高佳偉 ,尹志彪,2 ,鄒 健 ,王生平 ,杜艷霞

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100035;2.鋼鐵研究總院先進(jìn)金屬材料涂鍍國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100053;3.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院,北京 100083)

埋地管道在工作環(huán)境中受到多種腐蝕,主要包括土壤腐蝕、細(xì)菌腐蝕和雜散電流腐蝕。按照現(xiàn)行的防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》,長輸埋地鋼質(zhì)管道主要采用保護(hù)涂層與陰極保護(hù)的方式進(jìn)行腐蝕防護(hù)。在通常情況下,這種方式可有效減緩鋼材的腐蝕,保障管道在使用壽命內(nèi)的安全運(yùn)行。城市內(nèi)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿篮偷罔F線路相互交錯(cuò),受直流動(dòng)態(tài)雜散電流干擾影響,高壓、次高壓埋地燃?xì)夤艿酪装l(fā)生腐蝕。近年來,軌道交通直流雜散電流對城市周邊埋地燃?xì)夤艿赖母蓴_問題愈發(fā)嚴(yán)重,在京津冀、長三角以及珠三角等區(qū)域,燃?xì)夤艿赖母g問題頻繁出現(xiàn),這嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行。

城市地鐵軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)采用直流電力牽引的方式[1]。列車通過受電弓或集電靴受電,利用走行軌實(shí)現(xiàn)回流。在地鐵運(yùn)營初期,軌道與大地之間具有良好的電絕緣,說明軌道與大地之間的電阻較大,此時(shí),從軌道流入大地的直流雜散電流較小。隨著時(shí)間的延長,鋼質(zhì)軌道與大地之間的絕緣性能不可避免會(huì)下降,從而使鋼軌流入大地的直流雜散電流明顯增大[2-6]。

受地鐵雜散電流干擾的影響,地鐵周邊的埋地金屬管道會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕,這會(huì)導(dǎo)致金屬管道壁厚減薄,從而引發(fā)管道安全事故。直流軌道交通系統(tǒng)引起的動(dòng)態(tài)雜散電流還會(huì)嚴(yán)重干擾管道的陰極保護(hù)測試,使恒電位儀不能以恒電位模式輸出,造成陰極保護(hù)用犧牲陽極消耗加快,還有可能使管道表面防腐蝕層剝落[7-8]。

本工作中的管道受到比較嚴(yán)重的直流雜散電流干擾,管道陰極保護(hù)水平較差,管道沿線的斷電電位(24 h)大多數(shù)不滿足陰保標(biāo)準(zhǔn)要求,故對該段管道進(jìn)行了直流雜散電流干擾排流試驗(yàn)。參考GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、AS 2832.1:2015《金屬的陰極保護(hù) 管道和電纜》和DG-TJ 08-2302-2019《埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿离s散電流干擾評定與防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》,基于現(xiàn)場詳測數(shù)據(jù)進(jìn)行了管道雜散電流干擾的防護(hù)設(shè)計(jì)。

1 燃?xì)夤艿阑拘畔?/h2>

如圖1所示:管道長度約為30 km,管道延線共有5個(gè) 閥室(1 號～5 號)、1 個(gè)預(yù)留閥室和1 個(gè)站場,站場出站共有3 條管線,3 條管線均有絕緣接頭;管道采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)+3PE 防腐蝕層+犧牲陽極的方式進(jìn)行防護(hù),3條管線出站共用一套恒電位儀,恒電位儀設(shè)置在站場內(nèi),陽極地床采用柔性陽極;6號測試樁位于管道與地鐵線路交叉點(diǎn)附近,其距離站場約5 km,管道與地鐵線路停車場的直線距離約為170 m;管道與地鐵S1磁懸浮線路交叉點(diǎn)與31號測試樁之間的距離約為110 m;地鐵S1 磁懸浮線路與5 號閥室之間的距離約為3.5 km。

圖1 燃?xì)夤艿琅c外界干擾源的位置關(guān)系示意Fig.1 Schematic diagram of positional relationship between gas pipeline and external interference sources

