王昌楠

(中國石化銷售股份有限公司，北京 100035)

隨著城市化進程的不斷推進，城市運輸網(wǎng)絡規(guī)模日漸增大，經常會出現(xiàn)高鐵、地鐵、城鐵等電氣化鐵路與城市內埋地輸油管道并行、交叉的情況。如防護措施不當，可能導致電氣化鐵路中的電流隨著大地流入到埋地管道中，對埋地管道自身的陰極保護系統(tǒng)造成影響，使原本處于陰極保護下的管道產生雜散電流干擾，存在腐蝕風險。埋地輸油管道一般輸送的介質都存在有毒有害、易燃易爆的特性，由于腐蝕造成穿孔泄漏時，往往不易第一時間發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)時由于泄漏量的積累，極易產生爆炸，造成人員傷亡、環(huán)境污染、巨大經濟損失等。在特定環(huán)境下，管道存在雜散電流腐蝕且腐蝕電流較大時，往往可能會在短時間內腐蝕穿孔。據(jù)統(tǒng)計，中國東北地區(qū)超過2×103km的埋地油氣管道中80%的腐蝕穿孔是由于雜散電流引起的。一旦雜散電流產生后，管道在數(shù)年甚至數(shù)月內就會腐蝕穿孔，對管道的危害極大，因此研究電氣系統(tǒng)對管道的雜散電流腐蝕以及排流方法有重大的意義。

1 雜散電流干擾原理

按照干擾源種類，雜散電流干擾對于管道的影響大致可分為直流雜散電流和交流雜散電流干擾。直流雜散電流干擾包括： 直流制電力牽引運輸系統(tǒng)(如電氣化鐵路和電車等)、直流輸送線路、其他結構或設備自身安裝使用的陰極保護系統(tǒng)等；交流雜散電流干擾包括： 電網(wǎng)中高壓電力線路設施和交流電氣化鐵路相關設備等。由于交流雜散電流干擾比直流雜散電流的干擾能力弱，按照國際標準，當交流雜散電流大于100 A/m2時才會出現(xiàn)可預測的腐蝕，在某成品油管道周邊并未檢測到該量級的交流雜散電流產生，因此實際中某成品油管道的雜散電流干擾，更多是由于地鐵等直流制電力牽引運輸系統(tǒng)引起的。但是對于交流電流產生的雜散電流干擾，還是需要引起管道檢測人員的關注，例如： 定期觀測管道中交流雜散電流的電壓是否超過4 V的標準。

目前，中國地鐵等的供電系統(tǒng)主要采用了直流供電的方式， 首先通過架空電力線路或者運行中接觸的軌道向地鐵列車輸送直流電，之后通過線路中的走行軌道將電流傳輸回牽引變電所，牽引變電是該類運輸設備的電流來源。由于工藝標準、材料絕緣性、老化等情況，最終鋼制軌道并不可能做到對地面的完全絕緣，所以造成了部分電流從鋼軌泄漏到大地，再通過大地流回牽引變電所，流入大地的這部分直流電流對于埋地管道的影響被稱之為直流雜散電流干擾。相對于大地中的土壤電阻，管道的電阻更低，所以電流會優(yōu)先選擇在土壤中的管道作為回流路徑，從管道防腐層破損靠近牽引變電站的陽極位置流入，并從管道中靠近遠端鋼軌陰極區(qū)域流回，在土壤與管道間形成一個閉合的回路。其中在埋地管道電流流出的位置將根據(jù)電流強度產生不同程度的腐蝕，甚至可能導致管道在較短時間內就腐蝕穿孔，為管道的安全運行帶來很大的風險。直流雜散電流干擾示意如圖1所示。

圖1 直流雜散電流干擾示意

當管道存在雜散電流腐蝕時，電流進出位置分別在管道的陰極區(qū)域和陽極區(qū)域，當雜散電流干擾源的陽極區(qū)域與管道接近時，由于電勢差，造成電流流入管道，該位置為管道的陰極區(qū)域，在該區(qū)域內測量管道對地電位普遍偏負，此時進入的電流勢必會在某處流出并流回干擾源的遠端陰極，該情況易出現(xiàn)在埋地管道與軌道或設備較近的位置，該位置為管道的陽極區(qū)域，在該位置中管道流出電流至軌道或設備，同時流出的電流造成管道的鐵離子流失，形成腐蝕，主要通過測量管道對地電位出現(xiàn)正向偏移來體現(xiàn)。一條受直流雜散電流干擾的管道勢必存在至少一對的陽極區(qū)域和陰極區(qū)域，這兩種區(qū)域內根據(jù)不同的土壤環(huán)境可發(fā)生不同的化學反應。

