地鐵干擾下管道陰極保護有效性測試方法的探究

吳桐宇

（中航油石化管道有限公司，北京 101318）

0 引言

地鐵牽引用電一般采用直流電，如圖1所示，地鐵牽引電流IL自變電所流出經過接觸網和電車用電系統后，本應利用鐵軌徹底回收，但由于鐵軌無法做到對地的完全絕緣，一部分電流會釋放到大地，流經埋地的金屬構筑物的電流Is會在構筑物上產生嚴重的動態直流干擾。整個地鐵線路有多個變電所為機車供電，且每個供電區間至少是雙邊供電，機車在運行期間的發車頻次和單車負荷也是變化的，機車行進過程中鐵軌泄漏電流處對地的接地電阻也會發生變化，諸多上述不確定的因素導致地鐵雜散電流干擾下管道的管地電位呈現動態波動特征。

圖1 地鐵供電系統典型雜散電流回路[1]

目前，極化試片法作為測試管道極化電位的常規手段，廣泛應用于現場陰極保護參數獲取，由于中斷動態直流雜干擾效果良好，該方法也普遍應用于受地鐵干擾段的陰極保護有效性測試項目中。

極化試片法基于試片與被保護金屬結構斷開，從而消除任意電流源造成的IR降，測得的試片斷電電位非常接近于真實的極化電位。其具體做法如圖2所示，在測試樁位置埋設與管道相同材質的鋼片，與管道同深埋設，試片通過測試樁與管道直接相連并保證充分極化，測試時將具有通斷功能的數據記錄儀（如uDL2）串聯入管道與試片間的回路，參比電極放置在試片正上方，為排除地電場對參比電極的干擾，參比電極應安裝在PVC材質的參比管內。

圖2 極化試片法測試管道極化電位示意圖

1 極化試片法測試陰極保護參數過程中存在的問題

在某管道測試樁處采集到的極化試片電位曲線如圖3所示，在現場測試過程中首先要保證試片的充分極化，根據澳大利亞AS 2832.1-2015 Cathodic protection of metals Part 1: Pipes and cables[2]，對極化試片法測試得到的結果進行統計：記錄足夠長時間下的管道的陰極極化電位，按照埋地金屬受雜散電流極化時間的長短，將埋地金屬分為短時間極化構筑物和長時間極化構筑物。對短時間極化、涂層性能良好的金屬構筑物而言，電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；正于保護準則+50mV的時間不應超過測試時間的2%；正于保護準則+100 mV的時間不應超過測試時間的1%；正于保護準則+850mV的時間不應超過測試時間的0.2%。對于長時間受雜散電流極化作用、涂層質量不好的埋地金屬構筑物，規定其電位正于保護準則的時間不應超過時間的5%。該方法在對現場操作人員而言，存在采集時間長，統計數據工作量大，實施難度高等缺點。在使用極化試片法實踐過程中，還存在很多不確定的因素，導致極化試片法測得的結果并不能真實反映管道的保護狀態。

圖3 極化試片電位曲線圖

（1）NACE SP0104-2020 The Use of Coupons for Cathodic Protection Monitoring Applications和SY/T 0029-2012《埋地鋼質檢查片應用技術規范》規定，用于測量電位的試片面積宜為6.5～100cm2，3PE防腐層管道宜取下限[2,3]。測試人員在采集管道極化電位過程中，通常采用6.5～10cm2的試片，測得的結果過于保守，只能反映測試位置類似試片表面積缺陷的陰極保護狀態，而試片面積選擇過大則有可能改變附近管道的陰極保護狀態導致結果錯誤，應根據管道實際防腐層缺陷的大小選擇試片，這樣做將增加測試難度；

（2）采用極化試片法進行電位測試時，通常有兩種埋設試片的方法，一種是長期永久埋設，該方法能夠保證試片狀態與管道保持一致，但試片埋設環境若存在Ca2+、Mg2+時，受陰極保護的共同作用，久而久之，試片表面會形成Ca（OH）2、Mg（OH）2沉積物，試片測試電位偏正，導致陰極保護效果誤判。另一種方法是在測試樁附近臨時埋設試片，經過一段時間極化后，測試試片的極化水平，測試完成后將極化試片取出，這種方法的缺點是試片埋設深度往往較淺，試片和管道所處環境不同，每處測試點都要埋設試片，工作量較大，試片極化時間不確定，等待試片完全極化的過程較長，工作效 率低；

（3）試片的極化水平受到土壤含氧量及試片與土壤接觸狀態的影響較大，含氧量高和土壤電阻率高的沙土環境下，試片的表面難以實現極化，測得的斷電電位偏正。臨時埋設的試片周圍土壤結構疏松，導致試片與土壤的實際接觸面積減小，試片接受陰極保護電流的有效面積減小，平均電流密度降低，測得的極化電位偏正；

