北京受地鐵雜散電流干擾埋地燃氣管道的現場檢測與防護方案

焦建瑛,劉 瑤,陳濤濤,邢琳琳,朱祥劍,杜艷霞,霍 鐸

(1. 北京燃氣集團有限公司，北京 100083； 2. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083)

城市埋地管網和地鐵交通網縱橫交錯，目前在多地埋地管網上檢測到了地鐵動態雜散電流干擾[1-5]，近幾年，國內圍繞地鐵雜散電流干擾開展的工作表明，地鐵雜散電流是造成埋地燃氣管道腐蝕穿孔泄漏的重要隱患[6-13]。如何評估地鐵雜散電流干擾風險，并采取有效防護措施成為實際生產的迫切需求。GREENBERGER[14]利用簡單模型模擬計算雜散電流對牽引變電站(具有二極管接地系統)附近裸鑄鐵水管的腐蝕，在不同泄漏電流條件下，計算管道與變電站不同間距的腐蝕電流密度(對應腐蝕年限)和影響范圍，從而為管道設計提供參考。趙晉云等[15]通過新大線管道雜散電流干擾緩解的案例，提出增加陰極保護裝置和極性接地排流來抑制雜散電流干擾，排流效果顯著，但不能完全消除干擾。楊永等[16]通過埋設鎂犧牲陽極進行直接接地排流，或者利用極性排流器和鎂犧牲陽極的方式進行極性接地排流，使得管道附近的土壤電位梯度顯著降低，管地電位波動也大幅減小，從而降低了雜散電流對管道的影響。

目前國內外關于地鐵雜散電流干擾評估與防護的報道主要集中在理論設計與緩解措施的應用，關于如何根據現場情況合理設計試驗方案并沒有清晰的闡述。本工作介紹了北京燃氣某段受地鐵雜散電流干擾高壓管道的現場測試數據及干擾風險評估結果，并開展了詳細的干擾防護現場試驗，分析了防護方法、排流地床位置等因素對排流效果的影響，基于現場試驗結果，確定了該段管道的地鐵雜散電流防護方案，以期為燃氣管道地鐵雜散電流防護方案的設計提供參考。

1 地鐵雜散電流的干擾情況

1.1 現場干擾測試

由圖1可見：監測地點為燃氣管段北端與地鐵房山線交叉及并行段，此管段建設于2012年，長度約為7 km，管徑DN1000，管道外防腐蝕層均為3層PE，沿線共有1，2，3，4，5，6，7號等7個陰保測試樁。

圖1 某燃氣管段與地鐵房山線的相對位置圖Fig. 1 Relative position map of a gas pipe section and the subway Fangshan line

根據GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》規定的埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法，測試了此管段的管道通電電位(采用銅/硫酸銅參比電極，CSE)，并采集了與管道同樣材質、裸露面積為6.5 cm2的片狀試樣的斷電電位。如圖2所示，沿線管道通斷電電位均呈周期性波動，并在地鐵運行時段波動嚴重、停運階段較為穩定，屬于典型的地鐵動態直流干擾特征。

如表1所示，管道通斷電電位都呈現從南側向北側波動幅值越來越大的規律，最北側管道與地鐵房山線交叉位置,通電電位波動幅度達到2.09 V，受雜散電流干擾較為嚴重。

表1 動態直流干擾下管道的通電電位和斷電電位Tab. 1 On potentials and off potentials of pipeline with dynamic DC interference V

1.2 干擾評估

關于直流雜散電流干擾下的管線風險評估，國標GB/T 21448-2017及GB 50991-2014均側重對陰極保護和穩態直流干擾的評估，缺乏有關動態直流干擾的評判準則。而國外相關標準中，澳大利亞標準AS2832.1-2015考慮了動態雜散電流干擾，對地鐵雜散電流干擾下陰極保護管線的風險評價進行如下規定，對于短時間極化的、防腐蝕層性能良好的或已證實對雜散電流的響應為快速極化和去極化的構筑物，應遵循以下準則：電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；電位正于保護準則+50 mV(鋼鐵構筑物電位為-800 mV)的時間不應超過測試時間的2%；電位正于保護準則+100 mV(鋼鐵構筑物電位為-750 mV)的時間不應超過測試時間的1%；電位正于保護準則+850 mV(鋼鐵構筑物電位為0 mV)的時間不應超過測試時間的0.2%。