2 直流雜散電流監(jiān)測

一般情況下，在檢測埋地輸油管道受到的直流雜散電流干擾時，可以利用未開啟陰極保護系統(tǒng)時埋地管路上任一點的管地電位和管道自腐蝕電位進行比對，分析和評測管道本身電位偏移的情況，在出現(xiàn)復雜情況時，也可利用直流電壓梯度(DCVG)檢測法來進行測試和分析。埋地管道直流雜散電流干擾程度參考指標見表1所列。

表1 埋地管道直流雜散電流干擾程度參考指標

當埋地管道上任意一點的對地電位和管道自然電位對比產生偏移量達到正向20 mV或上方土壤的電壓梯度大于0.5 mV/m時，可以判斷為管道受到直流雜散電流干擾。在此基礎上，當管地電位正向偏移大于100 mV或者土壤電壓梯度大于2.5 mV/m時，由于干擾較強，管道管理單位應及時對該處的直流雜散電流進行排流或采取其他防護措施。

在分析中，當交流與直流雜散電流同時產生而無法區(qū)分時，也可采用對應的靜態(tài)、動態(tài)雜散電路檢測方法，主要分析和判斷管道對地電位的波動值或管道產生的感應電流波動值。特殊情況下干擾程度的評價指標見表2所列。

表2 特殊情況下干擾程度的評價指標

當管地電位波動值大于200 mV或感應電流波動值大于2 A時，應采取雜散電流排流措施或其他保護措施。

3 某成品油管道現(xiàn)狀

某公司外管道沿城市外環(huán)路敷設，其中輸送汽油或柴油的成品油管道全長151.3 km，輸送航空煤油的管道全程98 km。管道材質為L360，設計壓力為6.4 MPa，設計溫度和操作溫度均為常溫，管道規(guī)格分別為φ323.1 mm×7.1 mm，φ273.0 mm×6.4 mm。管道沿線與某市地鐵X號線、Y號線、鐵路等并行或者交叉，全線共設有4座強制排流陰極保護站。地鐵/輕軌運輸系統(tǒng)在運行期間，使該成品油管道在各管段均受到不同程度的直流雜散電流干擾，造成該成品油管道部分管段測試樁管地電位波動且頻率快，波動范圍中等，影響距離較遠，未排流時已造成該成品油管道部分管段在地鐵/輕軌運行期間陰極保護呈失效狀態(tài)。此后該公司開展了多次的雜散電流排流工作，但直流制電力牽引運輸系統(tǒng)的日益擴張仍不斷給管道后期安全運行帶來新的安全風險。以下詳細介紹該公司雜散電流排流防護技術。

4 排流技術

為了防止管道的雜散電流腐蝕，在存在雜散電流的位置需要排流保護。依據(jù)雜散電流排流方式的不同，可分為跨接排流法、極性排流法、接地排流法和強制排流法四種。在實際工作中，根據(jù)管道周圍不同的干擾環(huán)境選擇合適的排流方法，采用一種或多種排流方法有效保護管道。

4.1 跨接排流法

對于直流制電力牽引運輸設備附近的埋地管道，用電纜將埋地管道與運輸設備的鐵軌或者負回歸線進行電連接，將流入管道的雜散電流直接通過導線跨接排回干擾源。

跨接排流法無需排流設備，是一種在國外常用且有效的排流方法，造價低廉，僅需要確定管道的陰極干擾區(qū)并對埋地管道和軌道通過線纜跨接即可。適合于管道上存在穩(wěn)定不變的陰極區(qū)域的情況，在直接連接的電纜中可串聯(lián)可調電阻、控制開關以及斷路系統(tǒng)，據(jù)此可控制排流量的大小及管道的相對電位，以防止排流量過大造成管道防腐層的老化和剝離。同時為了更好地削弱雜散電流影響，也可在此基礎上加固屏蔽陽極干擾區(qū)的管道防腐層，盡可能削減流入管道的雜散電流，跨接排流法如圖2所示。

