湯彬坤，馮 陽(yáng)，黃浩平，包黃莉，吳 濤，曾小康，鐘劍鋒，伏喜斌，黃學(xué)斌，鐘舜聰

（1.廈門(mén)華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，福建廈門(mén) 361000；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108；3.廈門(mén)市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建廈門(mén) 361000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多城市都鋪設(shè)完整的埋地管道系統(tǒng)并建立軌道交通設(shè)施。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是保障人們生活的基礎(chǔ)設(shè)施[1]，而地鐵具有綠色、安全、載客量大、速度快等優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展地鐵交通能夠滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，是城市人民出行的首選交通工具[2]。

目前我國(guó)大部分沿海城市地鐵線路已建設(shè)成熟，廈門(mén)市作為最早的經(jīng)濟(jì)特區(qū)之一，地鐵規(guī)劃也在逐步完善，其第一條地鐵于2018 年正式開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。地鐵開(kāi)始運(yùn)營(yíng)的同時(shí)相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)靠近地鐵的埋地管道出現(xiàn)大范圍腐蝕。起初工作人員認(rèn)為腐蝕原因是該區(qū)域土壤混合物較多，然而經(jīng)過(guò)調(diào)查，最主要的腐蝕原因來(lái)自于地鐵牽引電流泄漏產(chǎn)生的雜散電流對(duì)管道金屬表面造成的電化學(xué)腐蝕[3-6]。地鐵雜散電流對(duì)埋地管道危害極大。據(jù)報(bào)道，北京、上海等城市和美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的埋地管道都飽受雜散電流干擾，且雜散電流的主要干擾源為地鐵[7-14]。

國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者為了解決雜散電流帶來(lái)的干擾問(wèn)題，進(jìn)行了大量研究工作。趙書(shū)華等全面研究了現(xiàn)有直流雜散電流干擾防護(hù)方法，對(duì)不同形式雜散電流對(duì)管道的干擾情況進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。封瓊等對(duì)直流雜散電流產(chǎn)生的干擾影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)綜合防腐層防護(hù)、雜散電流排流網(wǎng)、犧牲陽(yáng)極保護(hù)等措施來(lái)探究管道雜散電流防護(hù)方案[16]。李亞寧等對(duì)蘭州市地鐵一號(hào)線附近的土壤等環(huán)境進(jìn)行研究，通過(guò)改變土壤、鋪設(shè)排流網(wǎng)等因素，研究不同條件下雜散電流在土壤的分布情況[17]。C.Charalambous等建立電阻率模型，探究了土壤電阻率與雜散電流泄漏嚴(yán)重程度的關(guān)系[18]。K.Darowicki 等提出了一種基于短時(shí)傅里葉變換的檢測(cè)地下金屬結(jié)構(gòu)雜散電流場(chǎng)干擾的方法。結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確地識(shí)別雜散電流源，并確定它是否與地下金屬結(jié)構(gòu)相互作用[19]。

廈門(mén)市土壤潮濕肥沃，腐蝕性強(qiáng)，且雜散電流的影響程度、管道的材質(zhì)規(guī)格、外防腐層、陰極保護(hù)措施、施工質(zhì)量等均有別于其他城市，因此應(yīng)針對(duì)沿海城市制定特定的雜散電流保護(hù)措施。對(duì)廈門(mén)市的管地電位和土壤電阻率進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合廈門(mén)市管道和地鐵的實(shí)際工況，對(duì)廈門(mén)市存在雜散電流對(duì)管道的干擾問(wèn)題提出對(duì)應(yīng)的解決方案。該方案能夠有效保護(hù)管道免受雜散電流的干擾，并為其他城市管道雜散電流的解決提供思路，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 廈門(mén)市雜散電流防護(hù)現(xiàn)狀