（4）通常采用的臨時試片表面都比較平整，邊界相對較規則，而防腐層缺陷形狀、大小不一，這導致兩者的腐蝕表面并非等效，另外沿管道表面和周邊的電流密度并非是均勻分布的，單個試片只能反映測試點位置的的陰極保護水平；

（5）即便每公里逐樁測試極化試片的斷電電位，仍不能確定遠離測試點位置管道的陰極保護 程度；

（6）不同尺寸和形狀的試片對地電阻不同，即使對于相同裸露表面積的試片，相對于被保護結構物的位置和方向不同仍可以極化到不同水平，測得的結果存在差異。

2 簡化獲取管道極化電位測試方法的探究

在日常維護工作中采用極化試片法測量管道極化電位，要求測試人員具備較高的陰極保護專業技能，測試過程中工作量大，規模開展存在一定難度。

GPS同步中斷法是在為管道提供陰極保護電流的恒電位儀上加裝GPS同步控制的中斷器，同步通斷恒電位儀輸出，達到消除測量回路中陰極保護電流產生的IR降獲取斷電電位的一種方法。因為中斷器不對雜散電流源產生作用，測得的斷電電位無法排除雜散電流干擾的因素，所以這種方法被普遍認為適用于直流雜散電流干擾較輕或不受到直流雜散電流的管道。

通過仿真驗證,在添加了卡爾曼濾波程序后,極大地改善了鎖相環的輸出,且擴展了鎖相環可跟蹤的信噪比范圍。通過仿真驗證,本文的算法最大可提取信噪比在-20 dB左右的信號。

國外學者的研究結果指出，雖然試片的斷電電位不能夠代表管道的瞬間斷電電位，兩者之間存在分散性，但是如圖4所示兩者相關性較強[4]。鑒于此，為了給陰極保護日常維護工作減負，通過選取濟南、青島、武漢三條受地鐵直流雜散電流干擾程度不同的航油管道作為研究對象，并根據干擾的分布情況選取多處測試位置，開展同步通斷法和極化試片法的測試，比較管道在不受地鐵干擾狀況下采用GPS同步中斷法采集的斷電電位、管道受動態直流干擾條件下采用GPS同步中斷法獲取斷電電位在多個測試周期的平均值和極化試片法測得的試片極化電位，以期找到能夠簡化日常維護測試管道極化電位的方法。

圖4 管道與試片的斷電電位比較[4]

圖5為地鐵干擾狀況下采用GPS同步中斷法在某測試樁處測得的24h通斷電位曲線，從連續記錄的管地電位動態變化趨勢看，在地鐵運行的時間段，電位均波動劇烈；當地鐵停運時，電位均趨于穩定。

圖5 地鐵干擾狀況下采用GPS同步中斷法某測試樁處通斷電位曲線圖

對白天使用GPS同步中斷法采集的斷電電位多個周期的平均值和夜間采集的斷電電位與斷電試片法采集的斷電電位進行對比，三者趨于一致的結果表明：當管道受到動態直流干擾且正向偏移量與負向偏移量相近時，白天地鐵運行狀態下采集的管地斷電電位多個周期的平均值可以作為評價管道陰極保護有效性的依據。

近年國內學者研究結果表明地鐵雜散電流干擾下管道的管地電位呈周期性波動，受地鐵雜散電流干擾引起的管地通電電位波動周期為0～300s；在地鐵運行時間段，管地通電電位以50～200s時長發生周期性波動，其中時長為50～150s的周期最多，由于各地環境與地鐵運營存在差異，各地占總時間比例較大的周期及其具體的占比略有不同[5]。在使用同步中斷法日常測試管道斷電電位過程中計數時間選取最大周期2倍（大于10min）。

3 地鐵及多重干擾環境下管道陰極保護有效性測試方法的探究

我國現代化建設步伐逐漸加快，公共走廊內交叉、并行的基礎設施逐漸增多，埋地管道受到的干擾也逐漸增多，不能僅依靠測試樁位置的極化電位水平來評價管道陰極保護的有效性，否則測試樁之間的管道極容易出現漏測、難以進行有效性評價的情況。在這種背景下，基于GPS同步中斷法的密間隔電位（以下簡稱CIPS）測試結果評價遠離測試樁位置管道的陰極保護水平有著特殊的優勢，在識別干擾源、判定雜散電流流入流出區間等問題也能凸顯作用。

表1 地鐵干擾下管道同步通斷法和試片法電位統計結果

圖6 GPS同步中斷法條件下對管道進行CIPS示意圖

對于長輸管道而言，至少在連續的4個陰極保護站安裝GPS同步斷流器，保證3個站間距內管線實現同步中斷，然后對中間站間距管段開展檢測。檢測前，首先確定斷流器通斷周期，在確保在通斷狀態下陰極保護電源能夠正常工作，在此過程中，應在恒電位儀的輸出回路測試電壓的波形曲線，在反饋回路測試通電點位置管地電位的波形曲線，如圖7所示，通過波形判斷選取的檢測周期和延遲時間的合理性。同步監測陰極保護系統通電點電位及恒電位儀輸出電流的同時，每2～3米間隔測量管道的管地通斷（On/Off）電位，每個測試樁處測量管道的通/斷電位波形，完成對全線的測量后，評價埋地管道受保護程度，對陰極保護不足管道進行原因分析，并提出解決辦法。