圖2 跨接排流示意

該方法存在兩個問題： 一是當前國內軌道交通行業(yè)出于對自身安全管理的考慮，并不同意進行該類跨接方式排流，同時在與某市相關軌道交通施工單位交流過程中了解到目前雜散電流排流軌道交通業(yè)標準與國家標準存在差異，需要相關部門重新修訂相關內容，使雙方能夠處于共同的安全運行環(huán)境中；二是該方法只適用于管道的對地電位高于鐵軌對地電位的情況，當管道電勢低于干擾結構跨接位置的電勢時，跨接后將造成新的干擾電流流入管道中，產生逆流，造成雜散電流干擾的增加和陰極干擾區(qū)的增強或增多，該情況概率在實際運行中較低。考慮在跨接后可能對直流制牽引運輸設備產生額外的信號干擾，并且在運行維護中相對自身增加了新的監(jiān)控點和管理負擔，因此不建議采用該種排流方式。

4.2 極性排流法

在跨接排流法中提到的管道電勢低于干擾結構跨接位置電勢的情況，為了防止逆流的產生，設置一種裝置，使埋地管道回路中的直流雜散電流單向由管道流入干擾結構中。這種裝置主要是由逆電壓繼電器和二極管組成的，由于二極管的單向導通性，因此該方法也可稱為極性排流法。

極性排流法是目前國內外廣泛應用的排流方法之一，具有單向導電性，只允許雜散電流從管道排除，而不允許雜散電流流入管道，能防止逆流。該種排流法的特點： 一是當直流制電力牽引運輸設備與管道產生的電勢差產生波動時能夠可靠排流；二是在排流過程中，由于二極管的特性，正向電流流通性好，反向抗壓大，產生的逆電流較小；三是由于配件、結構簡單，維護方便，同時適用于較復雜環(huán)境；四是該設備可以在發(fā)現(xiàn)異常電流時自我切斷，降低了電流損壞設備本體或管道的概率。極性排流法如圖3所示。

圖3 極性排流法示意

針對在陰極干擾區(qū)產生的埋地管道電勢低于直流制電力牽引運輸系統(tǒng)電勢的情況，根據(jù)實際情況分析，由于存在第三種干擾源正在干擾運輸系統(tǒng)，因此在進行該種方式排流時應當分析范圍內全部設備設施情況，共同治理，才能達到較經濟且有效的治理方案。該種排流方式還存在以下問題： 一是如果選用連接軌道設備的方式則同樣存在跨接排流的問題；二是如果間接通過輔助陽極流入大地，由于輔助陽極的局限性，根據(jù)干擾強度，排流更趨近于緩解而非徹底解決；三是由于二極管整流作用，該種方式不適用于緩解交流干擾；四是當阻止電流逆向流入管道時可能造成電流在就近管道區(qū)域流入，在其他位置形成新的管道陽極區(qū)域，需要在實際應用時加以關注；五是該種排流方式在應對異常大電流時主要依靠損壞二極管來保護管道設備，雖然二極管價格低廉，但在損壞期間將無法得到有效排流，需要經常對排流設備進行檢查維護。

4.3 接地排流法

接地排流法與其他排流方法不同之處在于，排流電纜不直接連接到鐵軌上，而是連接到一個埋地輔助陽極上，電流先在大地中疏散，然后再經過土壤流回到鐵軌上，這樣避免了對鐵路信號造成直接干擾。

由于地鐵運行和管道運行歸屬不同的管理企業(yè)，因此企業(yè)之間相互協(xié)調難度大。目前最常見的直流雜散電流排流措施就是接地排流，通過導線將管道與排流接地體連接，利用排流接地體將管道上的雜散電流排入大地，降低雜散電流經管道流入大地所造成的管道母材腐蝕風險。

接地排流法對排流地床材質和接地電阻具有較高的技術要求，排流地床接地電阻應盡可能低，這樣有利于雜散電流經排流地床流入大地。排流地床材質應選擇相對電位較負的材料，這樣有利于提高管道正電位的抑制能力，目前，排流地床接地材質一般選用鎂陽極。接地排流法如圖4所示。

