李德明，鄭 策，劉宇翔，王 鉆，惠海軍，鄭智勇 ，李 志

(1. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西氣東輸分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410199；2. 武漢遠(yuǎn)西防腐科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040)

0 前 言

隨著我國能源及交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的長(zhǎng)輸埋地鋼質(zhì)管線與高壓輸電線路、地鐵及高速鐵路產(chǎn)生交叉或并行，這些大容量用電設(shè)施不可避免地會(huì)對(duì)埋地鋼質(zhì)管線產(chǎn)生不同程度的交直流雜散電流干擾，特別是近年來長(zhǎng)輸管線行業(yè)普遍采用的三層聚烯烴(3PE)防腐層外防腐體系，在提高防腐層絕緣性能及機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，當(dāng)其出現(xiàn)相對(duì)較小的缺陷時(shí)，由于大陰極小陽極的效應(yīng)，也導(dǎo)致埋地管線雜散電流干擾危害影響程度加劇，對(duì)長(zhǎng)輸埋地管線的防腐蝕安全及運(yùn)行造成一定的威脅[1-3]，須采取措施予以防范。

某天然氣長(zhǎng)輸壓力管線長(zhǎng)沙區(qū)域段于2004 年建成投入使用。該段管線長(zhǎng)度約80 km，管道埋設(shè)深度1.2 m，管線敷設(shè)土壤環(huán)境以紅壤和水稻土為主，該輸氣管線管徑 610 mm，壁厚 7.9 mm，為直縫鋼管，管道設(shè)計(jì)壓力 6.3 MPa，運(yùn)行壓力5.0 MPa，管道采用3PE 防腐層與強(qiáng)制電流陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)方式進(jìn)行保護(hù)。該長(zhǎng)輸管道位于長(zhǎng)沙市近郊以東區(qū)域，與多條地鐵、電氣化鐵路以及高壓輸電線路臨近、交叉或伴行，特別是新建的軌道交通A線于2021年底開始試運(yùn)行后，該區(qū)域段天然氣長(zhǎng)輸管線受到雜散電流干擾影響，導(dǎo)致CS分輸站陰極保護(hù)電源恒電位儀電位波動(dòng)明顯，無法采用恒電位模式正常操作保護(hù)運(yùn)行，陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行受到干擾，對(duì)管道的防腐蝕安全造成威脅。

1 管線雜散電流干擾測(cè)試分析

對(duì)長(zhǎng)沙區(qū)域段軌道交通A號(hào)線兩側(cè)共約20 km管道沿線雜散電流干擾源分布進(jìn)行了調(diào)查，見圖1，管線沿線雜散電流干擾源測(cè)試點(diǎn)位見表1。

表1 管線沿線雜散電流干擾源測(cè)試點(diǎn)位

其中地鐵軌道交通供電均采用750 V直流軌道供電，高速鐵路采用單項(xiàng)工頻25 kV交流供電模式。在新建地鐵軌道交通A線試運(yùn)行期間，對(duì)與地鐵交叉點(diǎn)兩側(cè)各約10 km范圍的13處測(cè)試樁(圖1)采用YH - DL2數(shù)據(jù)記錄儀分2批進(jìn)行了24 h同步測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)包括管道通斷電電位、自然電位及交流干擾電壓。測(cè)試主要依據(jù)AS2832.1[4]，按照24 h監(jiān)測(cè)的陰極保護(hù)斷電電位滿足≤-0.85 V的測(cè)試結(jié)果占全部測(cè)試數(shù)據(jù)的比例計(jì)算斷電電位合格率，即：

其中，η為斷電電位合格率，%；Un為24 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷電電位≤-0.85 V(vs CES)測(cè)試值記錄數(shù)；UT為24 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)斷電電位測(cè)試值記錄總數(shù)。

斷電電位合格率≥95%為低風(fēng)險(xiǎn)干擾程度。測(cè)試時(shí)陰極站運(yùn)行參數(shù)為：恒電位模式運(yùn)行，控制電位為-1 400 mV(vs CSE)， 輸出電流范圍約4～10 A。測(cè)試結(jié)果見表2及圖2、圖3。

表2 管道沿線雜散電流干擾數(shù)據(jù)

