陳 程

(武漢市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430030)

0 前 言

根據(jù)交通運(yùn)輸部城市軌道交通運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示，2023 年2 月我國(guó)已有52 個(gè)城市(包含縣級(jí)市)開通了城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)里程近萬(wàn)公里，其中30 多個(gè)城市貫通地鐵。 近幾年，北京、上海、深圳、武漢等城市地鐵雜散電流干擾工作顯示，地鐵雜散電流是造成埋地燃?xì)夤艿栏g穿孔泄漏的重要隱患[1-5]。 在直流牽引供電系統(tǒng)中鋼軌自身存在縱向電阻，且與大地不能做到完全絕緣，常用的幾種雜散電流源頭控制措施無(wú)法避免雜散電流的產(chǎn)生，開展動(dòng)態(tài)直流雜散電流對(duì)埋地金屬管道干擾和防護(hù)的研究，對(duì)于管道的安全運(yùn)行具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義[6]。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)動(dòng)態(tài)雜散電流的干擾做了較多工作，Simon[7]通過埋設(shè)檢查片研究輕軌開通前后對(duì)埋地管道的影響，測(cè)試了檢查片的流入、流出電流密度，通過法拉第定律計(jì)算流出電流密度對(duì)應(yīng)的腐蝕速率來(lái)分析管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并適時(shí)調(diào)整陰極保護(hù)站輸出，使檢查片均為受保護(hù)狀態(tài)。 Greenberger 等[8]利用模型模擬計(jì)算雜散電流對(duì)牽引變電站附近裸鑄鐵水管的腐蝕影響，假定不同比例泄露電流，計(jì)算管道與變電站不同間距的腐蝕電流密度(對(duì)應(yīng)腐蝕年限)和影響范圍，從而為管道設(shè)計(jì)提供參考。 Allahkaram 等[9]對(duì)受到動(dòng)態(tài)雜散電流干擾的天然氣管道進(jìn)行腐蝕檢查片的埋設(shè)，同步進(jìn)行試片電流密度和通電電位的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)實(shí)際腐蝕速率僅為計(jì)算腐蝕速率的27%。 Qian 等[10]研究了X52 管線鋼在陽(yáng)極和陰極不同電流密度下電位和pH 值的變化，發(fā)現(xiàn)雜散電流在陽(yáng)極區(qū)加速管道腐蝕，在陰極區(qū)提供保護(hù)電流。 Xu 等[11]搭建了地鐵雜散電流干擾模擬試驗(yàn)裝置，測(cè)試了不同干擾參數(shù)下鋼筋和管道的極化電位的變化，獲得了不同干擾參數(shù)和腐蝕嚴(yán)重程度的非線性關(guān)系曲線。 唐德志等[12]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法進(jìn)行了鎂合金犧牲陽(yáng)極排流技術(shù)的應(yīng)用研究，其結(jié)果表明，干擾狀態(tài)下當(dāng)管道電位正向不超過＋1.5 V(vs CSE)時(shí)，鎂合金犧牲陽(yáng)極可以有效地抑制地鐵雜散電流干擾，但其保護(hù)范圍有限。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于地鐵雜散電流的干擾評(píng)估與防護(hù)的研究主要集中在理論設(shè)計(jì)與緩解措施的應(yīng)用，但大多數(shù)僅僅局限于雜散電流產(chǎn)生的原因、危害以及檢測(cè)和防護(hù)方法的基本介紹，關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案較少[13-17]。 本工作介紹了華南某段成品油管線直流雜散電流干擾測(cè)試數(shù)據(jù)及干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，并考察了自身陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試，進(jìn)出站絕緣接頭跨接，強(qiáng)制電流排流3 種方案的緩解效果，最終確定強(qiáng)制電流排流為最優(yōu)緩解方案。 該工作可為管道雜散電流干擾的防護(hù)設(shè)計(jì)以及陰極保護(hù)站的布局或優(yōu)化輸出電流提供參考。