圖4 接地排流法示意

以某市地鐵X號線排流為例：X號線與某成品油管道垂直交叉，排流點位于交叉點西側約100 m處，治理前管道電位波動范圍-5.062 6～4.999 4 V，平均值-0.848 1 V，管道電位波動幅度10.062 V。采取接地排流措施后，管道電位波動范圍-3.499 7～0.899 3 V，管地電位平均值-1.571 7 V，波動幅度4.399 V左右，依據(jù)直流雜散電流排流準則計算正電位平均值比η為90.97%，滿足排流準則規(guī)定正電位平均值比為85%的規(guī)定。排流前后管道管地電位V1，V2監(jiān)測數(shù)據(jù)(截取最大波動時間段，時長4 h)如圖5所示。

圖5 排流前后管地電位監(jiān)測數(shù)據(jù)(截取最大波動時間段)示意

接地極采用的是犧牲陽極組，該方式可以給管道提供部分保護電位，受限于每組犧牲陽極與管道產生的保護電流，也可看出，此處直流雜散電流排流雖然采用了接地排流，但由于接地排流驅動電流較小，造成了排流效果一般，如果想繼續(xù)提高排流效果，就需要安裝更多的排流地床，施工范圍規(guī)模擴大，并且犧牲陽極組需要定期更換，在城市用地協(xié)調費用高的現(xiàn)實情況下，無形中給企業(yè)帶來巨大的經濟投入。

4.4 強制排流法

強制排流法的原理類似于外加了一套陰極保護系統(tǒng)，是在管道與鐵軌(或接地陽極)之間安裝一個整流器，可起到電位控制器的作用。在外部存在電位差的條件下強制進行排流，其功能兼具排流和陰極保護的雙重作用，比較經濟、有效。

強制排流技術就是針對目前排流技術存在的弊端而研發(fā)的一種全新排流技術。當前該公司正在使用的直流雜散電流強制排流系統(tǒng)是通過安裝在管道上的監(jiān)測探頭實時監(jiān)測管道管地電位，將采集到的數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)中心處理器單元，通過處理后向設備電流補償單元或電流吸收單元發(fā)出控制指令，調整補償電流或吸收電流的大小，將管道電位控制在規(guī)定的范圍內，是一套自適應強制排流系統(tǒng)。該強制排流系統(tǒng)組成及原理如圖6所示。

圖6 強制排流系統(tǒng)組成及原理示意

以某成品油管道與地鐵Y號線垂直交叉為例，強制排流點位于干擾源南側約160 m處，監(jiān)測樁選擇位于排流點北側500 m測試樁。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，治理前管道試片斷電電位波動范圍為-1.203 4～0.811 7 V，平均值-0.640 7 V，波動幅度2.015 1 V，欠保護電位比例為69%，試片電流流向正負交變。未排流管道管地電位V3和試片電流I1監(jiān)測曲線分別如圖7，圖8所示。

圖8 未排流管道試片電流監(jiān)測曲線示意

采取強制排流措施后，試片斷電電位波動范圍為-0.941 4～-1.187 3 V，均處于保護范圍，斷電電位平均值-1.126 9 V，波動幅度0.245 9 V，試片電流I2均顯示從大地流向管道，管道處于保護狀態(tài)。排流后管道管地電位V4和試片電流I2監(jiān)測曲線分別如圖9，圖10所示。

圖9 排流后管道管地電位監(jiān)測曲線示意

圖10 排流后管道試片電流監(jiān)測曲線示意

不同控制電位和模式下的通斷電位情況如圖11所示，不同強制電流排流設備在不同參數(shù)的設置同只運行恒電位儀進行對比可以看出，在啟動強制排流設備后，正向電位有明顯消除。

直流雜散電流強制排流器能夠在一定范圍內給管道提供足夠的陰極保護電流，且管道極化電位均在陰極保護規(guī)則范圍內。強制排流器系統(tǒng)運行后，線路各測試樁處管道極化電位波動范圍較小，隨著距離增大波動范圍逐步變大。隨著距離設備安裝位置保護效果逐漸減弱，通過對各測試樁24 h電位監(jiān)測，強制排流器系統(tǒng)運行后，可以給干擾源兩側約10 km處的管道提供保護電流。距排流設備9.5 km處管地電位V5保護情況如圖12所示，強制排流設備運行/停機上下游測試樁電位V6分布如圖13所示。

