地鐵雜散電流的動態(tài)特征目前還缺乏細致深入的研究；同時模擬地鐵雜散電流干擾的試驗較少，且動態(tài)干擾參數設置并不統一。因此，研究地鐵雜散電流引起的埋地管道管地電位動態(tài)波動規(guī)律，對于了解地鐵雜散電流對管道干擾的具體形式和建立雜散電流模擬試驗有著重要的指導意義。本工作對北京、上海、深圳、無錫等4個城市監(jiān)測的受地鐵雜散電流干擾的埋地管道的電位數據進行分析，總結出地鐵雜散電流干擾下管道電位的波動特征，并對不同城市的管地電位波動進行了對比，對由地鐵雜散電流引起的管地電位的波動規(guī)律進行了探究。

1 研究方法

根據GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》[15]規(guī)定的埋地管道管地電位測量方法，采用Cortalk-UDL Data Logger電位數據記錄儀對北京、上海、深圳、無錫等4個城市埋地管道的管地電位進行24 h監(jiān)測，共獲得151組數據。

在這151組數據基礎上，利用數學手段對地鐵雜散電流干擾下管地電位波形、周期大小、不同周期的時間分布、通/斷電電位波動差異進行了分析，獲得了不同城市管地電位波動周期分布頻數直方圖和周期的分布比率，并對不同城市地鐵動態(tài)直流干擾下管地電位波動范圍進行了對比分析，同時分析了管地通電電位與斷電電位波動的異同。

2 結果與討論

2.1 地鐵雜散電流對管地通電電位的干擾

2.1.1 地鐵雜散電流干擾引起的管地電位整體波動形式

在北京、上海、深圳、無錫監(jiān)測的地鐵雜散電流干擾下埋地管道管地通電電位波動數據，如圖1所示。結果表明：在地鐵運行時段，管地通電電位波動劇烈，在夜間停運階段，該電位恢復到較為平穩(wěn)的狀態(tài)。這種管地通電電位隨地鐵運營狀態(tài)而變化的特征是各個城市地鐵雜散電流干擾區(qū)測得的典型特征。

2.1.2 地鐵雜散電流干擾引起的管地電位瞬時波動形式

將具體的管地通電電位數據展開，發(fā)現由地鐵雜散電流干擾引起的管地通電電位呈現著周期性的波動，如圖2(a)所示，將前三個周期放大，結果如圖2(b)所示。結果表明：大周期由許多小的波峰組成，相對于大周期這些小波峰對管地通電電位波動的影響較弱，但是小波峰組合成的整體，呈現出上升、下降或者平穩(wěn)波動，能分別反映出地鐵雜散電流引起的管地通電電位的上升、下降和在峰值時的平穩(wěn)波動。將這些小波峰分別稱為升降式波峰和平臺式波峰，而由其組合成的大波峰可看作是一個完整的地鐵雜散電流引起的電位變化周期。大周期的存在可能與地鐵的運行間隔有關，小波峰可能與地鐵供電系統引起的雜散電流的穩(wěn)定性有關。

電位數據在整個大周期的上下峰值時比較密集，呈現出三角波峰形式，取大周期兩側最低點的數據和其中平臺式周期的最高點數據，統計周期的時間分布和波動范圍。

2.2 管地通電電位波動周期分析

將在北京、上海、深圳、無錫4個城市監(jiān)測到的受地鐵雜散電流干擾點管地通電電位波動周期統計信息進行系統整理，為確定管地通電電位波動周期的分布情況，從不同波動周期的時間占比和不同波動周期范圍的頻數分布兩方面出發(fā)，對同一城市管地通電電位波動周期分布情況和不同城市管地通電電位波動周期分布進行對比。

(a) 北京 (b) 上海

(c) 深圳 (d) 無錫圖1 不同城市地鐵雜散電流干擾下管道管地通電電位Fig. 1 Switch-on pipe-to-soil potentials of pipeline under disturbance of stray current from subway in different cities: (a) Beijing; (b) Shanghai; (c) Shenzhen; (d) Wuxi

(a) 電位展開 (b) 前3個周期圖2 管地通電電位的展開及其前3個周期Fig. 2 Enlargement of the switch-on pipe-to-soil potentials (a) and their top three cycles (b)