1 測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 21246-2020 “埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法” 規(guī)定的埋地管道管地電位測(cè)量方法[18]，采用uDL2 Data Logger 電位數(shù)據(jù)記錄儀和飽和硫酸銅參比電極進(jìn)行測(cè)試，記錄頻率為1 次/s，記錄時(shí)長(zhǎng)≥20 h。 其中直流雜散電流的測(cè)試試片尺寸選擇6.5 cm2，通斷周期為5 s(通4 s，斷1 s)；在斷電后300 ms時(shí)測(cè)試斷電電位。 絕緣接頭采用電位法進(jìn)行測(cè)試，陽(yáng)極地床接地電阻采用長(zhǎng)接地體接地電阻測(cè)試法，土壤電阻率采用對(duì)稱四極交流電法，電極間距為2 m，測(cè)試儀器均為ZC-8 型接地電阻測(cè)試儀。

2 結(jié)果與討論

樟村閥室至東莞站段某成品油管線，自東莞地鐵投運(yùn)以來(lái)，ZC 閥室至54 號(hào)測(cè)試樁段管道管地電位波動(dòng)頻繁劇烈，部分位置陰極保護(hù)電位不滿足GB/T 21448-2017 “埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范”[19]中的要求。 現(xiàn)場(chǎng)勘查得知，該段管線與東莞地鐵2 號(hào)線位置關(guān)系如圖1 所示。 在44 號(hào)＋909 與46 號(hào)＋529 測(cè)試樁之間存在一處交叉，并在ZC 閥室至44 號(hào)＋909 測(cè)試樁段存在并行，并行間距小于1 km，并行長(zhǎng)度約2.5 km。 本次測(cè)試對(duì)ZC 閥室及DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，包括:恒電位儀、絕緣接頭、輔助陽(yáng)極地床、土壤電阻率、管道沿線通斷電電位以及直流雜散電流干擾。

圖1 東莞地鐵2 號(hào)線與管線位置關(guān)系圖Fig.1 Location relationship between dongguan metro Line 2 and pipeline

2.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)

ZC 閥室至DW 站管線共約22.5 km，共設(shè)置外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)2 套，其中ZC 閥室1 套，保護(hù)上下游管線；DW 站1 套，保護(hù)進(jìn)站及出站管線，站內(nèi)未設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)，恒電位儀均可正常運(yùn)行。 陰極保護(hù)系統(tǒng)分布如圖2 所示。 ZC 閥室未設(shè)置絕緣接頭，DW 站進(jìn)出站管線均設(shè)置有絕緣接頭，DW 站進(jìn)站與出站管線在恒電位儀陰極線及零位線接線柱處設(shè)置有跨接，ZC閥室和DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)輔助陽(yáng)極地床接地電阻分別為8.21 Ω 和7.82 Ω，相對(duì)較高。

圖2 ZC 閥室至DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of cathodic protection system from ZC valve chamber to DW station

采用電位法對(duì)DW 站進(jìn)出站絕緣接頭進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示，進(jìn)出站位置絕緣接頭，站內(nèi)、站外管線通電電位及交流電壓平均值存在明顯差異，可判斷進(jìn)站位置絕緣接頭良好。

表1 DW 站進(jìn)出站絕緣接頭測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of insulated joint in and out of DW station

2.2 土壤電阻率測(cè)試

管道沿線共完成土壤電阻率測(cè)試23 處，測(cè)試結(jié)果如表2 和圖3 所示，根據(jù)GB/T 21447-2018[20]判斷1處土壤腐蝕性“強(qiáng)”(電阻率＜20 Ω·m)，7 處土壤腐蝕性為“中”(電阻率20～50 Ω·m)，15 處土壤腐蝕性為“弱”(電阻率＞50 Ω·m)。

表2 ZC 閥室至DW 站土壤電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of soil resistivity from ZC valve chamber to DW station