根據(jù)1號(hào)、12號(hào)測(cè)試樁的測(cè)試結(jié)果，軌道交通A線交叉兩側(cè)的長(zhǎng)輸管道受到的雜散電流干擾呈現(xiàn)出交直流混合干擾的形式，北端的1～4號(hào)測(cè)試樁附近管道則受到交流電氣化鐵路的瞬間交流干擾及地鐵的直流雜散電流干擾(圖2)，其交流干擾電壓呈現(xiàn)出與高鐵運(yùn)行時(shí)瞬間沖擊以及夜間平穩(wěn)的波動(dòng)規(guī)律；而與軌道交通A線交叉點(diǎn)相臨近的從5號(hào)樁起至南端的13號(hào)樁處的管道，主要受到臨近的交流高壓輸電線路穩(wěn)態(tài)交流持續(xù)干擾以及地鐵直流雜散電流干擾(圖3)，各測(cè)試點(diǎn)管道陰極保護(hù)電位均呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)狀態(tài)，斷電電位波動(dòng)幅度范圍為189～411 mV(見表2)，且波動(dòng)周期與地鐵運(yùn)行時(shí)間一致，具有明顯的平穩(wěn)期(地鐵停運(yùn)時(shí)間0：30～5：00)，為典型的軌道交通動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾，這將導(dǎo)致附近管道陰極站恒電位儀難以控制電位而無法正常工作；同時(shí)，共有6處測(cè)試點(diǎn)的斷電電位波動(dòng)最大值不滿足最小保護(hù)電位的要求，其中13號(hào)測(cè)試點(diǎn)的斷電電位合格率不滿足AS 2832.1標(biāo)準(zhǔn)要求的斷電電位合格率須≥95%的要求。另外，13處測(cè)試點(diǎn)中共有10處交流干擾電壓最大值>4 V，其中8處交流干擾電流密度值>30 A/m2，按照GB/T 50991“埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”和GB/T 50698“埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”的評(píng)價(jià)指標(biāo)[5，6]，已投運(yùn)陰極保護(hù)系統(tǒng)受到直流雜散電流干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求，且管道交流干擾程度屬于中等，因此，應(yīng)及時(shí)采取交直流干擾的防護(hù)措施。

2 緩解技術(shù)方案的設(shè)計(jì)

針對(duì)本工作中雜散電流干擾特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用極性強(qiáng)制排流法+負(fù)電位接地排流法聯(lián)合保護(hù)方案，其中強(qiáng)制排流法依據(jù)GB/T 50991-2014推薦的方法，適當(dāng)提供陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出以抑制線路上動(dòng)態(tài)直流雜散電流的干擾，將軌道交通A線與長(zhǎng)輸燃?xì)夤艿澜徊纥c(diǎn)附近的CS陰極站恒電位儀由日常運(yùn)行的控制通電電位從-1 400 mV調(diào)節(jié)至-1 780 mV，以恒電位法運(yùn)行；根據(jù)GB/T 50698-2011，在與軌道交通A線交叉點(diǎn)兩側(cè)共約20 km的13處管道測(cè)試樁位置各設(shè)計(jì)安裝1套負(fù)電位接地排流保護(hù)裝置，接地體采用帶狀鋅陽極，主要用于對(duì)管道上的交流雜散電流進(jìn)行排流。

同時(shí)，考慮到長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)日常維護(hù)測(cè)試的需要，作為對(duì)比，在各排流點(diǎn)位置分別安裝1套極性排流器或固態(tài)去耦合器(額定隔離電壓為0.3 V/-3.0 V)，與鋅帶接地體共同組成排流裝置，用以評(píng)估測(cè)試3種不同排流方式的排流保護(hù)效果。

表3 排流接地體鋅帶(15.88 mm×22.22 mm)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及接地電阻計(jì)算值

3 排流保護(hù)效果評(píng)價(jià)分析

安裝排流保護(hù)裝置后的雜散電流干擾排流保護(hù)效果見表4、表5及圖4～圖9。

表4 3種排流保護(hù)條件下對(duì)直流雜散電流干擾的緩解效果

表5 3種排流保護(hù)條件下對(duì)交流雜散電流干擾的緩解效果

圖10為3種排流保護(hù)方式的交流干擾緩解率分布曲線。分析比較3種排流保護(hù)方式的排流保護(hù)效果，3種排流保護(hù)方法對(duì)于交流干擾緩解的差距較明顯，其中鋅帶負(fù)電位接地和固態(tài)去耦合器的接地排流效果較好，緩解率一般達(dá)80%以上，這2種排流方法中均僅有1處測(cè)試點(diǎn)的交流干擾電壓最大值>4 V，其余測(cè)試點(diǎn)的交流干擾電壓均<4 V，全部測(cè)試點(diǎn)的交流電流密度均<30 A/m2，依據(jù)GB/T 21448，交流雜散電流干擾程度屬于“弱”；強(qiáng)制極性排流對(duì)于交流雜散電流干擾緩解效果較差，13處排流點(diǎn)中僅4處緩解率>50%，8處交流干擾電壓>4 V，5處測(cè)試點(diǎn)的交流電流密度>30 A/m2，交流干擾程度為“中等”(見表5及圖10)。

由于極性排流器通過二極管排放直流干擾電流而沒有交流通道，因此其對(duì)于交流雜散電流干擾的緩解作用有限，而固態(tài)去耦合器的交流通道始終開通，因此具有良好的緩解交流干擾的效果。負(fù)電位接地排流則由于其良好的直接接地而對(duì)于交流雜散電流排放具有優(yōu)良的效果。

對(duì)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的抑制，3種排流保護(hù)方法中負(fù)電位接地排流的效果最好(表4)。圖11為3種排流保護(hù)方式下管道通電電位波動(dòng)幅度分布曲線。對(duì)比各測(cè)試點(diǎn)的管道通電電位的波動(dòng)幅度值，負(fù)電位接地排流明顯低于極性排流及固態(tài)去耦合器接地排流，后二者管道通電電位波動(dòng)幅度基本相當(dāng)。

