焦建瑛,劉 瑤,陳濤濤,邢琳琳,朱祥劍,杜艷霞,霍 鐸

(1. 北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，北京 100083； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

城市埋地管網(wǎng)和地鐵交通網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，目前在多地埋地管網(wǎng)上檢測(cè)到了地鐵動(dòng)態(tài)雜散電流干擾[1-5]，近幾年，國內(nèi)圍繞地鐵雜散電流干擾開展的工作表明，地鐵雜散電流是造成埋地燃?xì)夤艿栏g穿孔泄漏的重要隱患[6-13]。如何評(píng)估地鐵雜散電流干擾風(fēng)險(xiǎn)，并采取有效防護(hù)措施成為實(shí)際生產(chǎn)的迫切需求。GREENBERGER[14]利用簡單模型模擬計(jì)算雜散電流對(duì)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，在不同泄漏電流條件下，計(jì)算管道與變電站不同間距的腐蝕電流密度(對(duì)應(yīng)腐蝕年限)和影響范圍，從而為管道設(shè)計(jì)提供參考。趙晉云等[15]通過新大線管道雜散電流干擾緩解的案例，提出增加陰極保護(hù)裝置和極性接地排流來抑制雜散電流干擾，排流效果顯著，但不能完全消除干擾。楊永等[16]通過埋設(shè)鎂犧牲陽極進(jìn)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(jìn)行極性接地排流，使得管道附近的土壤電位梯度顯著降低，管地電位波動(dòng)也大幅減小，從而降低了雜散電流對(duì)管道的影響。

目前國內(nèi)外關(guān)于地鐵雜散電流干擾評(píng)估與防護(hù)的報(bào)道主要集中在理論設(shè)計(jì)與緩解措施的應(yīng)用，關(guān)于如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案并沒有清晰的闡述。本工作介紹了北京燃?xì)饽扯问艿罔F雜散電流干擾高壓管道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，并開展了詳細(xì)的干擾防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了防護(hù)方法、排流地床位置等因素對(duì)排流效果的影響，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，確定了該段管道的地鐵雜散電流防護(hù)方案，以期為燃?xì)夤艿赖罔F雜散電流防護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供參考。

1 地鐵雜散電流的干擾情況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)干擾測(cè)試

由圖1可見：監(jiān)測(cè)地點(diǎn)為燃?xì)夤芏伪倍伺c地鐵房山線交叉及并行段，此管段建設(shè)于2012年，長度約為7 km，管徑DN1000，管道外防腐蝕層均為3層PE，沿線共有1，2，3，4，5，6，7號(hào)等7個(gè)陰保測(cè)試樁。

圖1 某燃?xì)夤芏闻c地鐵房山線的相對(duì)位置圖Fig. 1 Relative position map of a gas pipe section and the subway Fangshan line

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》規(guī)定的埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法，測(cè)試了此管段的管道通電電位(采用銅/硫酸銅參比電極，CSE)，并采集了與管道同樣材質(zhì)、裸露面積為6.5 cm2的片狀試樣的斷電電位。如圖2所示，沿線管道通斷電電位均呈周期性波動(dòng)，并在地鐵運(yùn)行時(shí)段波動(dòng)嚴(yán)重、停運(yùn)階段較為穩(wěn)定，屬于典型的地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾特征。

如表1所示，管道通斷電電位都呈現(xiàn)從南側(cè)向北側(cè)波動(dòng)幅值越來越大的規(guī)律，最北側(cè)管道與地鐵房山線交叉位置,通電電位波動(dòng)幅度達(dá)到2.09 V，受雜散電流干擾較為嚴(yán)重。

表1 動(dòng)態(tài)直流干擾下管道的通電電位和斷電電位Tab. 1 On potentials and off potentials of pipeline with dynamic DC interference V

1.2 干擾評(píng)估

關(guān)于直流雜散電流干擾下的管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，國標(biāo)GB/T 21448-2017及GB 50991-2014均側(cè)重對(duì)陰極保護(hù)和穩(wěn)態(tài)直流干擾的評(píng)估，缺乏有關(guān)動(dòng)態(tài)直流干擾的評(píng)判準(zhǔn)則。而國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS2832.1-2015考慮了動(dòng)態(tài)雜散電流干擾，對(duì)地鐵雜散電流干擾下陰極保護(hù)管線的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行如下規(guī)定，對(duì)于短時(shí)間極化的、防腐蝕層性能良好的或已證實(shí)對(duì)雜散電流的響應(yīng)為快速極化和去極化的構(gòu)筑物，應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的5%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+50 mV(鋼鐵構(gòu)筑物電位為-800 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的2%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+100 mV(鋼鐵構(gòu)筑物電位為-750 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的1%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+850 mV(鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的0.2%。

(a) 2號(hào) (b) 3號(hào)