圖3 ZC 閥室至DW 站土壤電阻率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of soil resistivity from ZC valve chamber to DW station

2.3 直流雜散電流監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)

2.3.1 測(cè)試結(jié)果評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于雜散電流干擾下的管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 21448-2017[19]及GB 50991-2014[21]均側(cè)重穩(wěn)態(tài)的直流干擾，但關(guān)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的評(píng)判還不完善，而在國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，如澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1-2015[22]就考慮了動(dòng)態(tài)雜散電流的干擾，對(duì)地鐵雜散電流干擾下陰極保護(hù)管線的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)做了如下規(guī)定，對(duì)于短時(shí)間極化的構(gòu)筑物，防腐層性能良好的構(gòu)筑物或已證實(shí)對(duì)雜散電流的響應(yīng)為快速極化和去極化的構(gòu)筑物，應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:

電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的5%；

電位正于保護(hù)準(zhǔn)則＋50 mV(對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為-800 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的2%；

電位應(yīng)正于保護(hù)準(zhǔn)則＋100 mV(對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為-750 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的1%；

電位正于保護(hù)準(zhǔn)則＋850 mV(對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測(cè)試時(shí)間的0.2%。

2.3.2 動(dòng)態(tài)直流干擾結(jié)果評(píng)估

對(duì)ZC 閥室至DW 站23 處管道電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通電電位測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。 由測(cè)試結(jié)果可知，管道沿線電位均發(fā)生明顯波動(dòng)，其中ZC 閥室至51 號(hào)＋906測(cè)試樁電位波動(dòng)范圍較大， 約5～-6 V 之間；其余測(cè)試樁電位波動(dòng)范圍較小，約1 ～-2 V 之間，結(jié)果表明該段管線受直流雜散電流干擾影響。

圖4 ZC 閥室至DW 站通電電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of energized potential from ZC valve station to DW station

為確定干擾源類，對(duì)距離地鐵最近的46 號(hào)＋529 測(cè)試樁通電電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)電位波動(dòng)范圍及東莞地鐵運(yùn)行時(shí)刻表可將測(cè)試結(jié)果分為5 個(gè)階段，如圖5 所示。 其中階段3 管線通電電位基本無(wú)波動(dòng)，說明此時(shí)干擾源未工作，該時(shí)間段為00:00 ～5:30，這與地鐵運(yùn)行規(guī)律基本一致，因此判斷干擾類型為地鐵直流干擾。 其余時(shí)間段5:30 ～24:00 管線電位均有明顯波動(dòng)，但調(diào)查資料顯示東莞地鐵運(yùn)行時(shí)間段為6:30～23:05，說明在5:30～6:30 以及23:05～24:00 2 個(gè)時(shí)間段管線受到其它直流干擾源影響，由于ZC 至DW 段管線與上游(廣州HP 站)及下游(深圳PS 站)方向管線均電連接，因此判斷:ZC 閥室至DW 站段管線主要受東莞地鐵影響，同時(shí)深圳和廣州地鐵對(duì)其也有影響。

圖5 46 號(hào)＋529 測(cè)試樁通電電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of power-on potential of 46＃＋529 test pile

上述結(jié)果表明該段管線受動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾，因此根據(jù)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1-2015 對(duì)ZC 閥室至DW 站23 處管道24 h 斷電電位監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6 所示。 ZC 閥室至51 號(hào)＋906 測(cè)試樁電位波動(dòng)范圍較大，約在0.10 ～-1.25 V 之間；其余測(cè)試樁處電位波動(dòng)范圍較小，約在-0.60 ～-1.10 V 之間。 此時(shí)受地鐵干擾電位正向波動(dòng)超出標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)間最長(zhǎng)的為46 號(hào)＋529 ～49 號(hào)測(cè)試樁段管線。 42 號(hào)＋080、42 號(hào)＋509、43 號(hào)、44 號(hào)＋909、46 號(hào)＋529、47 號(hào)＋430、48 號(hào)、49 號(hào)、50 號(hào)＋210、51 號(hào)＋906 樁處斷電電位分別正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0的比例均超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求；52 號(hào)＋011、53 號(hào)＋550 樁處斷電電位正于-0.85 V、正于-0.80 V 的比例超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求；52 號(hào)＋971、54 號(hào)＋125 處斷電電位正于-0.85 V 的比例超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求。 共14 處，合計(jì)61%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷電電位不滿足AS 2832.1-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 ZC 閥室至DW 站斷電電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Monitoring results of outage potential from ZC valve chamber to DW station