廈門(mén)市地鐵1 號(hào)線共有12 個(gè)牽引變電所和24 個(gè)車站，牽引電流最高可達(dá)3000 A，因此可以看作有12 個(gè)直流電干擾源。地鐵變電所之間距離較長(zhǎng)，平均距離為2.71 km。廈門(mén)鋼制燃?xì)夤艿兰s860 km，在地下形成一個(gè)巨大的燃?xì)夤芫W(wǎng)。廈門(mén)市地域狹小，因此難免會(huì)存在管道與地鐵并行交叉的情況。走行軌與道床之間絕緣措施的絕緣效果會(huì)隨著使用年限的增加而下降，使得牽引電流無(wú)法完全從走行軌回流，導(dǎo)致部分雜散電流泄漏至土壤，從而進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中，在電流的流出點(diǎn)將發(fā)生劇烈的電化學(xué)腐蝕，短時(shí)間內(nèi)管道會(huì)腐蝕穿孔。圖1 為廈門(mén)市某段管道防腐層破損點(diǎn)實(shí)拍圖，圖2 為廈門(mén)市某段鋼質(zhì)管道點(diǎn)蝕情況。

圖1 埋地管道防腐層破損點(diǎn)

圖2 鋼質(zhì)管道點(diǎn)蝕

在廈門(mén)市地鐵運(yùn)行前，大多數(shù)埋地管道已經(jīng)服役超過(guò)10年。大部分管道在設(shè)計(jì)初期并未考慮雜散電流的干擾，因此防護(hù)措施還不完善。廈門(mén)市在地鐵1 號(hào)線運(yùn)行初期，管道部門(mén)針對(duì)地鐵1 號(hào)線沿線的管道安裝了一批排流保護(hù)系統(tǒng)。但是隨著地鐵線路的增加，排流效果不明顯。

2 檢測(cè)結(jié)果分析及解決方案研究

2.1 管地電位檢測(cè)

目前廈門(mén)地鐵1 號(hào)線已經(jīng)開(kāi)通3 年并將陸續(xù)開(kāi)通更多線路，因此為了準(zhǔn)確判斷地鐵雜散電流對(duì)廈門(mén)市各區(qū)域燃?xì)夤芫W(wǎng)的影響程度，與廈門(mén)市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院合作，對(duì)廈門(mén)市地鐵沿線及周邊地段的管地電位進(jìn)行24 h 連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)采集頻率為1 s。因篇幅受限，僅展示集美區(qū)檢測(cè)結(jié)果，廈門(mén)市集美區(qū)測(cè)試點(diǎn)分布如圖3 所示。其中五角星為測(cè)試點(diǎn)位置，數(shù)字為測(cè)試點(diǎn)編號(hào)，使用的檢測(cè)儀器為MDL 多功能數(shù)據(jù)記錄儀，廈門(mén)市地鐵沿線管地電位檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖4 所示。

圖3 廈門(mén)市集美區(qū)測(cè)試點(diǎn)分布

圖4 廈門(mén)市地鐵沿線管地電位檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)對(duì)地鐵沿線測(cè)試點(diǎn)24 h 連續(xù)監(jiān)測(cè)，得到測(cè)試點(diǎn)管地電位24 h 連續(xù)波動(dòng)圖，其中第30 和31 測(cè)試點(diǎn)最靠近地鐵，且管地電位波動(dòng)最為嚴(yán)重。第30 和第31 測(cè)試點(diǎn)管地電位24 h 波動(dòng)圖如圖5 所示。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可通過(guò)測(cè)試管地電位的波動(dòng)來(lái)判斷管道受雜散電流的干擾嚴(yán)重程度。如果管段表面任意一點(diǎn)的管地電位正向偏離平衡電位超過(guò)100 mV，則認(rèn)為該管段遭受嚴(yán)重的雜散電流干擾，應(yīng)采取合適的排流保護(hù)措施[20]。從圖5 中可以看出，大部分的時(shí)間段波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100 mV，因此該地段的埋地管道受到嚴(yán)重的雜散電流干擾。在地鐵停運(yùn)的時(shí)間段，管地電位幾乎沒(méi)有波動(dòng)，雜散電流對(duì)管道的干擾基本為零。通過(guò)管地電位測(cè)量可以判定，該地段管道受到雜散電流的主要干擾源為地鐵。

