城市地鐵雜散電流對埋地輸油管道的危害

(中國航空油料有限責任公司華東分公司，上海 200335)

城市地鐵雜散電流對埋地輸油管道的危害

劉文權

(中國航空油料有限責任公司華東分公司，上海 200335)

本文介紹了城市地鐵雜散電流的產生原理、對埋地輸油金屬管道的危害，并結合上海航油管道的案例介紹了雜散電流干擾檢測方法。

地鐵 雜散電流 輸油管道 危害

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市軌道交通迎來迅猛發展時期，截至2014年，我國累計有19個城市建成投運城軌線路87條，運營里程2539公里。目前上海軌交全網運營線路總長增至567公里，運營規模列世界第一，近期規劃路達到660公里，遠期規劃線路則達到970公里。在地鐵帶來便捷生活的同時，由地鐵產生的雜散電流干擾問題也日益嚴重。

我國地鐵一般采用直流供電牽引方式，一種是直流750V，另一種是直流1500V。在這種供電方式當中，列車直流牽引系統采用正極接接觸網，而走行軌兼作負回流線。雖然走行軌與道床之間采取了絕緣措施，但是隨著地鐵運營時間的推移，由于受到如潮濕、污染等環境因素的影響，使地鐵車站以及區間隧道中的軌、地絕緣性能降低或先期防護措施失效，會造成一定量的雜散電流泄漏到土壤中，該雜散電流也稱地鐵迷流[1]。

如果在雜散電流干擾區域存在埋地金屬管道，該管道就會因雜散電流的干擾產生電化學腐蝕，繼而影響管道的安全運行。而在城市中由于地下管網建設路徑受限，不可避免的存在與地鐵并行交叉的情況。以中國航空油料有限責任公司華東公司(簡稱中國航油華東公司)上海本部的航油管道為例，該管道長約50km，管道分別與上海地鐵1#線、8#線、9#線、10#線及12#線存在交叉并行，并與磁懸浮鐵路存在并行，管道存在著較為嚴重的雜散電流干擾。

1 地鐵雜散電流的產生原理

地鐵采用直流電力牽引，正極接接觸網，負極為走行軌，電流從直流變電所正極流出，經架空接觸線、列車、鋼軌，最后流回變電所負極，形成完整回路，見圖1。由于走行鋼軌與道床間不可能完全絕緣，造成部分電流會通過鋼軌泄露入大地，形成雜散電流。如果有金屬埋地管道(油氣管道)或其它金屬構筑物正處于此電流泄露區，由于管道對地絕緣并不充分，埋地管道就為雜散電流提供了一個低電阻通道，雜散電流就會流入管道，對管道造成雜散電流干擾。雜散電流流入管道的部位為陰極，發生陰極反應，管道得到保護；雜散電流流出管道的部位為陽極，產生氧化反應，管道發生電化學腐蝕。

地鐵雜散電流所經過的路徑可視作為兩個串聯的腐蝕電池，即：

電池I：走行軌道(陽極區)+道床、土壤+埋地管道(陰極區)

管道反應：吸氧反應2H2O+O2+4e=4OH-(中性、堿性土壤)

析氫反應2H++2e=H2↑(酸性土壤)

電池Ⅱ：埋地管道(陽極區)+土壤、道床+走行軌道(陰極區)

管道反應：Fe-2e=Fe2+

總化學反應方程式:4Fe+3O2+XH2O==== 2Fe2O3·XH2O

圖1 地鐵雜散電流示意圖

將地鐵雜散電流圖簡化為等效電路，見圖2。

RN：通過負導體(鋼軌) 的電阻；

RP：通過正導體(架空接觸線) 的電阻；

RL：負載端的負系統對地電阻；

RS：變電站端的負系統對地電阻；

IT：列車工作電流；

IN：通過負導體返回的電流；

IS：通過大地返回的電流(雜散電流)。

由此簡化模型可得到關于地鐵雜散電流的方程如下：

圖2 地鐵雜散電流的簡化等效電路

由公式可以看出，影響地鐵雜散電流的因素主要是負回軌的電阻和系統的接地電阻，前者取決于鐵軌本身的材質等因素(負回軌電阻越小，泄露的雜散電流越小)，后者取決于軌地間絕緣電阻(受施工質量、環境等因素影響，軌地間絕緣電阻越小，雜散電流越大)[2]。

2 地鐵雜散電流的危害

地鐵雜散電流流入大地后，會對周圍的埋地金屬構筑物(油氣管道、通訊電纜外皮、建筑鋼筋等)造成干擾，發生電化學腐蝕。與金屬的自然腐蝕相對，地鐵造成的電化學腐蝕危害具有以下特點：

