地鐵雜散電流對埋地管道的干擾規律

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(1. 北京科技大學 新材料技術研究院,北京 100083; 2. 中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦,重慶 400000)

自2011年起，中國各地城市地鐵項目大幅增加，地鐵進入大規模建設時期。截至2016年12月31日，全國開通運營軌道交通線路的城市共31個(內地28個、港臺地區3個)，運營線路總長達3 934.8 km，累計開通運營線路127條，運營車站2 627座[1-2]。雖然地鐵給城市交通帶來了極大的便利，但是由地鐵運行產生的雜散電流對埋地管道等金屬結構物造成了較大的干擾，帶來了腐蝕危害。有資料顯示，北京地鐵第一期工程投入運營數年后，其主體結構鋼筋發現嚴重腐蝕，隧道內水管腐蝕穿孔，僅東段部分區段就更換了穿孔水管54處[3]。上海地鐵二號線世紀大道區段的埋地鋼管發生了近十次腐蝕泄漏事故，造成的直接或間接損失高達200萬元[4]。武漢地鐵在1999年開通之后，中壓管網的腐蝕搶修量激增，且一直處于高發狀態[5]。廣州白云機場地鐵自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，管道安全受到極大的威脅[6]。美國、意大利、英國、加拿大和俄羅斯等國也存在地鐵雜散電流干擾問題[7-11]。因此，如何認識地鐵雜散電流干擾規律和腐蝕風險，并進行有效防護已成為了實際生產的迫切需求。

地鐵一般采用直流供電系統，鋼軌作為回流通路，由于鋼軌對地電阻不能無窮大，泄漏到土壤中的雜散電流會在附近的埋地管道上流入、流出，造成管地電位的變化；另外由于列車的運動，導致管道上雜散電流的流入、流出位置不斷改變，造成動態雜散電流，遭受地鐵雜散電流干擾的管道上管地電位呈現波動特征，這種動態波動給管道的服役性能測試與評估帶來了困難。為了捕捉地鐵動態雜散電流的波動特征，國內外研究者嘗試對地鐵雜散電流進行監測。如李振芳等[12]研制的分布式集中監控系統，在深圳地鐵4號線上試運行，實現了結構鋼極化電位偏移量和鋼軌電位的實時監測。李言濤等[13]利用長效Cu/CuSO4參比電極探頭對川西氣田黃金管道以及新青管道進行極化電位以及自然腐蝕電位的測量，用極化電位在同一采集周期的平均值，正負向平均值和偏移量等參數進行雜散電流趨勢分析，初步估計了雜散電流對兩條管線的腐蝕影響。陳志光等[14]使用在線自動雜散電流監測系統監測廣州地鐵1號線、上海明珠線、大連輕軌3號線，測試了管地電位，地電位梯度以及部分管段內的電流，指出了管道存在雜散電流干擾腐蝕風險的位置。馬曉華[15]對上海虹橋機場航油管道部分測試點進行了24 h通斷電電位的采集，并根據測試數據判斷了管道遭受的雜散電流干擾程度。由上可見，連續監測干擾參數已經成為地鐵動態雜散電流干擾測試與評估的一種重要方法，盡管目前國內多家單位開展了地鐵動態雜散電流干擾參數的監測，但大多僅對特定測試位置的參數進行了分析，缺乏不同位置動態干擾參數的統計分析與對比，對埋地管道不同位置受地鐵雜散電流干擾的規律缺乏系統認識。為了給實際生產中地鐵雜散電流的認識和評估提供更多指導，本工作在某遭受地鐵雜散電流干擾的實際管線上開展了不同位置動態干擾參數的連續監測，并基于多點的監測數據進行了系統的規律分析，探討了埋地管道遭受地鐵雜散電流干擾的影響因素和變化規律，并分析了埋地管道上地鐵雜散電流的流入、流出規律。

1 現場測試與分析方法

本次測試的管道全長約123.7 km，管徑為φ813 mm，管道采用L485鋼制成，防腐蝕涂層為3PE防腐蝕層。管道與地鐵線的相對位置見圖1。管道距離地鐵最近的測試樁為15號測試樁，約為6 km。