(c) 2號(hào) (d) 3號(hào)圖2 地鐵雜散電流干擾下,不同測(cè)試樁處測(cè)得的通電、斷電電位Fig. 2 On potentials and off potentials measured at different test piles under the interferebce of subway stray current

本工作中管道的防腐蝕層為3層PE，屬于短時(shí)間極化構(gòu)筑物，因此參照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)要求，統(tǒng)計(jì)了燃?xì)夤艿姥鼐€測(cè)試樁處斷電電位比保護(hù)準(zhǔn)則更正時(shí)間占總測(cè)試時(shí)間的比例，如表2所示。由表2可見，此段管道極化電位正于保護(hù)電位的時(shí)間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，說明此段管道受到動(dòng)態(tài)直流干擾嚴(yán)重，故要進(jìn)行動(dòng)態(tài)直流防護(hù)。

表2 管道動(dòng)態(tài)直流干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Tab. 2 Risk assessment of pipeline dynamic DC interference %

2 地鐵雜散電流干擾防護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了獲得該段管道的地鐵雜散電流防護(hù)方案，在現(xiàn)場(chǎng)開展了防護(hù)試驗(yàn)，主要考察了防護(hù)方法和排流地床位置兩個(gè)因素對(duì)排流效果的影響。

2.1 犧牲陽極現(xiàn)場(chǎng)排流

如圖3所示，距離管線2 m，距離6號(hào)測(cè)試樁約100 m處，臨時(shí)埋設(shè)2支鎂合金犧牲陽極，同時(shí)在犧牲陽極埋設(shè)處、6號(hào)測(cè)試樁處的管道正上方埋設(shè)極化試片，模擬管道的防腐蝕層漏點(diǎn)，用來測(cè)試排流效果。

圖3 犧牲陽極埋設(shè)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of sacrificial anode installation

由圖4可知，新增犧牲陽極對(duì)犧牲陽極地床附近管道的雜散電流干擾有一定的緩解效果，斷電電位降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保護(hù)電位(-0.85 V)以下，但在6號(hào)測(cè)試樁附近管道通斷電電位沒有降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。由此推斷，兩支鎂合金犧牲陽極排流地床的有效保護(hù)范圍在100 m內(nèi)，若應(yīng)用鎂合金犧牲陽極保護(hù)7 km長的管道，需要埋設(shè)大量犧牲陽極，同時(shí)犧牲陽極服役壽命有限，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與現(xiàn)場(chǎng)施工條件，不推薦使用犧牲陽極防護(hù)方案。

(a) 陽極地床處 (b) 6號(hào)測(cè)試樁處圖4 犧牲陽極地床連接前后管道通斷電電位測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Test results of on and off potentials of pipeline before and after the connection of sacrificial anodes

2.2 強(qiáng)制排流

如圖5所示，根據(jù)干擾水平和現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)條件，分別在管段兩端的1號(hào)、6號(hào)測(cè)試樁處埋設(shè)臨時(shí)排流陽極地床和參比電極，采用直流電源進(jìn)行強(qiáng)制排流饋電試驗(yàn)。6號(hào)測(cè)試樁處陽極地床距離管道約100 m，1號(hào)測(cè)試樁處陽極地床距離管道約200 m；同時(shí)在沿線測(cè)試樁處安裝數(shù)據(jù)記錄儀，測(cè)試干擾緩解前后的通斷電電位。

圖5 臨時(shí)陽極地床埋設(shè)位置Fig. 5 Temporary anode bed burying position

2.2.1 1號(hào)測(cè)試樁處強(qiáng)制排流

由圖6可見，隨著饋入電流的增大，管道的斷電電位下降明顯，其中在饋入4 A電流后，1,2,3號(hào)測(cè)試樁處管道的斷電電位降至-0.85 V以下，排流效果明顯；距排流地床越遠(yuǎn)，管道斷電電位越下降越不明顯，5，6，7號(hào)測(cè)試樁處部分管道斷電電位沒有達(dá)到保護(hù)電位，排流效果逐漸變差。

由圖7可見：只有1，2，3號(hào)測(cè)試樁處的通、斷電電位明顯改善，而其他區(qū)域的緩解效果較差，有效保護(hù)范圍約3 km。

2.2.2 6號(hào)測(cè)試樁處強(qiáng)制排流

由圖8可見,隨著饋入電流的增大，管道的斷電電位下降明顯；饋入相同電流時(shí)，隨著與排流地床距離的增大，管道斷電電位下降來越不明顯，在距離6號(hào)測(cè)試樁6 km的另一端1號(hào)測(cè)試樁處測(cè)得斷電電位完全達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求(-0.85 V以下)。

(a) 1號(hào) (b) 2號(hào) (c) 3號(hào)

