馬雪莉

國家管網集團山東公司

 

摘要：通過某原油長輸管道地鐵雜散電流排流措施試驗，對比分析了不同排流點及排流方式的排流效果，試驗證明不同排流位置對排流效果的影響明顯，且不同排流方式之間也存在明顯差異。研究結論可為管道受到地鐵干擾排流時排流方案設計提供借鑒。

關鍵詞：陰極保護；雜散電流；排流位置；排流方式

 

在地鐵供電系統中，由于列車通常應用直流電作為牽引電流，地鐵運行需牽引變電站通過牽引網將直流電輸送給地鐵機車，再通過鐵軌將電流送回牽引變電站，形成閉環電流回路。但是，隨著地鐵運行時間的增長，鋼軌與大地之間的絕緣電阻會減小，牽引電流經鋼軌回流至負極時，將會有一部分電流泄漏至大地。這部分被留存和泄漏的電流被稱為雜散電流，它容易與埋地鋼制輸油氣管道等產生反應，影響管道的使用壽命。因此，針對流入管道的這部分雜散電流需要進行排流處理。

地鐵干擾引起鋼制埋地管道腐蝕問題已得到管道企業高度重視，越來越多的管段安裝了直流排流設施。但管道排流工作非常復雜，影響因素眾多，且地鐵興建于城市區域，存在人員密集、開挖難度大、不易施工等問題，給排流設施安裝帶來不便。盲目采取防護措施可能付出較大代價，卻不能獲得預期的效果。本文通過現場對比測試，驗證了不同排流點、不同排流方式對排流效果的影響，可為制定地鐵造成的雜散電流干擾防護方案提供依據。

1  試驗管道雜散電流干擾測試分析

2022年建成投用的某原油長輸管道總長度約340 km，管徑762 mm，壁厚10.3 mm /11.9 mm，管道設計壓力8.0 MPa，運行壓力4.0 MPa。管道采用強制電流陰極保護方式進行保護。該長輸管道與地鐵軌道交通A號線交叉于13#測試樁，陰極保護系統運行受到干擾，陰極保護電位波動明顯，保護電源無法采用恒電位模式平穩運行。為開展管道雜散電流測試分析，劃定試驗區域，設置管道測試點與干擾源位置（表 1、圖 1）。

表 1 管線沿線雜散電流干擾測試點

圖 1 管線沿線雜散電流干擾測試點

對管道沿線雜散電流干擾測試點采用YH-DL2數據記錄儀進行24 h監測，測試數據包括管道通電電位、斷電電位。測試主要依據AS 2832.1-2015《Cathodic Protection of Metals,Part1:Pipes and cables》，按照電位偏移不同幅度的時間百分比進行統計，各測試點斷電電位分別正于﹣850 mV保護標準0 mV、50 mV、100 mV、850 mV的時間與總監測時間的百分比來評價（表 2）。

表 2 管線沿線雜散電流干擾測試點

從監測結果可以看出，試驗管段各測試點斷電電位最大值與最小值相差較大，管道電位波動明顯。通過統計斷電電位偏移不同幅度的時間占總監測時間的百分比，發現不能滿足標準要求。選取其中測試點繪制通斷電電位監測圖（圖 2 ）。

圖 2 10#+880 m通斷電電位監測圖

監測時間段內10#+880 m在23:50至5:20時間段通斷電電位波動較小，其余時間段通斷電電位波動劇烈。觀察通斷電電位監測圖，可以發現管道電位存在明顯的波動期與平穩期，其中管道電位在地鐵運行時波動劇烈，地鐵停運后（該地鐵正常停運時間為23:50，停止工作時間不定）電位趨于平穩。管道電位變化與地鐵運行具有時間同步性，因此可以判定試驗管段受到明顯的地鐵雜散電流干擾。

2  試驗技術方案

2.1  試驗方案

為了驗證排流點選址及排流方式的不同對排流效果的影響，試驗分別選擇在管道與地鐵交叉點（13#測試樁）及交叉點上下游測試樁（12#、14#測試樁），利用原有地床進行雜散電流排流實驗，分別采取負電位接地排流、極性排流器排流、智能排流器排流三種排流方式。

其中負電位接地排流是指管道通過電纜連接到一個埋地輔助陽極上，將雜散電流從管道排除到陽極上，經過土壤再返回鐵軌。極性排流器排流是指極性排流具有單向導電性，一定程度上只允許雜散電流從管道排出，而不允許雜散電流進入管道，能防止逆流。智能排流器排流是對于直流干擾通過內置微控電源智能調節。

各排流點陽極皆為ZP-5型，18 kg鋅陽極。現場水平布置，陽極放置在填料包中，間隔2 m，埋深1.5 m。根據陽極地床狀況（表 3），設置極性排流器及智能排流器工作參數（表 4）。