圖11 在不同控制電位和模式下的通斷電位情況示意

圖12 距排流設備9.5 km處管地電位保護情況示意

圖13 強制排流設備運行/停機上下游測試樁電位分布示意

該直流雜散電流強制排流器是一種全新的強制排流技術方案，直流強制排流器會實時監(jiān)測管道存在的雜散電流變化，在管道保護電位正于保護電位設定的值時，系統(tǒng)啟動強制排流器補償電路，及時給管道提供保護電流。該系統(tǒng)采用目前較先進的電子、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)通信與控制技術于一體，該設備具有體積小，質量輕、低噪音、數(shù)字化控制、無需人員值守等優(yōu)點，只需1臺能聯(lián)網(wǎng)的計算機即可隨時了解設備工作參數(shù)、狀態(tài)，并遠程控制設備的運行參數(shù)。其創(chuàng)新點如下：

1)開發(fā)了高性能電位采集濾波電路，加入了軟硬件協(xié)同濾波技術，提升了電位采集電路對工頻及諧波的抑制能力，解決了目前市面上電位采集電路對工頻及諧波抑制能力低的問題。

2)開發(fā)了數(shù)據(jù)通信協(xié)議，防止非法數(shù)據(jù)入侵。

3)開發(fā)了直流雜散電流強制排流器應用服務管理系統(tǒng)，采用B/S構架，對系統(tǒng)特定功能的二次控制加密功能，保障設備參數(shù)的安全控制。

在應用該種排流方式時，還應注意防止管道過保護，一方面是避免陰極析氫造成防腐層剝離，另一方面是防止管道保護電流過大，在夜間直流制電力牽引運輸設備停運時造成反向干擾，同時也可能會對周邊埋地金屬管道造成干擾，因此要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行適當排流，既要保護自身設備，也要注意不干擾其他設備。

4.5 排流效果

在排流保護設施安裝完成、運行穩(wěn)定后，需評定測試排流保護效果。在參考相關標準及文獻后，一般要求排流應做到以下標準：

1)埋地管道在干擾源運行時的電位應在排流后達到管道陰極保護系統(tǒng)啟動且干擾源電流斷開時的電位值，且在陰極干擾區(qū)內的管地電位應分布均勻。

2)由于排流方式的不同，在采用強制電流排流時還應關注管道電位過負產生的過保護情況。

3)在日常管道管理中增加對于各排流點的監(jiān)控，將發(fā)現(xiàn)的問題及時解決，確保管道處于陰極保護狀態(tài)。

此外，在對復雜區(qū)域保護實驗數(shù)據(jù)進行驗證時，還可通過正電位平均值比進行排流保護排流效果的進一步評定，正電位平均值比計算如式(1)所示：

(1)

式中：ηv——正電位平均值比，%；V1(+)——埋地管道排流前所測得的平均正電位值，V；V2(+)——埋地管道排流后測得的平均正電位值，V。

針對式(1)的排流保護效果評定指標見表3所列。

表3 排流保護效果評定指標

在對該成品油管道應用的兩處采用不同雜散電流排流方式進行數(shù)據(jù)監(jiān)測后，對比了接地排流和強制排流的排流效果。采用強制排流技術后，管道管地電位正向電位安全消除，這是因為強制排流技術具有較大的雜散電流補償和吸收能力。同時，強制排流器不受排流地床材質和天氣等因素影響，這是傳統(tǒng)的接地排流無法達到的，因此，強制排流技術排流效果優(yōu)于傳統(tǒng)的接地排流。

5 市場應用價值及展望

隨著各地城市建設速度加快，越來越多的直流用電設備投入生產運行，埋地管道受雜散電流干擾影響情況也將會進一步加劇，直流強制排流器作為一種新的強制排流技術，具有排流效果好、影響距離遠等優(yōu)點，有較高的市場應用推廣價值，也為國內外排流技術的發(fā)展探索了新的方向。

目前該系統(tǒng)功能及應用還需要進一步的完善和摸索，而且針對過度保護電流如何削弱還需要深化設計，筆者將繼續(xù)保持對該技術的研究改進和應用試驗。通過對該技術的逐步完善，達到最大化消除直流雜散電流的目的。