圖7 GPS同步高頻測試輸出電壓和管地電位波形曲線

圖8 CIPS測試使用補償動態電流干擾管地電位測量方法[1]

若管線受到其他陰極保護站的干擾，為了獲得真正的陰極保護電位數據，必須在干擾源的陰極保護系統上分別安裝斷流器，并進行同步設置，以確保CIPS/DCVG測量數據的有效性和真實性。線路與站場處于聯保狀態時， 區域陰極保護電流源上也應安裝同步斷流器。

對于陰極保護不足或過保護管道，對恒電位儀輸出參數進行相應的調整，確保受檢測的管段陰極保護處于最佳狀態。對于受到干擾的管段，詳細調查數據出現偏離的原因，進而確定干擾源位置和管道受干擾程度。

筆者在檢測某管道期間，發現一段管道受到多重干擾，開挖結果如圖9～圖11所示，54#測試樁附近存在嚴重的管體腐蝕，腐蝕坑面積為3×4cm，腐蝕深度達到6.4mm，在管道附近位置埋設ER腐蝕探頭（圖12），2個月后，ER腐蝕探頭消耗殆盡。

圖9 測試樁附近缺陷點腐蝕

圖10 缺陷點處防腐層

圖11 缺陷點管道腐蝕

圖12 附近ER腐蝕探頭消耗殆盡

為詳查腐蝕原因并確定管道欠保護管段具體位置，采用基于GPS同步中斷法的CIPS法采集該段管道沿 線的斷電 電位，由于管道受到地鐵干擾，測得的斷電電位曲線呈較大幅度的波動，無法使用該數據進行陰極保護有效性評價，在測試管段附近設置固定設備連續測試管道的通斷電位，并對CIPS測試結果進行數據校準，校準后的CIPS結果如圖14所示，校準后結果可以確定欠保護管段的范圍和欠保護程度，檢測結果可以和開挖結果相互驗證，該實例證明即使在地鐵干擾下，CIPS測試仍然可以有效識別出管道陰極保護不足的區間。圖中紅色的圓點為極化試片法在測試樁位置獲取的管道極化電位，該數據不能夠確定欠保護區段的范圍，只能顯示測試樁位置是否達到保護標準，不能為后續排流治理提供有效數據支撐。

圖13 某管道53～59#測試樁CIPS原始數據曲線圖

圖14 某管道53～59#測試樁CIPS校準后數據曲線圖

在地鐵干擾環境下正確使用CIPS評價陰極保護有效性應注意如下事項：

（1）同步中斷時，恒電位儀不同的工作模式對其運行狀況存在顯著影響，在測試期間，為保證恒電位儀工作的穩定性和測得管道斷電電位的準確性，應根據實際情況調整恒電位儀的工作模式；

（2）通斷周期的選取對同步通斷測試測得數據的準確性有較大的影響，斷電時間過短，設置采集斷電電位的延遲時間不能有效避讓電壓尖峰，過長則會影響恒電位儀斷電后恢復正常工作時的啟動時間；

（3）通過高頻數據記錄儀采集恒電位儀輸出電壓和管地電位的波形可以分析陰極保護電源強制中斷時工作的穩定性和采集通斷電位數據的延時時間，識別恒電位儀通斷對采集數據準確性的影響；

（4）根據固定數據記錄儀采集的數據對CIPS數據進行校準，盡量排除人為因素和動態直流干擾的影響，可以使數據更具可讀性。

4 結語

（1）極化試片法對現場操作人員而言，由于需要等待試片充分極化，存在采集時間長，統計數據工作量大，實施難度高等弊端，在使用實踐過程中，存在諸多不確定的因素，可能導致測試結果不能真實反映管道的保護狀態，且試片法結果只能顯示測試樁位置陰極保護水平是否達標，不能確定欠保護和雜散電流干擾區間；

（2）當管道受到動態直流干擾且正向偏移量與負向偏移量相同時，白天地鐵干擾狀態下采集的管地斷電電位正于保護準則的時間占比可以作為評價管道陰極保護有效性的依據；

（3）對于只受到動態直流干擾且正向偏移量與負向偏移量相同的管道，GPS同步中斷法可以簡化極化試片法測試管道極化電位的過程，該方法對同等條件下的管道具有普遍適用性，測試結果可用于指導管道陰極保護日常維護管理；

（4）CIPS測試結果在確定欠保護和雜散電流干擾區管段時，值得借鑒，能為后續采取直流排流設施提供有效數據支撐。