1) 腐蝕激烈，金屬自然腐蝕電流一般只有幾十毫安，而地鐵雜散電流最大可達上百安，北京地鐵采用DC750V的直流供電系統，較早的測試結果表明，地鐵在啟動和運行時泄露入地下的雜散電流值一般要大于100A；而上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵均采用額定電壓為DC1500V的直流供電系統，額定牽引電流可高達3000A，按5%的雜散電流泄漏量計，泄露入大地的雜散電流可高達150A[3]。根據法拉第電解定律，由于電流通過而發生的腐蝕量與通過的電量成正比，同一電量引起的不同物質的腐蝕量與該物質的電化學當量成正比，即電流i在t秒內所造成的腐蝕量，可用式W=Kit表達，其中W為腐蝕量，K為物質電化學當量(2價鐵的電化學當量為1.042g/Ah)，i為雜散電流量，根據該式可以計算出1A的雜散電流在1年內可造成9.13kg鋼鐵的腐蝕量[4]，雖然這僅是理論值，但可以看出由雜散電流造成的腐蝕是非常嚴重的。

2)雜散電流腐蝕集中于局部位置，并往往發生于防腐層的缺陷部位，從而發生管道坑蝕現象，并可能在短時間內造成管道穿孔，發生泄漏事故。特別是長距離帶有防腐層的埋地金屬管道，流入管道的雜散電流很大且集中于局部，當雜散電流從防腐層缺陷處流出時就會發生激烈的局部腐蝕。我國撫順地區有建于上世紀初橫貫市區的直流電氣化鐵路，驅動電源為直流1500V，最大牽引電流達600A，列車運行頻繁，由于該電氣化鐵路運行年限長，軌道與大地間無良好絕緣，加上機車驅動電壓高，所以經鐵軌泄入大地的電流量很大，該鐵路系統對同區域內的東北輸油管道造成了嚴重的干擾腐蝕，雖然處于撫順地區的輸油管道長度僅占東北輸油管網總長度的2%左右，但投產初期，該地區管道就因雜散電流干擾腐蝕穿孔漏油9次，占同期東北管網管道腐蝕漏油事故的78%[5]。

由于城市路徑受限，許多城市都不可避免的存在埋地金屬管道與地鐵交叉和并行的情況，隨之而來的地鐵雜散電流的干擾問題也日益突出。北京地鐵1 期工程上世紀70年代初開始運行，目前主體結構中的鋼筋已發現有嚴重的雜散電流腐蝕，且隧道內發生水管腐蝕穿孔；天津地鐵也存在類似的情況。香港曾因地鐵雜散電流引起煤氣管道的腐蝕穿孔而造成煤氣泄漏的事故[6]。廣州白云機場地鐵2010年開通后，受地鐵雜散電流干擾，機場航油管道陰極保護系統出現癱瘓，航油管道安全受到極大威脅。上海密集的地鐵對沿線埋地油氣管道產生了嚴重的雜散電流干擾，地鐵2#線世紀大道沿線地下的DN300燃氣鋼管在2008年之前已發生近10次腐蝕泄漏事故，造成了很大的經濟損失和社會負面影響[7]；通過對中國航油華東公司航油管道的雜散電流監測發現，由于受到沿線地鐵雜散電流干擾的影響，管道陰極保護系統處于癱瘓失效狀態，存在著較大的電蝕風險。

3)動態干擾，干擾復雜且范圍廣。地鐵干擾源屬于動態干擾，列車開行時間、開行方向及開行頻率的變化造成地鐵雜散電流干擾較為復雜，管道的管地電位極易偏離正常值，出現劇烈的大范圍波動，且隨時間變化幅度較大。由于地鐵線路運行范圍廣，其產生的雜散電流會影響到所有沿線的地下金屬管網，給防護帶來較大的難度。另外由于地鐵結構在施工完成后已定型，若在運行后產生雜散電流干擾，在地鐵側的防護改造也十分困難。

3 地鐵雜散電流干擾的檢測

地鐵雜散電流流入大地會產生土壤電位梯度，另外對管道的干擾直接體現為管道管地電位的變化，因此可以通過監檢測土壤電位梯度和管道管地電位來判斷干擾情況。根據《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》(SY/T 0017-2006)：當管道任意點上的管地電位較自然電位正向偏移≥100mV或管道附近土壤表面電位梯度＞2.5mV/m時，應采取直流排流保護或其它防護措施，見表1。