2.4 不同緩解方案效果對(duì)比

2.4.1 進(jìn)出站絕緣接頭跨接

本測(cè)試研究DW 站進(jìn)出站跨接給ZC 閥室至DW站段管線帶來(lái)的影響。 DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)及干擾源示意圖如圖7 所示，由于43 號(hào)～54 號(hào)＋125 段管線受地鐵干擾較為嚴(yán)重，在該段選擇5 處位置及DW 站進(jìn)站絕緣接頭處進(jìn)行電位測(cè)試。

圖7 DW 站陰極保護(hù)電流及雜散電流示意圖Fig.7 Schematic diagram ofcathodic protection current and stray current of DW station

DW 站進(jìn)出站跨接線連接及斷開2 種狀態(tài)下電位波動(dòng)情況如圖8 所示，跨接線斷開前后管道電位均頻 繁波動(dòng)，難以說明進(jìn)出站跨接線對(duì)干擾的影響。

圖8 DW 站進(jìn)出站跨接前后電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.8 Potential monitoring data of DW station before and after entering and leaving the station

對(duì)圖8 電位監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理得到如圖所示電位統(tǒng)計(jì)圖(見圖9)。 由圖9 可知，DW 站跨接前后測(cè)試樁電位均發(fā)生了波動(dòng)，但電位波動(dòng)范圍均較小，因此判斷DW 站進(jìn)出站跨接對(duì)ZC 閥室至DW 站段管線電位存在一定影響，但影響相對(duì)較小，暫可不考慮，后期測(cè)試均將在DW 站進(jìn)出站管線跨接的情況下進(jìn)行。

圖9 DW 站進(jìn)出站跨接前后電位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.9 Statistical data of potential before and after the entry and exit of DW station

2.4.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)圖1 和圖6 測(cè)試結(jié)果可知，受干擾的43 號(hào)～54 號(hào)＋125 段管線均處于ZC 閥室陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍內(nèi)，增大ZC 閥室陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流至3.0 A，DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)維持原有輸出3.5 A，管道沿線5處測(cè)試樁處電位如表3、圖10 所示，此時(shí)受地鐵影響正于保護(hù)電位時(shí)間最長(zhǎng)的為46 號(hào)＋529 樁，比例為26.59%，且43 號(hào)、44 號(hào)＋909、49 號(hào)樁處斷電電位分別正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，46 號(hào)＋529 樁處斷電電位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V 的比例超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，說明該狀態(tài)下管道陰極保護(hù)電位無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 ZC 閥室恒流3.0 A 運(yùn)行時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 3.0 A operation

圖10 ZC 閥室恒流3.0 A 運(yùn)行時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 3.0 A operation

將ZC 閥室陰極保護(hù)輸出電流從3.0 A 逐步提高到6.0 A，DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)仍維持原有輸出3.5 A。 管線電位如表4、圖11 所示。

表4 ZC 閥室恒流6.0 A 運(yùn)行時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 4 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 6.0 A operation

圖11 ZC 閥室恒流6.0 A 運(yùn)行時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.11 Potential monitoring results of ZC valve chamber under constant current 6.0 A operation

