天然氣管道受強烈地鐵雜散電流干擾案例分析

朱 振,向 敏,陳啟斌,王偉陽

(國家管網集團廣東省管網有限公司，廣州 510710)

隨著中國經濟的發展和城鎮化建設的推進，城市軌道交通作為緩解交通擁堵的有效工具，在國內得到大力發展。據統計，截至2020年1月20日，我國已有43個城市開通地鐵，投運里程達6 488 km[1]。城市軌道交通運輸系統采用直流電流驅動牽引，通過走行軌回流。地鐵鋼軌不可能實現完全對地絕緣，因此不可避免部分直流電流從走行軌泄入大地，對周邊埋地油氣管道等金屬構件造成干擾[2-4]。雜散電流的干擾程度與變電所的位置、牽引電流大小、土壤電阻率等多個因素相關[5-7]。

1 案例概況

廣東地區某天然氣管道總長約39 km，管道采用外防腐蝕層+陰極保護聯合保護，外防腐蝕層為3PE和雙層熔結環氧粉末(熱煨彎管)。在日常檢測中，發現該段管道受廣州地鐵等直流雜散電流干擾非常嚴重。從圖1中可以看到：在地鐵運行時段，管道電位波動劇烈，電位交替正向、負向偏移；地鐵停運期間，管道電位波動較小，斷電電位滿足標準要求。

(a) 通電電位 (b) 斷電電位

該段管道與廣州地鐵3號線北延段的白云機場站距離約17.5 km；管道與地鐵14號線的直線距離約為2.1 km，最近的兩個地鐵站分別為太平地鐵站和神崗地鐵站，管道與地鐵近距離并行的長度約為8 km；地鐵21號線與廣惠干線存在交叉。

為摸清管道的受干擾程度，將管道腐蝕速率控制到最低水平，確保管道的安全運行，管道管理方對交直流雜散電流進行了詳細測試和評價，根據電位和敷設環境的測試數據，結合饋電試驗進行了防護方案的設計與優化。

2 陰極保護下管道干擾檢測結果

2.1 陰極保護系統

該段管道共有3個站場，分別為首站、分輸站和末站。在首站和末站均設有線路陰極保護站、干線絕緣接頭，管道測試樁及陰極保護站分布見圖2。

圖2 管道測試樁和陰極保護站分布

首站陰極保護電源為恒電位儀，其額定輸出為80 V/30 A，三用一備，分別保護三條進出站管道，共用一個陽極地床。該設備的控制電位為-1.3 V，輸出電流在0～6.07 A波動，平均輸出電流為1.11 A。當輸出電流達到最大值時，輸出電壓已經達到額定輸出，夜間恒電位儀的輸出電流約為0.5 A，管道保護電位在-16.97～8.83 V波動，平均值為-2.60 V，見圖3。

圖3 首站至分輸站方向恒電位儀的輸出電流和管道保護電位

末站陰極保護電源為恒電位儀，其額定輸出為50 V/30 A，兩用一備，分別保護進站和出站管道，共用一個陽極地床。進站恒電位儀采用恒電位模式運行，預置電位為-1.7 V，恒電位儀的輸出電流在0～10.81 A波動，平均輸出電流約為2.24 A；夜間恒電位儀輸出電流為0.6 A左右，輸出電壓在15.43～50.13 V波動，管道保護電位在-11.11～5.79 V波動，平均值為-1.93 V，見圖4。

圖4 末站進站方向恒電位儀的輸出電流和管道保護電位

2.2 直流雜散電流干擾

2.2.1 管道電位的異步監測

為了評價管道的陰極保護效果，在首站和末站陰極保護電源均以原始輸出狀態運行，即恒電位分別為-1.3 V和-1.7 V，且原有的交直流排流措施正常運行狀態下，異步監測首站至末站段管道的直流干擾情況，結果見圖5和圖6。首站至末站段管道的通電電位在-18.041～+16.161 V波動，斷電電位在-1.359～+0.670 V波動。全線測試樁24 h通電電位和斷電電位波動規律與圖1中X048測試樁的相似：在地鐵運行時間段內(05∶13至第二天00∶27)，通電電位在-16.05～13.90 V波動，斷電電位在-1.14～-0.27 V波動，電位波動劇烈；在地鐵停運時間段內，管道通電電位和斷電電位波動小，通電電位在-2.35～-1.61 V波動，斷電電位在-1.09～-1.07 V波動。

(a) 管道通電電位

圖6 恒電位儀原始輸出狀態下首站至末站管道夜間通/斷電電位(異步監測)

從地鐵運行時間和管道電位分析可知，此段管道受到的直流雜散電流干擾是由于地鐵雜散電流造成的。從管道全線電位的波動規律可以看出，靠近地鐵線路管段(靠近末站段管道)的電位波動幅度明顯大于遠離地鐵線路管段(靠近首站段管道)的，這進一步驗證了地鐵是造成管道直流雜散電流干擾的干擾源。