表1 直流干擾程度評價指標

下面以中國航油華東公司的航油管道為例，來分析地鐵雜散電流對航油管道的干擾情況。該管道外防腐采用防腐層與陰極保護聯合防腐，部分管道外防腐層為環氧煤瀝青加強級，另一部分管道外防腐采用3PE加強級，陰極保護均采用鎂合金犧牲陽極保護，沿線設置陰極保護測試樁。在沒有干擾的情況下，通過測試樁測得的管道管地電位值正常范圍在-0.85V～-1.25V(CSE)左右，正于-0.85V，管道處于欠保護狀態，電位過正(正于管道自然電位)管道存在加速腐蝕風險，過負管道存在過保護風險。

選取離地鐵較近的1處測試樁對管道管地電位進行測試，由于地鐵雜散電流的干擾，被干擾管道的管地電位呈現出劇烈波動的現象，因此直接測量某一時刻的管地電位不能反應出真實的干擾程度及趨勢。在地鐵運行時段，我們采用電位采集設備對該處測試樁的管地電位進行了連續80min不間斷測試(采集間距1s，參比電極采用銅/硫酸銅參比電極)，并對采集數據進行處理得到電位波動圖，見圖3。由圖中可看出，地鐵運行時，管道管地電位波動嚴重(基本在-0.5V～-2.0V范圍內波動，最大值為0.468V，最小值為-2.62V)，已超出陰極保護正常保護范圍，遠遠大于規范規定的管地電位較自然電位正向偏移≥100mV的雜散電流干擾判據，管道受到嚴重的雜散電流干擾，陰極保護系統不能正常發揮作用。當電位正向偏移時，管道受到加速腐蝕危害。

圖3 地鐵運行時管道管地電位80min不間斷采集數據圖

為進一步確認干擾源，我們對該處測試樁進行連續24小時(采集間距10s，參比電極采用銅/硫酸銅參比電極)不間斷測試，并對采集數據進行處理得到電位波動圖，見圖4。根據采集到的數據，管地電位最大值為0.495V，最小值為-2.535V，而在凌晨24:00-5:00時間段內管道管地電位比較平穩，電位基本穩定在-1.0V ～-1.2V范圍內，而這一時間段與地鐵停運時間基本吻合，也進一步證明了管道電位的波動是由地鐵雜散電流干擾引起的。

4 結論

隨著城市軌道交通的快速發展以及城市埋地油氣管道的密集敷設，由于路徑受限，地鐵雜散電流對埋地管道的干擾問題日益突出，而由此可能導致的油氣管道腐蝕穿孔事故會造成十分嚴重的后果。目前在這一問題上還存在著地鐵方和管道運營方溝通不暢，雜散電流危害認識不夠的問題，單靠管道方自行采取雜散電流監測、排流措施不僅成本高，而且也不能根本解決問題。城市地鐵雜散電流對埋地管道的危害及防護問題需要引起城市建設者和相關方更大的重視，才能確保地下管道和地鐵的安全運行。

圖4 管道管地電位24小時不間斷采集數據圖

[1] 熊景芷. 地鐵中雜散電流對給排水管道腐蝕的探討及其防護措施[J]. 上海電器技術. 2004,No. 4: 61-21.

[2] 曹曉斌, 吳廣寧等. 地鐵雜散電流的危害及其防治[J]. 電氣化鐵路. 2006, 4: 32-34.

[3] 高敬宇, 易友祥. 地鐵雜散電流的分析[J]. 天津理工學院學報, 1996,12(3): 52-55.

[4] 胡士信. 陰極保護手冊[M]. 255-256.

[5] 陳敬和, 何悟忠等. 撫順地區管道直流雜散電流干擾腐蝕及防護的探討. 管道技術與裝備[J]. 1999, 15-16.

[6] 劉國飛. 混凝土中摻加粉煤灰對地鐵雜散電流抑制機理的交流阻抗研究[D].上海:同濟大學材料科學與工程學院,2000.

[7] 陳志光, 秦朝葵等. 上海軌道交通二號線雜散電流測試分析[J].腐蝕與防護.2008.29(6): 344-347.

Interference Corrosion Hazards of Subway Stray Currents on buried Jet Fuel Metal Pipeline

LIU Wen-quan
(China National Aviation Fuel Corporation Limited Liability Company in East China,Shanghai 200335, China)

This paper introduces the generation principle，interference corrosion hazards of subway stray currents on buried jet fuel metal pipeline. And take jet fuel pipeline in Shanghai as an example, introduces stray current interference detection method.

subway; stray current; buried metal pipeline; Interference corrosion hazards

TE988

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.029.04

劉文權 (1974－) ，學士，工商管理碩士，從事民用航空油料運輸、儲存、加注等環節的安全生產管理工作。