2 現(xiàn)場測試結(jié)果

2.1 雜散電流干擾現(xiàn)場測試

由圖2～圖5 可見(圖中電位均相對于飽和Cu/CuSO4電極):以6號測試樁為例,管道沿線的通、斷電電位呈周期性波動(dòng),白天波動(dòng)幅度較大,晚上較為穩(wěn)定,屬于典型的直流軌道交通系統(tǒng)引起的動(dòng)態(tài)直流干擾特征;6號測試樁處的通電電位波動(dòng)最大,其最大波動(dòng)范圍為-11.6～6.592 V,波動(dòng)幅值達(dá)18 V,該測試樁離地鐵停車場最近,受到動(dòng)態(tài)直流干擾影響最大;與6號測試樁相比,其他測試樁處的通電電位波動(dòng)范圍明顯減小;管道沿線的斷電電位大部分時(shí)間均正于-0.85 V;對比夜間無干擾時(shí)的通、斷電電位,僅離站場最近的1號測試樁處的斷電電位負(fù)于-0.85 V,滿足相關(guān)電位準(zhǔn)則要求;管道沿線斷電電位比保護(hù)準(zhǔn)則更正的比例均超過了5%,表明管道存在一定的腐蝕風(fēng)險(xiǎn);對比夜間和白天(6號)測試樁處的斷電電位可知,管道處于欠保護(hù)是陰極保護(hù)電流不足和地鐵雜散電流干擾共同作用造成的。

圖2 管道6號測試樁24 h通、斷電電位變化趨勢(2020年)Fig.2 Variation trend of the 24 h power-on and poweroff potential of 6#test pile of the pipeline(in 2020)

圖3 管道沿線24 h通電電位和斷電電位波動(dòng)范圍Fig.3 24 h power-on potential(a)and power-off(b)potential fluctuation range along the pipeline

圖4 管道沿線夜間通、斷電電位變化趨勢Fig.4 Variation trend of power-on and power-off potential at night along the pipeline

圖5 管道沿線斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例分布Fig.5 Proportional distribution of power-off potentials along the pipeline with being positive to protection criterion

2.2 干擾排流試驗(yàn)現(xiàn)場測試

根據(jù)管道的欠保護(hù)位置和現(xiàn)場的饋電試驗(yàn)條件,分別選取31號測試樁(4號閥室南側(cè))、預(yù)留閥室(19號測試樁附近)、6號測試樁(管道與地鐵交叉點(diǎn)附近)、5號測試樁和4號測試樁等位置進(jìn)行饋電試驗(yàn)。同時(shí),通過調(diào)節(jié)站場的恒電位儀輸出,測試現(xiàn)有恒電位儀的保護(hù)效果。

2.2.1 31號測試樁饋電試驗(yàn)結(jié)果

在31號測試樁分別饋入2.4,6.1,9.2,11.2 A的電流。由圖6可見:當(dāng)饋入電流為2.4 A 時(shí),管道沿線斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例略有下降,但是下降幅度較小,除管道原有的兩處(17號和27號)測試樁的斷電電位滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外,其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例仍高于5%;當(dāng)饋入電流為6.1 A 時(shí),除19號和24號測試樁外,其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降明顯,17號、22號和27號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例均降低至5%以內(nèi),達(dá)到有效保護(hù)效果;當(dāng)饋入電流為9.2 A 時(shí),管道沿線測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例進(jìn)一步下降,17號、22號、27號、31號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例均降低至5%以內(nèi),達(dá)到有效保護(hù)效果;當(dāng)饋入電流為1 1.2 A時(shí),14號測試樁與31號測試樁之間的距離約為15 km,除24號和19號測試樁,其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例均降低至5%以內(nèi),達(dá)到有效保護(hù)效果。

圖6 在31號測試樁饋入不同電流后管道沿線測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例分布Fig.6 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding different currents at 31#test pile

2.2.2 預(yù)留閥室饋電試驗(yàn)結(jié)果

在預(yù)留閥室分別饋入2.4,6.1,9.2,11.2 A 的電流,測試各測試樁段管道的保護(hù)效果。在預(yù)留閥室饋入10 A 電流,測試1號～15號測試樁段管道的保護(hù)效果。

由圖7和圖8可見:當(dāng)饋入電流為6.1 A 時(shí),靠近預(yù)留閥室的14號～22號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降比較明顯,其中,22號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例降低至5%以內(nèi),其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例仍高于5%,遠(yuǎn)離預(yù)留閥室測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降不明顯;當(dāng)饋入電流為9.2 A 時(shí),14號～22號測試樁(靠近預(yù)留閥室)的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降至5%以內(nèi),達(dá)到保護(hù)效果,24號～31號和10號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例仍高于5%,管道處于欠保護(hù)狀態(tài);當(dāng)饋入電流為11.2 A 時(shí),除27號測試樁外,其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例均明顯下降,其中,14號～24號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降至5%以內(nèi),達(dá)到有效保護(hù)效果,其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例仍大于5%,管道處于欠保護(hù)狀態(tài),有效保護(hù)長度約為11 km;當(dāng)饋入電流為10 A 時(shí),1號～15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例有所下降,其中,11號和15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降至5%以內(nèi),其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例仍高于5%。

圖7 在預(yù)留閥室饋入不同電流后管道沿線測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例分布Fig.7 Proportional distribution of power-off potentials of the test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding different currents at reserved valve room