在夜間地鐵停運期間，管道的斷電電位均滿足GB/T 21448-2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》標準要求，管道處于有效保護狀態。如采用GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》標準進行評價，11個測試樁處斷電電位滿足標準要求，處于有效保護狀態，其他測試樁處斷電電位均正于保護準則，處于欠保護狀態。根據AS 2832.1-2015 Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables標準，管道斷電電位比標準保護電位高出部分占標準保護電位的比例(以下稱比標準保護電位的高出比例)不能超過5%。按照此標準要求，首站至末站段有11.08 km管道處于有效保護狀態(分別為首站至X016、X019、X022～X023、X041、X044、X046、X050)；約27.6 km管道處于欠保護狀態，最高斷電電位比標準保護電位高50.73%，見圖7，欠保護的管段主要分布在X024至末站間。

圖7 恒電位儀原始輸出狀態下首站至末站管道斷電電位比標準保護電位高出比例(異步監測)

2.2.2 管道電位的同步監測

為了考察直流雜散電流的干擾規律，在首站至末站段管道受地鐵雜散電流干擾時，同步監測了首站出站、X005、X011、X017、X021、X025、X030、X034、X038、X044、X048和末站進站12處位置24 h內管道的通電電位，結果見圖8。由圖8可見，靠近末站管道的電位波動幅度大于靠近首站管道的，在首站和X044測試樁出現兩個干擾峰，X017測試樁處電位波動最小。

圖8 管道12處位置24 h的通電電位(同步監測)

根據地鐵運行時段與夜間地鐵停運時段無干擾時測得的管道通電電位的差值(以下稱電位偏移量)，判斷地鐵直流雜散電流的流向。該電位偏移量為正，表明由地鐵造成的直流雜散電流流出；電位偏移量為負，表明由地鐵造成的直流雜散電流流入。電位偏移量為負時的時長與測試總時長的比值為直流雜散電流流出管道的時間占比。

分別統計測試時間段管道通電電位平均值Eon和直流雜散電流流出管道的時間占比T，結果見表1。由表1可見，X025至X044測試樁處通電電位平均值較正常的自然電位偏正，X017至X044測試樁處直流雜散電流流出的時間占比大于50%,表明此段管道的雜散電流流出效應強于流入效應。

表1 管道12處位置通電電位平均值及直流雜散電流流出時間占比(同步監測)

由圖9可見，靠近首站的管道通電電位正向偏移，為直流雜散電流流出區域，靠近末站的管道通電電位負向偏移，為雜散電流流入區域，正向偏移管段的電位偏移峰值點出現在首站出站位置、負向偏移管段的電位偏移峰值點出現在X048測試樁位置，雜散電流流入流出的分界點在X017和X021測試樁中間。

圖9 某時刻管道受干擾時12處位置的管道電位分布(類型1)

由圖10可見，靠近首站和末站的管道電位負向偏移，為直流雜散電流流入區域，中間段管道電位正向偏移，為雜散電流流出區域。

圖10 某時刻管道受干擾時12處位置的管道電位分布(類型2)

通過對管道電位偏移量進行分析，可以得到首站至末站段管道受到干擾時，管道電位的分布規律主要有兩個類型：靠近首站和靠近末站管道互為直流雜散電流流入和流出區域；首站至末站的中間管段與兩端靠近首站和末站管段互為直流雜散電流流入和流出區域。

2.2.3 直流雜散電流干擾治理方案

對首站至末站段管道的陰極保護效果檢測顯示，約有27.6 km管道處于欠保護狀態，需要采取干擾防護措施。欠保護的管道主要分布在X024測試樁至末站間，干擾峰值點主要出現在X034和X048測試樁附近。在干擾治理方案設計時，需要在欠保護管段上選點進行饋電試驗，驗證饋電的保護效果。該試驗通過建立模擬陰極保護系統對埋地設施進行臨時保護，待充分極化后，檢測埋地設施的電位分布和相應的電流需求量，分析確定站內的電流流失點、屏蔽區域和干擾等嚴重影響陰極保護效果的情況。根據現場情況和干擾具體情況，選取X046和X039測試樁位置進行饋電試驗。

(1)X046測試樁饋電試驗及結果

靠近末站的管道處于欠保護狀態，根據現場環境和外電情況，優先選取了X046測試樁位置進行饋電試驗。X046測試樁饋電試驗的地床距離管道的垂直距離約100 m，地床與管道并行，共采用了50支角鋼地床。饋電試驗時，分別在X035、X039、X042、X044、X046和X048測試樁處測試并記錄管道電位，結果見表2。