(a) 2號 (b) 3號

(c) 2號 (d) 3號圖2 地鐵雜散電流干擾下,不同測試樁處測得的通電、斷電電位Fig. 2 On potentials and off potentials measured at different test piles under the interferebce of subway stray current

本工作中管道的防腐蝕層為3層PE，屬于短時間極化構筑物，因此參照澳大利亞標準要求，統計了燃氣管道沿線測試樁處斷電電位比保護準則更正時間占總測試時間的比例，如表2所示。由表2可見，此段管道極化電位正于保護電位的時間均遠遠超過標準規定，說明此段管道受到動態直流干擾嚴重，故要進行動態直流防護。

表2 管道動態直流干擾風險評價Tab. 2 Risk assessment of pipeline dynamic DC interference %

2 地鐵雜散電流干擾防護的現場試驗

為了獲得該段管道的地鐵雜散電流防護方案，在現場開展了防護試驗，主要考察了防護方法和排流地床位置兩個因素對排流效果的影響。

2.1 犧牲陽極現場排流

如圖3所示，距離管線2 m，距離6號測試樁約100 m處，臨時埋設2支鎂合金犧牲陽極，同時在犧牲陽極埋設處、6號測試樁處的管道正上方埋設極化試片，模擬管道的防腐蝕層漏點，用來測試排流效果。

圖3 犧牲陽極埋設示意圖Fig. 3 Schematic diagram of sacrificial anode installation

由圖4可知，新增犧牲陽極對犧牲陽極地床附近管道的雜散電流干擾有一定的緩解效果，斷電電位降到標準規定的保護電位(-0.85 V)以下，但在6號測試樁附近管道通斷電電位沒有降到標準規定要求。由此推斷，兩支鎂合金犧牲陽極排流地床的有效保護范圍在100 m內，若應用鎂合金犧牲陽極保護7 km長的管道，需要埋設大量犧牲陽極，同時犧牲陽極服役壽命有限，綜合考慮經濟效益與現場施工條件，不推薦使用犧牲陽極防護方案。

(a) 陽極地床處 (b) 6號測試樁處圖4 犧牲陽極地床連接前后管道通斷電電位測試結果Fig. 4 Test results of on and off potentials of pipeline before and after the connection of sacrificial anodes

2.2 強制排流

如圖5所示，根據干擾水平和現場埋設條件，分別在管段兩端的1號、6號測試樁處埋設臨時排流陽極地床和參比電極，采用直流電源進行強制排流饋電試驗。6號測試樁處陽極地床距離管道約100 m，1號測試樁處陽極地床距離管道約200 m；同時在沿線測試樁處安裝數據記錄儀，測試干擾緩解前后的通斷電電位。

圖5 臨時陽極地床埋設位置Fig. 5 Temporary anode bed burying position

2.2.1 1號測試樁處強制排流

由圖6可見，隨著饋入電流的增大，管道的斷電電位下降明顯，其中在饋入4 A電流后，1,2,3號測試樁處管道的斷電電位降至-0.85 V以下，排流效果明顯；距排流地床越遠，管道斷電電位越下降越不明顯，5，6，7號測試樁處部分管道斷電電位沒有達到保護電位，排流效果逐漸變差。

由圖7可見：只有1，2，3號測試樁處的通、斷電電位明顯改善，而其他區域的緩解效果較差，有效保護范圍約3 km。

2.2.2 6號測試樁處強制排流

由圖8可見,隨著饋入電流的增大，管道的斷電電位下降明顯；饋入相同電流時，隨著與排流地床距離的增大，管道斷電電位下降來越不明顯，在距離6號測試樁6 km的另一端1號測試樁處測得斷電電位完全達不到標準要求(-0.85 V以下)。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(d) 5號 (e) 6號 (f) 7號圖6 1號測試樁處強制排流后管道沿線測試樁的通斷電電位Fig. 6 On and off potentials at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 test pile

