丁繼峰 劉曉龍 劉 凱 張福忠 王翔東

（1. 青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；2. 青島海業(yè)油碼頭有限公司，山東 青島 266599；3. 中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司大連分公司，遼寧 大連 116033）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，地鐵、輕軌等現(xiàn)代化城市軌道交通因節(jié)約土地空間、高效及大運(yùn)量等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為城市公共交通的支柱，也是一個(gè)城市城鎮(zhèn)化水平高低的 “名片”。地鐵、輕軌正常運(yùn)行情況下，在車(chē)輛直流供電牽引系統(tǒng)中，運(yùn)輸列車(chē)所需要的電流由牽引變電所提供，通過(guò)架空電纜線(xiàn)向列車(chē)供電，然后經(jīng)行走軌回流至牽引變電所電流經(jīng)架空線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)，電流從行走軌返回牽引變電所，電流是按照人們的設(shè)計(jì)路線(xiàn)所需，在指定的通路中流動(dòng)。理想情況下行走軌電阻非常低，行走軌對(duì)大地的泄漏電阻為無(wú)窮大，此時(shí)經(jīng)行走軌回流的電流等于牽引電流，即所有的電流都經(jīng)行走軌回流至牽引變電所。但實(shí)際上行走軌有一定的電阻值，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)就形成了電位差，并且行走軌對(duì)大地的泄漏電阻也不會(huì)為無(wú)窮大，就不可避免的造成了部分電流不經(jīng)行走軌回流至牽引變電所，而是流入大地，然后通過(guò)大地回流至牽引變電所。泄露的電流會(huì)對(duì)線(xiàn)路周?chē)穆竦亟饘俟芫€(xiàn)產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕影響，若金屬管線(xiàn)的表面有漏鐵點(diǎn)，則部分電流就會(huì)選擇電阻率較低的埋地金屬管線(xiàn)作為電流回流路徑，從牽引變電所附近的管線(xiàn)中流出流回至牽引變電所，形成了雜散電流，電氣化鐵路車(chē)輛直流供電牽引系統(tǒng)形成的雜散電流如圖1所示。

圖1 電氣化鐵路車(chē)輛直流供電牽引系統(tǒng)

當(dāng)雜散電流在土壤中流動(dòng)時(shí)，流入埋地金屬管線(xiàn)的地方電位負(fù)向偏移，成為陰極區(qū)，處于陰極區(qū)的管線(xiàn)一般會(huì)受到雜散電流的電化學(xué)保護(hù)，但是當(dāng)陰極區(qū)的電位值過(guò)負(fù)時(shí)，金屬管道表面會(huì)發(fā)生析氫現(xiàn)象，導(dǎo)致此區(qū)域防腐層剝落和清脆；雜散電流流出管道的部位電位正向偏移，成為陽(yáng)極區(qū)，管道陽(yáng)極區(qū)域發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致埋地金屬管線(xiàn)的電化學(xué)腐蝕侵害，造成埋地金屬管線(xiàn)的管壁減薄，嚴(yán)重時(shí)能夠?qū)е侣竦亟饘俟芫€(xiàn)的穿孔，導(dǎo)致泄漏、爆炸、火災(zāi)等安全事故[1-5]。

其腐蝕機(jī)理如下：在中性、堿性或弱酸性的介質(zhì)中，由于氧的存在，在陽(yáng)極區(qū)一般發(fā)生吸氧腐蝕，即在腐蝕過(guò)程中氧氣得到電子被還原生成OH-的腐蝕，其電化學(xué)反應(yīng)式如下：

陽(yáng)極：Fe-2e=Fe2+

陰極：O2+2H2O+4e-＝4OH-

總反應(yīng)：2Fe+O2+H2O=2Fe（OH）2

反應(yīng)產(chǎn)物2Fe（OH）2將進(jìn)一步與氧氣和水進(jìn)行反應(yīng)，2價(jià)鐵離子繼續(xù)被氧化成3價(jià)鐵離子，最終生成疏松的鐵銹（Fe3O4）。

而處于陰極區(qū)（即電流流入?yún)^(qū)）的管道一般不會(huì)被影響，但是如果持續(xù)大電流流入，造成高電位差，會(huì)使管道上產(chǎn)生氫氣，造成析氫腐蝕。

通過(guò)對(duì)地鐵雜散電流的研究可以設(shè)計(jì)以下雜散電流等效電路如圖2所示。

圖2 地鐵雜散電流等效電路圖

圖中，It為牽引電流，Rr為行走軌電阻，Rt和Rs為牽引變電所及行走軌的泄漏電阻，R為土壤橫向電阻。通過(guò)等效電路，可以求得雜散電流公式：

通過(guò)公式（1）可以看出，雜散電流的大小與牽引電流、行走軌電阻、泄露電阻及土壤橫向電阻有關(guān)，特別的土壤橫向電阻可以通過(guò)公式（2）計(jì)算得到。