2.2.1 同一城市管地通電電位波動周期分布對比

以相鄰50 s時長范圍內的波動周期為一個組，對管地通電電位波動周期進行分組，并分別計算了同一組內所有周期的總時長占總統計時間的比例。為直觀表現每個城市不同檢測點各波動周期的占比及整體的比例趨勢，將各城市受干擾檢測點的管地通電電位波動周期比例繪制成雷達圖。同時為更進一步了解各城市受干擾檢測點的管地通電電位波動周期的分布，將同一城市各檢測點統計的所有波動周期匯總在一起，制成按波動周期分類的頻數直方圖。

圖3顯示了北京地區(qū)地鐵雜散電流干擾區(qū)內各管道監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布。由圖3可見：北京不同監(jiān)測點管地通電電位波動周期的分布基本一致，各監(jiān)測點時長在0～50 s范圍內的周期占比集中在0%～10%，時長在50～100 s范圍內的周期占比集中在30%～50%，時長在100～150 s范圍內的周期占比集中在40%～50%，時長在150～200 s范圍內的周期占比集中在0～20%，這說明各監(jiān)測點的管地電位在地鐵工作時段的波動周期分布比例基本一致且以時長50～150 s的周期為主。從圖4中可以看出：北京地鐵雜散電流引起的管地通電電位波動周期主要集中于31～150 s，其中時長為51～70 s的周期最多，時長為111～130 s的周期次之。綜合考慮時長占比與頻數的關系可知，北京地區(qū)管地通電電位波動周期多為51～70 s與111～130 s,且占總時間的比例最大。

圖3 北京地區(qū)各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布Fig. 3 Fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials of monitoring points in Beijing

圖5顯示了上海地區(qū)地鐵雜散電流干擾區(qū)內的各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布。由圖5可見：上海不同監(jiān)測點的管地通電電位波動周期分布也基本一致，各監(jiān)測點時長在0～50 s范圍內的周期占比集中在0%～20%，時長在50～100 s范圍內的周期占比集中在30%～60%，時長在100～150 s范圍內的周期占比集中在30%～60%，時長在150～200 s范圍內的周期占比集中在0～20%，這說明在地鐵工作時段各監(jiān)測點的管地通電電位波動周期分布比例基本一致且以時長為50～150 s的周期為主。從圖6這可以看出，上海地鐵雜散電流引起的管地通電電位波動周期主要集中于36～140 s，分布相對均勻，其中時長為51～65 s的周期最多，時長為96～140 s的周期分布均勻。綜合考慮時長占比與頻數的關系，認為上海管地通電電位波動周期多為51～65 s與96～140 s，且占總時間的比例最大。

圖4 北京地區(qū)管地通電電位波動周期分布頻數直方圖Fig. 4 Frequency histogram of fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials in Beijing

圖5 上海地區(qū)各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布Fig. 5 Fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials of monitoring points in Shanghai

圖7顯示了深圳地區(qū)雜散電流干擾區(qū)內各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布。由圖7可見，深圳不同監(jiān)測點的管地通電電位波動周期比例分布也基本一致，各監(jiān)測點時長在0～50 s范圍內的周期占比集中在0%～10%，時長在50～100s與150～200 s范圍內的周期占比均在10%～30%，時長在100～150 s范圍內的周期占比集中在40%～60%，時長在200～250 s范圍內的周期占比集中在0～10%。這說明在地鐵工作時段，各檢測點的管地通電電位波動周期分布比例基本一致且以時長為50～200 s的周期為主。從圖8中可以看出，深圳地鐵雜散電流引起的管地通電電位波動周期主要集中于41～180 s，呈正態(tài)分布，其中時長為101～120 s的周期最多，兩側的周期個數基本相當。綜合考慮時長占比與頻數的關系，認為深圳管地電位波動周期多為101～120 s，且占總時間的比例最大。

圖6 上海地區(qū)管地通電電位波動周期分布頻數直方圖Fig. 6 Frequency histogram of fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials in Shanghai

圖7 深圳地區(qū)各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布Fig. 7 Fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials of monitoring points in Shenzhen