圖1 管線與地鐵線路的相對位置Fig. 1 Relative position of pipeline and subway line

由圖1可見；測試點在整條管線上平均分布，共計24個。根據GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》，當管道與埋設的極化試片充分極化后，采用UDL-2型數據記錄儀對埋地管道各測試點的通電電位、試片斷電電位以及電流密度進行了長時間的同步連續監測。本工作涉及的電位均相對于飽和硫酸銅參比電極(CSE)。

獲得埋地管道上不同位置的地鐵雜散電流干擾參數后，分析了時間、埋地管道與地鐵線路相對位置、管道閥室接地等因素對干擾的影響規律，并對不同位置的同步監測參數進行了分析，探索了管道上不同位置雜散電流的流入、流出關系。

2 結果與討論

2.1 地鐵雜散電流干擾典型的時間特征性

由圖2可見：白天管道通電電位波動強烈，而夜間則波動較小。經查找相關資料，該管線所在地區地鐵運行時段首班車發車時間為6∶30，末班車收車時間為23∶50，發車間隔6 min。圖2中，通電電位的波動在6∶30-23∶50較強，而在23∶50-6∶30則較弱，與地鐵早晚收發車時間一致，這表明該管線的通電電位受到地鐵雜散電流的干擾。由圖3可見：每隔6 min，通電電位呈現較大的干擾峰值，與發車間隔相吻合。

圖2 6號測試樁測得管道的通電電位Fig. 2 On potential of pipeline at No. 6 test pile

圖3 圖2中方框處的局部放大圖Fig. 3 Localized enlarged view at the box position of Fig. 2

2.2 距離對電位波動的影響

由表1和圖4可見：測試樁的電位波動幅度隨與地鐵站距離的增大呈減小趨勢，說明管道所受地鐵雜散電流干擾隨著與地鐵站距離的增大而減小。

2.3 閥室接地對電位波動的影響

對管線上閥室的絕緣性能進行檢測，發現X閥室處(21號測試樁)閥室接地系統和埋地管線存在搭接，為了考察搭接對地鐵雜散電流干擾的影響，對比了X閥室處(21號測試樁)以及相距1 km的20號測試樁處的管道通電電位和試片斷電電位。由表2及圖5可見： X閥室處管道通電電位波的幅度明顯小于20號測試樁處的，且X閥室處管道通電電位平均值及試片斷電電位均正于20號測試樁處的。

由圖6可見：21號測試樁處的通電電位波動幅度明顯小于其他測試樁處的，說明X閥室接地系統與管道的搭接減小了通電電位的波動幅度，同時拉正了通電電位。其主要原因為， 閥室接地與管線搭接時，接地系統因較大的裸露面積及較低的接地電阻而充當了排流地床，會使地鐵雜散電流更多通過接地系統流入、流出管道，管道上的流入、流出雜散電流減少，從而使管道通電電位波動幅度明顯減小；同時由于接地和管道的搭接，導致陰保電流也會漏失在接地材料上，管道獲得的陰保電流小于在其他位置處的，故而閥室接地附近管道的陰極保護電位要正于其他位置的。盡管閥室接地與管線搭接時，附近的管道通電電位波動幅度減小，但很有可能通過接地從該處流入或流出較多的雜散電流，而導致其他位置管道上相應流出、流入的雜散電流量增加，進而可能增大其他管段的干擾風險。

表1 1～15號測試樁的管道通電電位及測試樁與地鐵站的距離Tab. 1 On potential of the pipeline at 1-15 test piles and distance between test point and subway station

圖4 與地鐵站距離-電位波動曲線Fig. 4 Distance from subway station-potential fluctuation curve

測試樁通電電位/V試片斷電電位/V最大值最小值平均值最大值最小值平均值通電電位波動/V21號-0.66-1.33-1.02-0.85-1.06-0.970.6720號-0.43-2.28-1.41-0.95-1.21-1.141.85

(a) X閥室處

(b) 20號測試樁圖5 X閥室處和20號測試點處的管道電位Fig. 5 Pipe potentials at X valve chamber (a) and 20#test point (b)

圖6 16-24號測試樁處的通電電位Fig. 6 On potential fluctuation at No. 16-24 test piles

2.4 管段上雜散電流流入、流出的規律

管道電位的正、負向偏移意味著雜散電流的流出、流入，通過對埋地管道上多個位置干擾參數的同步測試數據進行分析對比，研究了同一管段上的雜散電流流入、流出相對位置關系及變化規律。