表6為3種排流條件下1號(hào)樁斷電電位合格率數(shù)據(jù)。比較3種排流保護(hù)條件下對(duì)直流雜散電流干擾的緩解程度，發(fā)現(xiàn)除個(gè)別點(diǎn)外，各測(cè)試點(diǎn)管道斷電電位合格率均能滿足≥95%的要求(AS2832.1-2015)，三者之間由于斷電電位波動(dòng)幅度控制的差異，而導(dǎo)致固態(tài)去耦合器接地排流相對(duì)于極性排流和負(fù)電位接地排流的斷電電位合格率略低，且處于交直流混合干擾較強(qiáng)的管段位置甚至出現(xiàn)斷電電位合格率<95%的情況。

表6 3種排流條件下1號(hào)樁斷電電位合格率數(shù)據(jù)

極性排流、負(fù)電位接地排流和固態(tài)去耦合器接地排流保護(hù)3種模式下，采用數(shù)據(jù)記錄儀及分流器測(cè)試了部分代表性的排流點(diǎn)的24 h直流排流量，結(jié)果見表7，測(cè)試結(jié)果表明各測(cè)試點(diǎn)直流電流瞬間流入和流出量范圍在-3 924～4 000 mA，穩(wěn)定流出平均值范圍約154～2 007 mA，穩(wěn)定流入平均值范圍約-39～-585 mA。測(cè)試點(diǎn)中3號(hào)、8號(hào)及11號(hào)測(cè)試樁主要為直流雜散電流流入，其余測(cè)試點(diǎn)多為直流雜散電流流出。在該區(qū)段管線上呈現(xiàn)出一定的直流動(dòng)態(tài)雜散電流分布規(guī)律。對(duì)比11號(hào)樁分別采用3種排流方式條件下的直流排流量測(cè)試結(jié)果(圖12～14)，極性排流完全抑制了直流雜散電流的流入，而另2種排流方式則未能阻止直流電流從鋅帶接地體的流入。

表7 各排流點(diǎn)直流排流量測(cè)試結(jié)果

比較3種排流保護(hù)方式與強(qiáng)制排流的結(jié)合效果，針對(duì)本工作中交直流混合干擾的特點(diǎn)，極性排流對(duì)交流雜散電流干擾的抑制效果較差，對(duì)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的緩解效果尚可，混合交直流干擾時(shí)仍顯不足，管道電位波動(dòng)幅度改善不明顯，恒電位儀采用恒電位方式操作運(yùn)行仍不穩(wěn)定；固態(tài)去耦合器對(duì)于交流雜散電流的排流效果較好，但對(duì)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的排流效果較差，管道電位波動(dòng)幅度較大，與極性排流器的緩解效果大致相當(dāng)。負(fù)電位接地對(duì)于交直流混合干擾的綜合抑制效果較好，一方面管道通過直接接地順暢地排出交流干擾電流，另一方面也可以同時(shí)排出直流雜散電流，配合陰極站的恒電位方式控制強(qiáng)制排流時(shí)，鋅接地體的開路電位為-1 100 mV，有助于管道的總體陰極保護(hù)電位保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定平衡的狀況，從而使陰極保護(hù)站恒電位儀的輸出十分平穩(wěn)。在此條件下，觀察陰極保護(hù)站恒電位儀的輸出參數(shù)如下：-1 783 mV(恒電位模式控制)，輸出電流范圍0.8～6.7 A，采用數(shù)據(jù)記錄儀24 h實(shí)測(cè)陰極站匯流點(diǎn)處最小斷電電位≤-1.2 V(vs CSE)，管道陰極保護(hù)電位符合GB/T 21448要求。負(fù)電位接地排流條件下，雖然部分測(cè)試點(diǎn)存在動(dòng)態(tài)直流雜散電流的流入，但對(duì)動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的排流效果沒有較大的影響，且其優(yōu)異的交流雜散電流干擾排流效果體現(xiàn)了在交直流混合干擾下的優(yōu)良的綜合效應(yīng)，雖然采用這種排流方式時(shí)由于鋅帶與管道直接連接會(huì)導(dǎo)致難以測(cè)試管道上陰極保護(hù)斷電電位，但通過采用埋地檢查片或數(shù)據(jù)記錄儀的方式可以較好地解決該問題。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)地鐵和高鐵及交流高壓輸電線路的混合交直流雜散電流干擾，利用陰極保護(hù)站設(shè)備采用強(qiáng)制排流結(jié)合鋅帶負(fù)電位接地排流聯(lián)合排流方式，可以有效抑制交流及直流雜散電流混合干擾，實(shí)施排流后管道的陰極保護(hù)電位及交流干擾程度均可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，可以較好地保證陰極保護(hù)站恒電位儀穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)單獨(dú)采用極性排流或固態(tài)去耦合器接地排流方式，無法同時(shí)兼顧對(duì)交流雜散電流和直流雜散電流的緩解效果。

(3)設(shè)計(jì)雜散電流干擾排流接地體的長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)有足夠低的接地電阻，以確保排流保護(hù)效果。