表 3 排流點陽極地床狀況表

表 4 極性排流器與智能排流器工作參數

2.2  測量方法

采用智能數據采集器（YKM-CP-DataRec）對管道進行24 h通斷電電位監測，參比電極為銅/硫酸銅便攜參比電極，極化試片與硫酸銅參比電極一體（可以減小參比電極與極化試片距離），試片裸漏面積為6.5 cm2、材質與管道同材質為L450M。

在管道一側，與管道中心線同深、距離管道外壁0.5 m左右的位置鉆孔放置試片及參比電極。試片極化時間大于2 h，充分極化后（圖 3）連接數據采集器。采集器通斷電周期設置為4 s通，1 s斷，采樣頻率對應設置為12次/min。

圖 3 管道電位監測接線圖

2.3  評價方案

基于管道受地鐵運行造成的動態雜散電流干擾特性，采用GB/T 21448―2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》與AS 2832.1―2015《Cathodic Protection of Metals, Part1:Pipes and cables》（金屬的陰極保護1：管道和電纜）進行評價。

以斷電電位正于保護準則0 mV的時間不超過總監測時間5%，正于保護標準+50 mV的時間不超過總監測時間2%，正于保護標準+100 mV的時間不超過總監測時間1%，正于保護標準+850 mV的時間不超過總監測時間0.2%，作為評判依據對試驗管段陰保是否合格進行對比評判。

3  試驗結果分析

根據試驗方案分別在12#、13#、14#測試樁排流點采用負電位接地排流、極性排流器排流、智能排流器排流三種排流方式，在排流的同時固定在13#測試樁監測各種排流方式下測試樁陰保數據（表 5），不同排流點排流時，監測各排流方式斷電電位波動幅度。

表 5 不同排流點各排流方式斷電電位波動幅度

對于地鐵干擾下動態直流雜散電流干擾，比較在不同排流點排流保護下各排流方式對于斷電電位波動的緩解效果。

縱向比較，在12#測試樁排流時斷電電位波動幅度由2670 mV減小至500 mV以內，下降明顯，在13#、14#測試樁排流時斷電電位波動幅度有所下降，但作用有限。相對13#測試樁排流時效果最差，可以看出不同排流點排流效果存在差異。

橫向比較，對于三種排流方式，管道斷電電位波動幅度都有所減緩，當采用智能排流器排流時斷電電位波動幅度最小，保護效果最為顯著。

參照AS 2832.1―2015評判標準，在不同排流點排流時統計排流前后13#測試樁斷電電位較保護電位偏正不同幅度占總監測時間的百分比來評判排流效果（表 6）。

表6 不同排流點各排流方式較保護電位時間百分比

縱向比較，在12#測試樁排流時各排流方式較保護電位偏正時間占比都下降至標準以內，滿足標準要求，而在13#、14#測試樁排流時偏正時間占比雖然有所改善，但偏正0 mV、50 mV、100 mV百分比仍大于標準要求，排流效果不能滿足標準要求，其在14#樁排流時效果相對好于在13#樁排流。

橫向比較，對于三種排流方式，都能對干擾程度有所改善，當采用智能排流器排流時各偏正幅度時間占比在三種排流方式中最小，甚至在12#測試樁排流時正于﹣850 mV時間占比降為0%，效果最為顯著。

試驗結果顯示，對于地鐵干擾下的動態直流雜散電流干擾，排流防護設施安裝位置對排流保護效果影響非常大，在試驗管段13#測試樁、14#測試樁安裝各種排流防護設施，管道電位改善效果較差，不能滿足標準要求。而在12#測試樁安裝排流防護設施，管道保護效果非常好，滿足標準要求。同時，負電位接地排流、極性排流器排流與智能排流器排流都能有效抑制地鐵直流干擾，但是不同排流方式排流效果同樣存在差異，對于試驗中的三種排流方式來說，試驗管段排流采用智能排流器時效果相對最好。

4  結論

受設計、施工以及運行年限等因素的影響，地鐵運行外泄的雜散電流會對鄰近的埋地鋼制管道產生腐蝕威脅，需要采取一定的措施進行排流，以減小雜散電流干擾。

（1）排流點不同，排流效果差異明顯。安裝排流防護設施時需要進行詳細的測試試驗，選擇合適的排流防護點，才能最大限度發揮排流設施的作用，達到提高管道保護效果的作用。

（2）負電位接地排流、極性排流器排流與智能排流器排流都能有效抑制地鐵直流干擾，同時不同排流方式或設施排流效果存在差異，排流前需要對于各種排流設施進行對比試驗，綜合考慮各種因素后進行排流方式或排流設施的選型。

（3）此次試驗分別在地鐵與管道交叉點及交叉點上下游進行排流試驗，試驗結果顯示在交叉點排流效果最差，在交叉點兩側排流存在明顯差異。當然，試驗僅為個例，管道排流點與地鐵的相對位置對于排流效果的影響是否存在某種規律，還需要后續研究論證。

作者簡介：馬雪莉，1987年生，西南石油大學油氣儲運工程專業畢業，本科，工程師，一級造價工程師，主要從事管道工程、管道腐蝕防護等工作。聯系方式：18660136323，maxl@pipechina.com.cn。