圖7 1號測試樁處強制排流后管道沿線測試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 7 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 test pile

由圖9可見，1號測試樁處未見明顯的改善效果外，沿線電位均有所改善，其中5號測試樁的改善效果比另兩側要差，由于同一條管線各測試點之間是電連接的，所以推斷5號測試樁處改善效果較差的原因可能是埋設的試片與土壤的接觸性能差導致的極化較差。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(d) 5號 (e) 6號 (f) 7號圖8 6號測試樁處強制排流后管道沿線測試樁的通斷電電位Fig. 8 On and off potentials at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 6 test pile

圖9 6號測試樁處強制排流后管道沿線測試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 9 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 6 test pile

由以上試驗結果可見，分別在1和6號測試樁處饋電，均出現靠近饋電點一側的管道電位達到饋電效果，而遠離饋電點一側的改善效果較差，說明僅通過單側排流地床難以將整個管道的雜散電流減排到理想的效果，需要考慮在兩側同時饋入電流進行防護。

2.2.3 1號和6號測試樁處同時進行強制排流

為了解決單側饋電不能滿足讓遠離饋電點一側電位達到改善效果的問題，在1號和6號測試樁處同時進行強制排流試驗，如下圖10所示，同時在1號和6號測試樁處饋入2 A電流，兩側管道的斷電電位均下降明顯，有效解決了單側饋電效果不佳的問題，但若要滿足澳大利亞標準要求，兩側饋入電流要大于2 A。

3 排流方案設計

根據現場防護試驗結果，針對該管段設計了如下地鐵雜散電流的防護方案：

(1) 由于犧牲陽極排流方式保護距離和排流量有限，考慮到經濟效益與現場施工條件，選擇強制排流方案；

(2) 由于現場無交流市電，管道沿線南、北兩側的閥室內有太陽能發電系統，故強制排流電源采用太陽能發電的直流電源，管段南、北兩側各需要1套電源系統。根據現場排流試驗結果，選擇額定功率為24 V/10 A(直流供電)恒電位控制的強制排流電源，也可以根據實際陽極地床安裝之后的接地電阻情況最終確定。

(a) 1號測試樁 (b) 6號測試樁圖10 1號和6號測試樁處同時強制排流后管道沿線測試樁電位正于-0.85 V的百分比Fig. 10 The percentage of the potential positive than -0.85 V at the test piles along the pipeline after forced drainage at No. 1 and No. 6 test piles

(3) 分別在1號和6號測試樁附近安裝兩處淺埋排流地床，地床埋深大于1.5 m，排流地床距離管道盡量大于50 m，每處地床包含30支含鉻高硅鑄鐵陽極(φ75 mm×1 500 mm)，陽極中心間距3 m。

4 結論

(1) 對某段燃氣管道地鐵雜散電流干擾問題開展了沿線測試樁的24 h通斷電電位測試，按照相關標準對干擾程度進行了評估，結果表明：此段管道受到動態直流干擾，需要進行動態直流干擾防護。

(2) 在現場開展了防護試驗，試驗結果顯示：犧牲陽極排流效果差，緩解距離短，不適合較長距離的管道保護；單側強制排流試驗均出現靠近饋電點一側的管道電位達到饋電效果，但遠離饋電點一側的管道改善效果較差的現象；在兩側同時進行強制排流，能有效解決單側饋電效果不佳的問題；對此段管道保護需要兩側同時饋入3～4 A電流。

(3) 基于現場防護試驗，確定了受地鐵雜散電流干擾燃氣管段的干擾防護方案，明確了強制排流的防護類型，確定了兩側同時饋電的排流方式，以及排流器的選型和排流地床的埋設方式。