其中ρ為土壤電阻率，l為行走軌段與變電所間的距離，A為土壤的橫向面積，當(dāng)A取無(wú)限大時(shí)，R近似為0Ω。

公式（1）可變?yōu)椋?/p>

當(dāng)牽引電流一致時(shí)，行走軌電阻越大，雜散電流越大，泄漏電阻越大，雜散電流越小。

因此，針對(duì)受雜散電流干擾的管道進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)，不僅能夠提高地鐵系統(tǒng)的可靠性，而且能夠有效地降低城市埋地管線(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 雜散電流檢測(cè)概述

本次對(duì)輸油管道的通電電位、斷電電位、交流雜散電流干擾、直流雜散電流干擾以及土壤電阻率和地表電位梯度進(jìn)行測(cè)量，從而全面評(píng)估雜散電流的干擾情況。

針對(duì)直流雜散電流，對(duì)于沒(méi)有實(shí)施陰極保護(hù)的管道，宜采用管地電位相對(duì)于自然電位的偏移值進(jìn)行判斷。當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對(duì)于自然電位正向或負(fù)向偏移超過(guò)20mV時(shí)，應(yīng)確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對(duì)于自然電位正向偏移大于或等于100mV時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施[6]。

對(duì)于已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿(mǎn)足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。

對(duì)于交流雜散電流依據(jù)GB/T 50698-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí)，可不采取交流防護(hù)措施；高于4V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度法進(jìn)行更進(jìn)一步評(píng)估。需要提出的是，使用交流電流密度法進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需要在管道上連接腐蝕檢查片作為輔助評(píng)估措施。采用交流電流密度的計(jì)算公式[7]：

式中：Jac評(píng)估的交流電流密度（A/m2）；V交流干擾電壓的有效值的平均值（V）；ρ土壤電阻率（Ω﹒m）；d破損點(diǎn)直徑（m），d取0.0113。

當(dāng)交流干擾程度判定為強(qiáng)時(shí)，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；判定為中時(shí)，宜采取交流干擾防護(hù)措施；判定為弱時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

2 雜散電流評(píng)價(jià)

為了全面地反映目前某輸油管道受地鐵雜散電流干擾情況，我們選取了本次選取靠近地鐵的某輸油管道的3個(gè)測(cè)試樁作為檢測(cè)對(duì)象，選取1001#～1003#共計(jì)3處測(cè)試點(diǎn)，3處測(cè)試點(diǎn)均未設(shè)置排流設(shè)施。

本次評(píng)價(jià)對(duì)3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的通電電位、斷電電位、交流電壓及土壤電阻率進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方式選擇24h不間斷測(cè)量，通電電位、斷電電位的測(cè)量結(jié)果選擇最大值與最小值進(jìn)行記錄；交流干擾電壓選擇最大值進(jìn)行記錄；土壤電阻率采用文納四極法測(cè)量，測(cè)量5次取3次中間值再取平均的方法，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，其結(jié)果如表2和圖3所示。

表1 交流干擾的程度判斷表

表2 某輸油管道雜散電流干擾情況統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表2和圖3可以看出，1001#～1003#測(cè)試樁處管道受交流雜散電流影響較小，但是通電電位波動(dòng)大，斷電電位均大于-0.85V，未達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，管道受到直流雜散電流干擾，必須采取防護(hù)措施。

針對(duì)現(xiàn)狀，對(duì)1001#～1003#測(cè)試樁處進(jìn)行直流排流防護(hù)，采用極性排流器+鎂合金犧牲陽(yáng)極方式進(jìn)行排流。

根據(jù)排流實(shí)施后24h的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1001#～1003#測(cè)試樁斷電電位在-0.85～-1.20Vcse之間，斷電電位正于-0.85Vcse準(zhǔn)則百分比均小于5%，達(dá)到陰極保護(hù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 某輸油管道雜散電流治理后檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

圖4 管道排流后24h不間斷測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某輸油管道沿線(xiàn)管道進(jìn)行實(shí)地考察，系統(tǒng)分析介紹了輸油管道現(xiàn)行和維護(hù)情況，針對(duì)復(fù)雜的管道情況制定了可行有效的雜散電流排流實(shí)施方案，通過(guò)對(duì)管線(xiàn)沿途測(cè)試樁的保護(hù)電位測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，在陰極保護(hù)運(yùn)行保護(hù)期內(nèi)，管道保護(hù)電位符合-850 mV準(zhǔn)則，管道處于保護(hù)狀態(tài)。

展望：為了更加及時(shí)、精確掌握埋地輸油管道的雜散電流干擾情況，在后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中還可對(duì)現(xiàn)行管道進(jìn)行數(shù)智化升級(jí)改造，積極采用智能采集儀，建立和健全管道雜散電流數(shù)據(jù)庫(kù)，為管道的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供有力的保障[8,9]。