此時(shí)受地鐵影響正于保護(hù)電位時(shí)間最長(zhǎng)的仍為46號(hào)＋529 樁，比例為19.11%，且43 號(hào)、46 號(hào)＋529、49 號(hào)測(cè)試樁處管線電位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例仍超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求；52 號(hào)＋971 測(cè)試樁處管線電位正于-0.85 V 的比例仍超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求。 但此時(shí)41 號(hào)＋981 測(cè)試樁處管線斷電電位負(fù)于-1.20 V 的比例已經(jīng)達(dá)到22%，不宜繼續(xù)增加ZC 閥室陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出。

2.4.3 強(qiáng)制電流排流

選取受干擾最嚴(yán)重的46 號(hào)＋529 測(cè)試樁處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排流實(shí)驗(yàn)，配合現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)排流示意圖如圖12 所示。 DW 站陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流恒定設(shè)置為3.5 A，ZC 閥室陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流恒定設(shè)置為6.0 A。 46 號(hào)＋529 測(cè)試樁處分別饋入1.0、3.0 A 電流，對(duì)管道沿線斷電電位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)排流測(cè)試示意圖Fig.12 Schematic diagram of on-site drainage test

46 號(hào)＋529 測(cè)試樁饋入1.0 A 電流時(shí)，管道沿線電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5、圖13 所示。 此時(shí)受地鐵影響正于保護(hù)電位時(shí)間最長(zhǎng)的為43 號(hào)樁，比例為12.05%，且43號(hào)、46 號(hào)＋529 測(cè)試樁處管線電位正于-0.85 V、正于-0.80 V、正于-0.75 V、正于0 的比例仍超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求；49 號(hào)測(cè)試樁處管線電位正于-0.85V、正于-0.80 V 的比例仍超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

表5 46 號(hào)＋529 處饋電1.0 A 時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 5 Potential monitoring results when feeding 1.0 A at 46＃＋529

圖13 46 號(hào)＋529 處饋電1.0 A 時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.13 Potential monitoring results when feeding 1.0 A at 46＃＋529

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果繼續(xù)增大46 號(hào)＋529 測(cè)試樁處排流地床輸出，當(dāng)輸出達(dá)到3.0 A 時(shí)，管道沿線電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表6、圖14 所示。 此時(shí)僅43 號(hào)測(cè)試樁處管線受地鐵干擾電位正于-0.80 V 的比例為2.85%，略微超出2%的限值要求，其余測(cè)試樁均可達(dá)到保護(hù)，該條件下管道陰極保電位基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 46 號(hào)＋529 處饋電3.0 A 時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 6 Potential monitoring results when feeding 3.0 A at 46＃＋529

圖14 46 號(hào)＋529 處饋電3.0 A 時(shí)電位監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.14 Potential monitoring results when feeding 3.0 A at 46＃＋529

3 結(jié) 論

(1)該段管線陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果表明:除ZC 閥室和DW 站接地電阻偏高，其他陰極保護(hù)系統(tǒng)均正常。

(2)沿線土壤電阻率測(cè)試結(jié)果顯示:1 處土壤腐蝕性為“強(qiáng)”，7 處土壤腐蝕性為“中”，15 處土壤腐蝕性為“弱”。

(3)23 處測(cè)試樁24 h 通斷電電位測(cè)試結(jié)果表明:ZC 閥室至DW 站段管線同時(shí)受東莞、深圳以及廣州地鐵的影響，其中ZC 閥室至51 號(hào)＋906 測(cè)試樁干擾最嚴(yán)重，共14 處監(jiān)測(cè)位置斷電電位不滿足AS 2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)3 種緩解方案結(jié)果表明:強(qiáng)制電流排流為最優(yōu)緩解方案，DW 站跨接和增大ZC 閥室陰極保護(hù)系均無(wú)法有效抑制雜散電流干擾，在46 號(hào)＋529 測(cè)試樁處饋入3.0 A 電流基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議在46 號(hào)＋529 測(cè)試樁附近增設(shè)強(qiáng)制排流地床緩解當(dāng)前地鐵雜散電流干擾現(xiàn)狀。