圖9顯示了無錫地區(qū)雜散電流干擾區(qū)內各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布。由圖9可見，無錫各檢測點的管地通電電位波動周期比例分布基本一致，各監(jiān)測點時長在0～50 s范圍內的周期占比集中在0%～10%，時長在50～100 s范圍內的周期占比集中在20%～40%，時長在100～150 s范圍內的周期占比集中在40%～60%，時長在150～200 s范圍內的周期占比集中在0～20%，時長在200～250s范圍內周期占比集中在0～20%。這說明在地鐵工作時段，各監(jiān)測點管地通電電位的波動周期分布比例基本一致，且以時長為50～150 s的周期為主。從圖10中可以看出，無錫地鐵雜散電流引起的管地電位波動周期主要集中于46～150 s，其中時長為91～135 s的周期最多，且分布較均勻，其次是時長為46～60 s的周期。綜合考慮時長占比與頻數的關系，認為無錫管地電位波動周期多為91～135 s，且占總時間的比例最大，其次是時長為46～60 s。

圖8 深圳地區(qū)管地通電電位波動周期分布頻數直方圖Fig. 8 Frequency histogram of fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials in Shenzhen

圖9 無錫地區(qū)各監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布Fig. 9 Fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials of monitoring points in Wuxi

圖10 無錫地區(qū)管地通電電位波動周期分布頻數直方圖Fig. 10 Frequency histogram of fluctuation period distribution of pipe-to-soil swtich-on potentials in Wuxi

2.2.2 不同城市管地通電電位波動周期分布對比

上述分析結果說明同一個城市不同監(jiān)測點間周期時長分布規(guī)律相似，故將同一個城市各個監(jiān)測點監(jiān)測到的周期數據匯總在一起，進行每個城市的總數據周期占比統計，結果如圖11所示。

從圖11中可以看出，受地鐵雜散電流干擾的管地通電電位波動周期時長在0～300 s的范圍，雖然各城市不同時長的周期占比略有差異，但各城市時長為50～200 s的周期占總統計時間的比例均超過80%，并且各城市時長為50～100 s與100～150 s的周期占總統計時間的比例均很大。這說明在地鐵運行時間段，管地通電電位多以時長為50～200 s的周期波動，其中以50～100 s與100～150 s時長的周期為主，這可能與地鐵的發(fā)車間隔有關。

(a) 北京 (b) 上海 (c) 深圳 (d) 無錫圖11 不同城市管地通電電位各波動周期的占比Fig. 11 Proportions of cycle durations in different cities

2.3 管地通電電位波動范圍分析

對北京、上海、深圳、無錫測得的管地通電電位波動范圍進行統計，對比分析各地由地鐵雜散電流引起的管地通電電位波動范圍的特點。

2.3.1 各城市的通電電位最大波動范圍統計

為了解管地通電電位的波動幅度，統計了北京、上海、深圳、無錫各管道監(jiān)測點數據的通電電位的最大值、最小值與平均值，結果如圖12～15所示。

圖12 北京部分監(jiān)測點管地通電電位波動范圍統計Fig. 12 Statistics of switch-on pipe-to-soil potential fluctuation range of some monitoring points in Beijing

圖13 上海部分監(jiān)測點管地通電電位波動范圍統計Fig. 13 Statistics of switch-on pipe-to-soil potential fluctuation range of some monitoring points in Shanghai

圖14 深圳部分監(jiān)測點管地通電電位波動范圍統計Fig. 14 Statistics of switch-on pipe-to-soil potential fluctuation range of some monitoring points in Shenzhen

圖15 無錫部分監(jiān)測點管地通電電位波動范圍統計Fig. 15 Statistics of switch-on pipe-to-soil potential fluctuation range of some monitoring points in Wuxi

由圖12和圖13的統計數據可知，北京和上海部分監(jiān)測點管地通電電位均在-5～2 V范圍波動，最大波動幅度達到7 V。由圖14的統計數據可知，深圳部分監(jiān)測點管地通電電位在-20～20 V的范圍波動，最大波動幅度達到40 V。由圖15的統計數據可知，無錫部分監(jiān)測點管地通電電位在-4～2 V范圍波動，最大波動幅度達到6 V。

2.3.2 各城市管地通電電位主要波動范圍對比

為進一步比較各地地鐵雜散電流引起的管地通電電位波動情況，將各城市不同監(jiān)測點管地通電電位波動的最大值和最小值進行匯總分析，查找出其電位波動的主要分布范圍，如表1所示。

表1 各城市管地通電電位主要波動范圍Tab. 1 Main fluctuation ranges of pipe-to-soil swtich-on potential in different cities