圖5 測(cè)試點(diǎn)24 h 管地電位波動(dòng)圖

2.2 土壤電阻率的測(cè)定

除了檢測(cè)地鐵沿線管地電位波動(dòng)外，還對(duì)廈門(mén)市土壤電阻率進(jìn)行測(cè)定。與廈門(mén)市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院合作，對(duì)廈門(mén)市土壤電阻率進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)閺B門(mén)市各區(qū)土壤電阻率總體檢測(cè)結(jié)果相近，所以僅展示集美區(qū)檢測(cè)結(jié)果，其中集美區(qū)第31 測(cè)點(diǎn)土壤電阻率檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。通過(guò)對(duì)集美區(qū)44 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的檢測(cè)，得到集美區(qū)土壤電阻率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)餅狀圖如圖7 所示。

圖6 第31 測(cè)點(diǎn)土壤電阻率檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖7 集美區(qū)土壤電阻率統(tǒng)計(jì)餅狀圖

從土壤電阻率統(tǒng)計(jì)餅狀圖可以看出，集美區(qū)大多數(shù)區(qū)域土壤電阻率較低，這使得雜散電流在土壤內(nèi)流動(dòng)阻礙較小，因此集美區(qū)大部分地段都屬于雜散電流高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

2.3 雜散電流解決方案研究

從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，廈門(mén)市大部分地段屬于雜散電流高危區(qū)域，并且靠近地鐵的區(qū)域管道雜散電流干擾嚴(yán)重。廈門(mén)市大部分管道安裝較早，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)雜散電流的防護(hù)措施考慮并不周全，因此埋地管道受電化學(xué)腐蝕影響較為嚴(yán)重。為了解決廈門(mén)市地鐵雜散電流對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)干擾嚴(yán)重的問(wèn)題，結(jié)合廈門(mén)市特有的沿海環(huán)境和廈門(mén)市管道及地鐵工況，針對(duì)性地給出雜散電流解決方案。

2.3.1 地鐵雜散電流防護(hù)方案

想要減少雜散電流對(duì)管道的干擾，首先要抑制雜散電流源頭的泄漏。根據(jù)管地電位的檢測(cè)，廈門(mén)市的雜散電流主要來(lái)自地鐵，因此應(yīng)做好地鐵方面的雜散電流泄漏防護(hù)。地鐵雜散電流防護(hù)方案如下：

（1）管道部門(mén)應(yīng)建立與地鐵方有效的溝通機(jī)制，成立聯(lián)合檢測(cè)機(jī)制，定期對(duì)干擾嚴(yán)重管道進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，共同采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

（2）不同的變電所間距會(huì)影響地鐵雜散電流的泄漏量。在新的地鐵路線施工前，地鐵部門(mén)應(yīng)在滿足運(yùn)行要求的情況下減小變電所間距，從而減小牽引電流的回流路徑，以達(dá)到減小雜散電流泄漏的目的。

（3）現(xiàn)階段我國(guó)地鐵的供應(yīng)電壓以750 V 和1500 V 為主。在地鐵額定功率不變的情況下，增大地鐵供應(yīng)電壓，可以有效減小地鐵牽引電流。因此地鐵部門(mén)應(yīng)盡量選擇1500 V 的供應(yīng)電壓，從而降低雜散電流的泄漏量。

（4）軌地過(guò)渡電阻是影響地鐵雜散電流泄漏量的一個(gè)重要因素。想要提高軌地過(guò)渡電阻，應(yīng)采用質(zhì)量較好的雙重絕緣緊固件及使用電阻率較高的絕緣材料。當(dāng)絕緣材料電阻率達(dá)到2.5×107Ω·m2時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)軌地完全絕緣，同時(shí)應(yīng)做好軌道處的維護(hù)和監(jiān)測(cè)，定期檢查軌道處絕緣措施的完好程度，當(dāng)絕緣層受到水、風(fēng)沙等影響出現(xiàn)老化時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救。

（5）走行軌縱向電阻的大小會(huì)影響地鐵牽引電流回流路徑的選擇。若走行軌縱向電阻較小，走行軌回流電流則會(huì)選擇電阻較小的路徑流動(dòng)，而不會(huì)往電阻較大的土壤流動(dòng)，這就能達(dá)到減小雜散電流泄漏量的目的。新建地鐵工程應(yīng)選擇電阻較小的材料作為走行軌，且走行軌斷面面積應(yīng)盡量增大。