(d) 5號(hào) (e) 6號(hào) (f) 7號(hào)圖6 1號(hào)測(cè)試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測(cè)試樁的通斷電電位Fig. 6 On and off potentials at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 test pile

圖7 1號(hào)測(cè)試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測(cè)試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 7 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 test pile

由圖9可見，1號(hào)測(cè)試樁處未見明顯的改善效果外，沿線電位均有所改善，其中5號(hào)測(cè)試樁的改善效果比另兩側(cè)要差，由于同一條管線各測(cè)試點(diǎn)之間是電連接的，所以推斷5號(hào)測(cè)試樁處改善效果較差的原因可能是埋設(shè)的試片與土壤的接觸性能差導(dǎo)致的極化較差。

(a) 1號(hào) (b) 2號(hào) (c) 3號(hào)

(d) 5號(hào) (e) 6號(hào) (f) 7號(hào)圖8 6號(hào)測(cè)試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測(cè)試樁的通斷電電位Fig. 8 On and off potentials at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 6 test pile

圖9 6號(hào)測(cè)試樁處強(qiáng)制排流后管道沿線測(cè)試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 9 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 6 test pile

由以上試驗(yàn)結(jié)果可見，分別在1和6號(hào)測(cè)試樁處饋電，均出現(xiàn)靠近饋電點(diǎn)一側(cè)的管道電位達(dá)到饋電效果，而遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)一側(cè)的改善效果較差，說明僅通過單側(cè)排流地床難以將整個(gè)管道的雜散電流減排到理想的效果，需要考慮在兩側(cè)同時(shí)饋入電流進(jìn)行防護(hù)。

2.2.3 1號(hào)和6號(hào)測(cè)試樁處同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制排流

為了解決單側(cè)饋電不能滿足讓遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)一側(cè)電位達(dá)到改善效果的問題，在1號(hào)和6號(hào)測(cè)試樁處同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制排流試驗(yàn)，如下圖10所示，同時(shí)在1號(hào)和6號(hào)測(cè)試樁處饋入2 A電流，兩側(cè)管道的斷電電位均下降明顯，有效解決了單側(cè)饋電效果不佳的問題，但若要滿足澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)要求，兩側(cè)饋入電流要大于2 A。

3 排流方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)該管段設(shè)計(jì)了如下地鐵雜散電流的防護(hù)方案：

(1) 由于犧牲陽極排流方式保護(hù)距離和排流量有限，考慮到經(jīng)濟(jì)效益與現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選擇強(qiáng)制排流方案；

(2) 由于現(xiàn)場(chǎng)無交流市電，管道沿線南、北兩側(cè)的閥室內(nèi)有太陽能發(fā)電系統(tǒng)，故強(qiáng)制排流電源采用太陽能發(fā)電的直流電源，管段南、北兩側(cè)各需要1套電源系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排流試驗(yàn)結(jié)果，選擇額定功率為24 V/10 A(直流供電)恒電位控制的強(qiáng)制排流電源，也可以根據(jù)實(shí)際陽極地床安裝之后的接地電阻情況最終確定。

(a) 1號(hào)測(cè)試樁 (b) 6號(hào)測(cè)試樁圖10 1號(hào)和6號(hào)測(cè)試樁處同時(shí)強(qiáng)制排流后管道沿線測(cè)試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 10 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 and No. 6 test piles

(3) 分別在1號(hào)和6號(hào)測(cè)試樁附近安裝兩處淺埋排流地床，地床埋深大于1.5 m，排流地床距離管道盡量大于50 m，每處地床包含30支含鉻高硅鑄鐵陽極(φ75 mm×1 500 mm)，陽極中心間距3 m。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)某段燃?xì)夤艿赖罔F雜散電流干擾問題開展了沿線測(cè)試樁的24 h通斷電電位測(cè)試，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)干擾程度進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明：此段管道受到動(dòng)態(tài)直流干擾，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)直流干擾防護(hù)。

(2) 在現(xiàn)場(chǎng)開展了防護(hù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：犧牲陽極排流效果差，緩解距離短，不適合較長距離的管道保護(hù)；單側(cè)強(qiáng)制排流試驗(yàn)均出現(xiàn)靠近饋電點(diǎn)一側(cè)的管道電位達(dá)到饋電效果，但遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)一側(cè)的管道改善效果較差的現(xiàn)象；在兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制排流，能有效解決單側(cè)饋電效果不佳的問題；對(duì)此段管道保護(hù)需要兩側(cè)同時(shí)饋入3～4 A電流。

(3) 基于現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)試驗(yàn)，確定了受地鐵雜散電流干擾燃?xì)夤芏蔚母蓴_防護(hù)方案，明確了強(qiáng)制排流的防護(hù)類型，確定了兩側(cè)同時(shí)饋電的排流方式，以及排流器的選型和排流地床的埋設(shè)方式。