圖8 在預(yù)留閥室饋入10 A 電流后管道沿線測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例分布Fig.8 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding 10 A current at reserved valve room

2.2.3 6號測試樁饋電試驗(yàn)結(jié)果

6號測試樁位于地鐵線路與管道交叉處,該處管道的通、斷電電位波動(dòng)最大,在6號測試樁分別饋入5.3 A 和11 A 的電流,臨時(shí)地床距離管道約30 m。

由圖9可見:當(dāng)饋入電流為5.3 A 時(shí),管道沿線1號～15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例略有下降,其中,5號、11號、15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降至5%以內(nèi);當(dāng)饋入電流為11 A 時(shí),管道沿線1號～15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例略有下降,6號和13號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例仍高于5%,其他測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降至5%以內(nèi)。

圖9 在6號測試樁饋入不同電流后管道沿線測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例分布Fig.9 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding different currents at 6#test pile

2.2.4 4號測試樁饋電試驗(yàn)結(jié)果

4號測試樁距離6號測試樁約1.5 km,在此測試樁處饋入7 A 電流,臨時(shí)地床距離管道約35 m。由圖10可見,管道沿線1號～15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例略有下降,其中,1號、11號和15號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例下降至5%以內(nèi)。

圖10 在4號測試樁饋入7 A 電流后管道沿線測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例分布Fig.10 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding 7 A current at 4#test pile

2.2.5 站場恒電位儀調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

1號測試樁距離站場最近(約為380 m),站場恒電位儀原始狀態(tài)為恒電位運(yùn)行,預(yù)置電位為-1.2 V,在動(dòng)態(tài)干擾下基本無輸出電流,為增大陰極保護(hù)電源的輸出,測試過程中將設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換為恒電流運(yùn)行,輸出電流設(shè)置為2 A。調(diào)節(jié)后,電源輸出電流為1.46 A,輸出電壓為50 V,達(dá)到輸出電壓的上限值,無法繼續(xù)提高輸出電流。由圖11和表1可見,兩種運(yùn)行模式下,1號測試樁的斷電電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例變化不大,管道處于欠保護(hù)狀態(tài),表明站場恒電位儀在該輸出電流下對管道電位的影響不大,無法使管道達(dá)到有效保護(hù)的狀態(tài)。

圖11 1號測試樁在站場恒電位儀不同運(yùn)行模式下的24 h通斷電電位變化趨勢(2020年)Fig.11 24 h power-on and power-off potential change trend of 1#test pile under different operation modes of station potentiostat(2020 year)

表1 在站場恒電位儀不同運(yùn)行模式下1號測試樁的通、斷電電位Tab.1 Power-on and power-off potentials of 1#test pile under different operation modes of station potentiostat

2.3 干擾排流方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場干擾排流試驗(yàn)結(jié)果,分別在31號測試樁處饋入11.4 A的電流、在預(yù)留閥處室饋入12.4 A的電流和在1號測試樁處饋入11 A 的電流,管道沿線測試樁的通、斷電電位基本能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。本試驗(yàn)為單點(diǎn)饋電試驗(yàn),若采取多點(diǎn)饋電的防護(hù)措施,可進(jìn)一步提高對管道沿線的保護(hù)效果。同時(shí),考慮一定的保護(hù)裕量,排流防護(hù)裝置的額定電流可以適當(dāng)增大。根據(jù)現(xiàn)場干擾排流試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況,確定管道的排流方案為在4號閥室和預(yù)留閥室增加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)排流站,站場整改陽極地床,4號、5號和6號測試樁處增加太陽能供電直流陰極保護(hù)電源系統(tǒng)。

3 結(jié)論

直流軌道交通系統(tǒng)引起的動(dòng)態(tài)雜散電流會(huì)導(dǎo)致油氣管道發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕問題,這種動(dòng)態(tài)干擾的防護(hù)技術(shù)正處于探索階段。采用多點(diǎn)饋電的方式可以優(yōu)化強(qiáng)制電流陰極保護(hù)措施的設(shè)計(jì),使管道陰極保護(hù)恢復(fù)有效性。在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的檢測與防護(hù)技術(shù)方面,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制訂工作仍需繼續(xù)推進(jìn)。

基于管道陰極保護(hù)有效性的檢測及饋電試驗(yàn)結(jié)果,本工作中管道雜散電流干擾嚴(yán)重,陰極保護(hù)效果較差,排流電流需求量較大,難以采用犧牲陽極進(jìn)行長距離、大容量的排流,故選擇了在4號閥室和預(yù)留閥室增加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)排流站,站場整改陽極地床,4號、5號和6號測試樁處增加太陽能供電直流陰極保護(hù)電源系統(tǒng)。