（6）在走行軌下方增設(shè)排流網(wǎng)。排流網(wǎng)指的是用電阻率較小的結(jié)構(gòu)鋼筋縱橫交錯(cuò)排布連接成收集網(wǎng)，放置于走行軌和埋地管道中間，使得走行軌雜散電流泄漏至土壤時(shí)能夠第一個(gè)接觸到排流網(wǎng)，在雜散電流到達(dá)埋地管道前將雜散電流通過(guò)鋼筋引流至變電所處，以達(dá)到減小雜散電流干擾的目的。影響排流網(wǎng)的排流效果有很多因素，如鋼筋電阻率、鋼筋的排布方式、鋼筋之間的間距、鋼筋的直徑及數(shù)量等。工程人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格制定排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)排流網(wǎng)排流效果最大化。

（7）對(duì)于已經(jīng)建成的地鐵線路，應(yīng)定期檢測(cè)走行軌絕緣層是否因老化而失效，并及時(shí)對(duì)絕緣層老化區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)救。

2.3.2 管道雜散電流防護(hù)方案

除了做好地鐵方面的防護(hù)外，還要做好管道方面的防護(hù)和排流。根據(jù)廈門(mén)市管道所處環(huán)境及地鐵和管網(wǎng)分布規(guī)律，結(jié)合地鐵雜散電流泄漏規(guī)律和管道雜散電流干擾規(guī)律，制定廈門(mén)市特定的管道雜散電流解決方案（圖8）。

圖8 廈門(mén)市管道雜散電流解決方案

（1）加入強(qiáng)制排流裝置。在地鐵沿線的所有變電所，均安裝外加電源強(qiáng)制排流器，使管道與牽引變電所之間有一個(gè)電位差，從而將管道處的雜散電流強(qiáng)制排流回走行軌。該方法可以很大程度上降低雜散電流對(duì)管道的干擾，也可為管道提供一定的陰極保護(hù)電流，解決島內(nèi)大多數(shù)管道陰極保護(hù)效果不佳的問(wèn)題。由于直接連接地鐵的牽引變電所，因此只需較小的強(qiáng)制電流。需要注意的是，當(dāng)管道較長(zhǎng)時(shí)往往需要更大的強(qiáng)制電流，電流為幾十安甚至更大，這將會(huì)增加地下雜散電流的泄漏，導(dǎo)致?lián)p壞其他管道或者增加其他設(shè)備的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。廈門(mén)市大部分管道并非長(zhǎng)輸管道，因此大部分地段的管道可以使用強(qiáng)制排流裝置，但對(duì)于少部分長(zhǎng)輸管道區(qū)域，應(yīng)該酌情考慮是否加入裝置。

（2）連接極性排流裝置。根據(jù)廈門(mén)市管地電位測(cè)試結(jié)果可以得知每段管道受雜散電流干擾的程度。因此根據(jù)測(cè)試結(jié)果選擇管道受雜散電流干擾嚴(yán)重且管道流出點(diǎn)距離走行軌較遠(yuǎn)，無(wú)法回流至變電所的管段，可以通過(guò)導(dǎo)線將管道與走行軌相連，導(dǎo)線加入二極管，使之單向回流到鐵軌中去，可從根本上解決該環(huán)境下管道雜散電流干擾問(wèn)題。

（3）使用接地排流裝置。廈門(mén)為沿海城市，因此可以充分利用海邊及湖邊這種天然導(dǎo)體作為接地床，在靠近海邊等土壤電阻率較低的地段，并在管道不適合采用強(qiáng)制排流與極性排流的情況下，采用接地排流。該方法能夠在充分利用廈門(mén)市的地理優(yōu)勢(shì)且降低成本的基礎(chǔ)上，有效減少雜散電流對(duì)管道的干擾。

（4）增設(shè)絕緣法蘭。由于城市天然氣管道組成了一個(gè)巨大的燃?xì)夤芫W(wǎng)，而鋼管的電阻率非常低，容易造成雜散電流亂串，不利于雜散電流的排流。因此應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的需要，將龐大的燃?xì)夤芫W(wǎng)，通過(guò)絕緣法蘭分成獨(dú)立的若干段，增大管道的內(nèi)電阻，方便排流與監(jiān)控。