對比各城市管地通電電位的主要波動范圍可以看出：管地通電電位主要波動范圍大小排序為北京<上海<無錫<深圳；北京、上海、無錫等地管地通電電位主要波動范圍相對較小，差距不大，深圳電位波動較大，集中在-13～7 V。造成這種差異的原因有多種，如各城市地鐵供電系統本身的穩(wěn)定性、鐵軌電導率、軌道與大地連接材料和結構的選擇以及絕緣性能、供電站的間距、土壤電阻率、埋地管道接地電阻、地鐵線路與管道的相對位置等[16-17]。

2.4 管地通電電位與斷電電位波動對比

前期還用試片法監(jiān)測了各城市管道的斷電電位，下面將從波動周期與波動幅度兩方面對比分析了斷電電位與通電電位的波動差異。

2.4.1 波動周期對比

經過數據比對發(fā)現，各地的管地通電電位與斷電電位的波動周期相一致。此處僅以北京為例。圖16顯示了北京某管道任意一段時間的管地通/斷電電位的局部放大圖。從圖16中可以看出，管地通電電位和斷電電位的波動幅度雖然存在差異，但是波動的周期一致。這與土壤的IR降有關[18-20]，斷電電位只是通過改變了電位波動的范圍大小消除IR降，并未從根本上改變引起電位波動的干擾源。

圖16 北京某管道監(jiān)測點管地通/斷電電位局部圖Fig. 16 Partral diagram of pipe-to-soil switch-on/off potentials at a monitoring point in Beijing

2.4.2 波動范圍對比

對北京、上海、深圳和無錫4個城市的管地斷電電位波動范圍進行了統計，結果如表2所示。結果表明：各城市管地斷電電位均在-1.3～-0.5 V范圍內波動，其波動范圍遠小于通電電位的。其中，深圳地區(qū)的管地斷電電位波動范圍-1.3～-0.6 V，并未因其通電電位的波動范圍較大(-13～+7 V)而與其他城市的管地斷電電位拉開差距?？梢钥闯?，管地通電電位的波動對斷電電位存在影響，但影響較小，管地斷電電位并不會因通電電位的波動而變得劇烈波動。

表2 各城市管地斷電電位波動范圍Tab. 2 Pipe-to-soil switch-off potential fluctuation range in different cities

3 結論

(1) 對北京、上海、深圳、無錫4城市受地鐵雜散電流干擾的管道進行了24 h管地通電電位監(jiān)測，發(fā)現在地鐵運行時段各地管地通電電位波動劇烈，在夜間停運時段管地通電電位恢復到較為平穩(wěn)狀態(tài)。同時發(fā)現管地通電電位存在波動變化周期，其波動周期由眾多小波峰組成，這些小波峰能反映出地鐵雜散電流引起的管地通電電位上升、下降和在峰值時的平穩(wěn)波動。

(2) 對各城市不同監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布分析。發(fā)現同一城市內不同監(jiān)測點管地通電電位波動周期分布比例基本相同，不同城市的分布比例相差不大，各城市受地鐵雜散電流干擾引起的管地通電電位波動周期為0～300 s；在地鐵運行時間段，管地通電電位以50～200 s時長發(fā)生周期性波動，其中時長為50～100 s與100～150 s的周期最多。但由于各地環(huán)境與地鐵運營存在差異，各地占總時間比例較大的周期及其具體的占比略有不同，如北京占總時間比例較大的周期集中在51～70 s與111～130 s，上海集中在51～65 s與96～140 s，深圳集中在101～120 s，無錫集中在91～135 s。

(3) 對各城市管地通電電位波動范圍進行統計。發(fā)現各地的通電電位波動范圍不同，受干擾程度也不同。北京、上海的管地通電電位最大波動范圍為-5～2 V，最大波動幅度達到7 V；深圳管地通電電位最大波動范圍為-20～20 V，最大波動幅度達到40 V；無錫管道管地通電電位最大波動范圍為-4～2 V，最大波動幅度達到6 V。各城市管地通電電位的主要波動范圍順序為深圳>無錫>上海>北京，其中北京、上海、無錫等地管地通電電位的主要波動范圍差距不大，均不超過-4.5～2.5 V范圍，深圳通電電位的主要波動范圍較大，集中在-13～7 V。

(4) 對管地斷電電位與通電電位進行對比分析。發(fā)現各城市的管地通電電位與斷電電位的波動周期相一致，管地通電電位的波動對斷電電位存在影響，但影響較小，管地斷電電位并不會因通電電位的波動而劇烈波動。