由圖7可見：針對在15號測試樁上游的管段，在a、c兩個時段，12和14號測試樁處測得的管道通電電位較正，說明此時該位置是雜散電流的流出點，而4，5，8號測試樁處測得的管道通電電位較負，說明此時該位置是雜散電流的流入點；在b時段，12和14號測試樁處測得的管道通電電位較負，說明此時該位置是雜散電流的流入點，而4，5，8號測試樁處測得的管道通電電位較正，此時該位置是雜散電流的流出點。4，5，8號測試樁處管段和12和14號測試樁管段的電位變化趨勢相反，對應雜散電流的流入與流出，說明這兩段管段互為地鐵雜散電流的流入、流出位置。

(a) 電位

(b) 局部放大圖圖7 15號測試樁上游部分測試樁處管道通電電位檢測結果及其局部放大圖Fig. 7 Test results (a) and enlarged view (b) of on potential of pipeline at the test part upstream of test pile No. 15

(a) 電位

(b) 局部放大圖圖8 15號測試樁及其下游部分測試樁處管道通電電位檢測結果及其局部放大圖Fig. 8 Test results (a) and enlarged view (b) of on potential of pipeline at test pile No. 15 and the test part downstream of test pile No. 15

由圖8可見：在a時段，15號測試樁處測得的管道通電電位較正，說明此時該點為雜散電流的流出點，而18,19,23號測試樁處測得的管道通電電位較負，此時該點為雜散電流的流入點；在b時段，15號測試樁處測得的管道通電電位較負，說明此時該點為雜散電流的流入點，而18,19,23號測試樁處測得的管道通電電位較正，說明此時該點為雜散電流的流出點。15號測試樁處管段與18，19，23號測試樁處管段的電位變化趨勢相反，即雜散電流流入、流出規律相反。

本試驗管道的雜散電流流入、流出規律為：以12,14，15號測試樁處管段為分界，在同一時刻，上下游兩端管段電位波動變化趨勢與之互為相反，若12,14，15號測試樁處管段為雜散電流的流入點，則上下游兩端管段則為雜散電流的流出點；同樣，若12,14，15號測試樁處管段為雜散電流的流出點，則上下游兩端管段則為雜散電流的流入點，具體的雜散電流流入流出示意圖如圖9所示。

圖9 管道流入流出雜散電流示意Fig. 9 The inflow and outflow of stray current in the pipeline

為了研究距離地鐵較近區段是否有更高的腐蝕風險，測試了15號測試樁上游部分管段通電電位，并對相關數據進行了分析，結果見表3，其中偏移基準線是在夜間(1∶00-5∶00)無地鐵干擾下測得的電位平均值。由表3可見：針對上游管段，距離地鐵較近的區域(12，14號測試樁處)的正向偏移時間比例大于遠離地鐵區域(4，5，8號測試樁處)的，且隨著距離減小，偏移的時間比例逐漸增加，正向偏移的平均值也逐漸正移。這表明距離地鐵站較近的區域，雜散電流引起的電位正向偏移量大，正向偏移累計時間長，其腐蝕風險大于遠離地鐵區域的。

表3 15號測試樁上游部分管道的通電電位測量結果Tab. 3 On potential measurement results of the upstream part of the test pile No. 15

3 結論

(1) 地鐵動態雜散電流干擾參數具有與地鐵運行時間相對應的典型時間特征，具體表現為在夜間至凌晨地鐵停運的時間段，管道通電電位基本無波動，而在日間地鐵運行時間段管道通電電位波動劇烈，同時波動周期與地鐵發車頻次有一定相關性。

(2) 地鐵雜散電流干擾的強度隨著管道至地鐵線路相對距離的減小而增大，距離地鐵站較近的管段具有更高的腐蝕風險。

(3) 當閥室接地與管道存在搭接或短接時，附近的管地電位波動幅度明顯減小，與管道短接的接地充當了排流地床，降低了受干擾管道的干擾幅度，但同時因為陰保電流流失，也會使該處管地電位整體正向偏移。

(4) 受地鐵雜散電流干擾的管道不同位置之間互為流入、流出位置，同一位置雜散電流的流入、流出特性隨時間變化。