（5）添加犧牲陽(yáng)極。因?yàn)閺?qiáng)制排流能夠?qū)艿朗┘宇~外的外加電流陰極保護(hù)，且廈門(mén)城市內(nèi)長(zhǎng)輸管道較少，所以不需要在已添加強(qiáng)制排流的管段添加外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。管段添加排流器后，只需加入犧牲陽(yáng)極，即可達(dá)到良好的陰極保護(hù)效果。犧牲陽(yáng)極應(yīng)選擇鎂、鋅等還原性較強(qiáng)的金屬。根據(jù)廈門(mén)市土壤電阻率統(tǒng)計(jì)，小于50 Ω·m 的測(cè)試點(diǎn)占60%，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20]，應(yīng)采取鋅合金陽(yáng)極包更為有效。對(duì)于土壤電阻率分布較為均衡且大于50 Ω·m 的區(qū)域，可采用鎂合金陽(yáng)極，這樣既能夠降低成本又能夠保證保護(hù)效果。廈門(mén)市增設(shè)犧牲陽(yáng)極現(xiàn)場(chǎng)如圖9 所示。

圖9 廈門(mén)市增設(shè)犧牲陽(yáng)極現(xiàn)場(chǎng)

（6）完善監(jiān)控設(shè)施。再好的排流措施都離不開(kāi)完善的監(jiān)控，而廈門(mén)市缺少監(jiān)控裝置，無(wú)法有效的監(jiān)測(cè)雜散電流對(duì)管道的影響。因此廈門(mén)每條鋼質(zhì)管線都需要建立一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括直流電位、交流電位、電位梯度、自然腐蝕電位等參數(shù)，該系統(tǒng)可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控室，工作人員能通過(guò)監(jiān)控來(lái)合理調(diào)整排流參數(shù)。

（7）管道防腐層應(yīng)達(dá)標(biāo)。管道防腐層是管道防護(hù)雜散電流干擾的最后一道防線，也是最重要的一道防線。廈門(mén)市管道防腐層經(jīng)檢驗(yàn)大部分老舊燃?xì)夤艿啦捎寐浜蟮哪z帶防腐層，膠帶防腐層使用久容易鼓包脫落，造成防腐層破損?，F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)主要采用3PE加強(qiáng)型防腐層，因此對(duì)于已鋪設(shè)管道的防腐層應(yīng)進(jìn)行全面檢查，對(duì)出現(xiàn)破損點(diǎn)的防腐層及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，并在條件允許的情況下將老舊管道的膠帶防腐層更替為3PE 防腐層。對(duì)于廈門(mén)新鋪設(shè)的管道，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，并在施工時(shí)盡量避免碰撞，減小施工帶來(lái)的防腐層破裂。

（8）強(qiáng)化施工質(zhì)量保證，特別是犧牲陽(yáng)極施工、管道三通及對(duì)接焊縫等薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范施工。

（9）完備雜散電流人才培養(yǎng)隊(duì)伍。鑒于地鐵將來(lái)還會(huì)建立更多路線，雜散電流對(duì)管道的影響會(huì)更大更復(fù)雜。因此管道部門(mén)應(yīng)防患于未然，培養(yǎng)自己的雜散電流防范隊(duì)伍。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于管道運(yùn)行在前，地鐵開(kāi)通運(yùn)行在后，地鐵的運(yùn)行將對(duì)鋼制埋地管道的安全運(yùn)行造成巨大的影響。為了解決廈門(mén)市雜散電流對(duì)管道的干擾問(wèn)題，對(duì)廈門(mén)市管地電位進(jìn)行24 h 數(shù)據(jù)采集，通過(guò)管地電位波動(dòng)能夠判斷管道雜散電流干擾是否嚴(yán)重，同時(shí)能為今后數(shù)據(jù)分析進(jìn)行對(duì)比。對(duì)廈門(mén)市土壤電阻率進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示廈門(mén)市大部分地區(qū)土壤電阻率較小，因此大多數(shù)地段屬于雜散電流高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)以上檢測(cè)，結(jié)合廈門(mén)市特有的沿海環(huán)境，提出具體的廈門(mén)市埋地管道雜散電流解決方案。該方案能夠有效減小廈門(mén)市地鐵雜散電流對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)帶來(lái)的干擾，并且可以預(yù)防管道發(fā)生因地鐵雜散電流造成的腐蝕而出現(xiàn)的安全問(wèn)題，具有重要的工程意義。