由表2可見，當直流電源從X046測試樁向管道饋入10 A保護電流后，管道通電電位的平均值明顯負向偏移，夜間通電電位和斷電電位負向偏移。由表3可見，X046至X048測試樁處管道的斷電電位比標準保護電位的高出比例比饋電前均有明顯的下降，均降至5%以內；X044測試樁處管道的斷電電位比標準保護電位的高出比例達到8.84%，該處管道仍處于欠保護狀態;X035、X039和X042測試樁處管道的斷電電位比標準保護電位的高出比例比饋電前有明顯的下降，但是仍高于5%，處于欠保護狀態。本次饋電試驗數據表明，在X046測試樁位置增加陰極保護站可以使X046測試樁至末站管道達到有效的保護狀態，但上游管道仍處于欠保護狀態，在此狀態下，X046測試樁處陰極保護站的有效保護范圍約為2 km。

表2 X046測試樁饋電對管道電位的影響

表3 X046測試樁饋電時管道斷電電位評價

(2)X039測試樁饋電試驗及結果

X046測試樁饋電試驗結果顯示，在X046測試樁處增加陰極保護站，仍無法使上游管道達到有效的保護狀態，根據現場環境和外電情況，又選取X039測試樁位置進行饋電試驗。X039測試樁饋電試驗的地床距離管道的垂直距離約55 m，地床與管道并行，饋電試驗共采用了60支角鋼地床。饋電試驗時，分別在X030、X032、X035、X037、X039、X042和X044號測試樁測試并記錄管道電位，結果見表4。

由表4可見，當X039測試樁處的直流電源饋入8 A后，管道通電電位的平均值明顯負向偏移，夜間的通電電位和斷電電位負向偏移。由表5可以看出，在X039測試樁位置饋電時，X037至X044測試樁管道的斷電電位比標準保護電位的高出比例比饋電前均有明顯的下降，降至5%以內或接近5%；X044測試樁饋電試驗狀態下，斷電電位正比標準保護電位的高出比例達到5.5%，接近有效保護狀態。X030至X035測試樁管道的斷電電位比標準保護電位的高出比例比饋電前也明顯下降，在X032測試樁處高出比例降低至5.3%，接近保護準則，這表明在X039測試樁位置增加陰極保護站能達到較好的防護效果，在此狀態下，陰極保護站有效保護范圍約為6 km。

表4 X039測試樁饋電對管道電位的影響

表5 X039測試樁饋電時管道斷電電位評價

2.3 交流雜散電流檢測結果

對全線每個測試樁的管道交流電位和交流電流密度進行24 h監測，結果見圖11。由圖11可知：管道全線24 h的交流電位均小于15 V，其中X038測試樁處管道的交流電位平均值高于4 V，其他49個測試樁處交流電位平均值均小于4 V；全線測試樁的24 h交流電流密度的平均值均小于30 A/m2，根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》和ISO18086:2019 Corrosion of metals and alloys-Determination of AC corrosion-Protection criteria評價標準，管道的交流干擾程度為“弱”，不需要采取交流干擾防護措施。

(a) 交流電位

2.4 討論

首站至末站管道受到的動態直流干擾是非常強烈的，電位波動幅度達到了±25 V。該段受干擾管道的腐蝕風險評價以及防護措施設計都存在很大的困難。在管道動態直流雜散電流干擾評價與防護方面，目前國內尚缺乏完善的標準指引。在國內管道行業的干擾防護標準中，缺少動態直流干擾檢測評價方法，也缺乏針對新建地鐵動態直流干擾的預防性應對措施。而在現有的軌道交通方面標準CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》中，雜散電流干擾防護措施都是針對軌道交通系統內部的金屬構筑物，而不是針對外部金屬油氣管道的。沒有可執行的標準作為支撐，管道行業與軌道交通行業就無法進行有效的溝通，這也是管道企業面臨的困境。

管道企業在面對已有地鐵線路造成的干擾時，沒有成熟適用的評價方法與防護措施，在對新建地鐵線路的潛在干擾進行防護設計時無據可依。目前管道方能采取的防護或緩解措施都是一些治標不治本的被動防護措施，比如在GB 50991-2014標準中提出了排流保護、陰極保護、絕緣隔離以及屏蔽等多種防護方法。減少地鐵軌道系統向大地泄放的雜散電流，才是行之有效、綜合效益最高的主動式防護。

3 結論

(1)首站至末站段管道受強烈的地鐵直流雜散電流干擾。根據標準要求，共有約27.6 km管道處于欠保護狀態；夜間無地鐵運行期間全線均滿足陰極保護標準的要求。

(2)直流雜散電流分布規律主要有兩個類型：管道兩端管段互為雜散電流流入流出區域；管道中間管段與兩端管段互為雜散電流流入流出區域。

(3)饋電試驗表明，陰極保護電流可以有效抑制管道電位正向偏移，但是抑制范圍(長度)是有限的。管道方被動防護的難度很大，被動防護措施的成本較高且難以取得理想的緩解效果，應從地鐵雜散電流泄漏源頭采取緩解措施。

(4)地鐵動態直流雜散電流干擾問題需要地鐵方與管道方共同協作，建立健全相關的評價與防護標準，通過協作機制進行有效的溝通，最大限度地減少地鐵直流雜散電流干擾造成的埋地管道腐蝕，確保雙方的安全運行。