京滬高鐵對埋地管道的交流干擾規律及緩解措施

徐華天,賈彥國,張瑞志,徐承偉

(1.國家石油天然氣管網集團科學技術研究總院,廊坊 065000;2.北京科技大學新材料技術研究院,北京 100083;3.國家石油天然氣管網集團華北分公司,天津 300384;4.國家管網集團山東運維中心魯皖分公司,曲阜 273100)

京滬高鐵途經中國社會經濟發展活躍的地區,受地理空間資源的限制,京滬高鐵山東段與某輸油管道處在共同的交通走廊內。管道運營公司日常檢測發現該輸油管道的最高交流干擾電壓達到46 V,超過了GB/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中安全電壓限值不超過15 V的要求。由高鐵導致的管道間歇性交流干擾問題,國內外目前尚無針對性評價準則[16-18],因此,本工作對該管道進行了交流干擾全面檢測,在此基礎上采用數值模擬技術評估了京滬高鐵對該管道交流干擾影響的分布規律,設計了針對性的緩解措施,并對最終的排流緩解效果進行了后評價,以期為其他同類問題的解決提供借鑒。

1 京滬高鐵與管道的基本信息

京滬高鐵采用AT供電方式,即在接觸網與正饋線之間并聯接入一臺自耦變壓器,其中性點與鋼軌相連。每隔約10 km設置一臺自耦變壓器,這種方式能將牽引網的供電電壓提高一倍,而供給電力接車的電壓仍為27.5 kV。高鐵列車由接觸網(T)受電,牽引電流一般由鋼軌(R)流回,由于自耦變壓器的作用,鋼軌上的回流電經自耦變壓器繞組和正饋線(AF)流回變電所[18]。其工作原理如圖1所示。

圖1 高鐵AT供電方式的工作原理示意

為了降低回流電流對鐵路沿線設備和設施產生的電磁影響,高鐵一般采用綜合接地系統。在綜合接地系統中,建筑物、構筑物及設備在貫通地線接入處的接地電阻不應大于1 Ω。沿鐵軌敷設的貫通地線每隔500 m橫向連接一次。每個橋墩單點接地電阻不大于10 Ω。

某成品油管道管徑為Φ355.6 mm,壁厚7.1 mm,平均埋深1.8 m,管道為X60鋼,設計壓力8 MPa,采用外加電流陰極保護和環氧粉末(FBE)防腐蝕層聯合防護。本工作中輸油管道與京滬高鐵交叉并行軌跡如圖2所示。

圖2 管道與京滬高鐵并行交叉段的衛星圖

2 管道所受交流干擾情況

2.1 交流干擾的測試方法

交流干擾測試遵循GB/T 50698—2011和GB/T 21246—2020的規定,使用uDL1和uDL2數據記錄儀對干擾強度較大的管段(測試樁K320-K369處管段)進行24 h連續監測,采集陰極保護電位、交流干擾電壓和試片的電流密度等參數,數據采集頻率為1 Hz。在測試樁位置采用溫納四極法測試土壤電阻率,測試深度為2 m,測試儀器為ZC-8土壤電阻率測試儀。

交流干擾嚴重程度和緩解效果評估遵循GB/T 50698—2011和新版交流腐蝕行標SY/T 0087.6—2021《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準 第6部分:埋地鋼質管道交流干擾腐蝕評價》規定的交流腐蝕評價準則:(1)當交流電流密度≤30 A/m2時,交流腐蝕速率低,可不采取干擾緩解措施;(2)當30 A/m2<交流電流密度<100 A/m2時,則應滿足-1.15 VCSE≤管道極化電位≤-0.90 VCSE或陰極保護電流密度≤1 A/m2,且EIR-free≤-0.90 VCSE。(3)當交流電流密度≥100 A/m2時,交流腐蝕速率高,應采取干擾緩解措施。

2.2 測試結果

由圖3可見:該管段的交流干擾波形特征為白天高鐵運行期間,管道遭受間歇沖擊型交流干擾,最高交流干擾電壓可達幾十伏特,評估結果為強干擾;而在夜間高鐵停運期間,管道交流干擾電壓很低,不足白天峰值的10%,評估結果為弱交流干擾。基于管道交流電壓變化情況與高鐵運行情況的一致性,得出該管道K320至K369段的交流干擾源主要為京滬高鐵。

圖3 K320至K369管段的24h交流電壓監測結果

由圖4可見:受交流干擾最嚴重的管段集中在K323至K340測試樁之間,此段管道交流干擾電壓最大值達到46 V,交流干擾電壓平均值大于4 V。由圖2可見,此段管道與京滬高鐵并行,最小距離約為150 m,進一步證明了管道遭受的交流干擾主要來自京滬高鐵。K347至K369段之間的管道與京滬高鐵的距離較遠,管道遭受的交流干擾也較小。

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圖4 管段的交流電壓最大值、平均值和最小值分布情況

現場監測試片(1 cm2)的交流電流密度最大值超過300 A/m2,K323至K340測試樁之間管段的最大交流電流密度均超過100 A/m2。根據GB/T 50698—2011標準計算各個測試點24 h內交流電流密度平均值為30～50 A/m2,這是因為24 h的監測數據中含有高鐵停運期間數據,造成計算得到的交流電流密度值偏小,這說明使用現行穩態交流干擾標準去評價高鐵造成的沖擊型交流干擾,結果偏樂觀。

交流干擾測試結果表明,K323-K340測試樁位置管段的交流干擾程度為強干擾,應進行交流干擾緩解。

3 數值模擬評估與排流設計

為進一步明確京滬高鐵對管道的交流干擾分布規律,保證排流設計的合理性,使用CDEGS軟件建立了高鐵對管道的交流干擾計算模型,如圖5所示。高鐵牽引供電系統、鋼軌、接地系統和管道系統均使用現場收集的實際參數,平均土壤電阻率為23 Ω·m,高鐵運行過程中,上、下行機車電流分別為318 A和712 A。

圖5 交流干擾計算模型

計算發現,當上行和下行機車均位于匡莊AT變電所附近位置時,交流干擾強度最大。高鐵對管道的交流干擾電壓分布如圖6所示。雙機車運行時干擾最大,其次是下行機車,最后是上行機車,說明機車運行電流越大,對管道的交流干擾影響越大。

圖6 雙列車行駛時,管道的交流干擾電壓分布情況

由圖6可見:雙機車運行時,遭受交流干擾最大的管段為K323-K336測試樁間,最大交流干擾電壓為46.7 V,數值模擬結果與現場檢測結果基本吻合。數值模擬計算得到的干擾電壓和電流密度均超過標準規定的15 V和100 A/m2限值條件,管道應采取交流干擾緩解措施。

控制交流腐蝕的典型方法是在關鍵位置提供接地極,將交流電流的釋放點從管道上轉移到接地電極上。常用的管道交流干擾緩解方法為固態去耦合器加鋅帶排流方法,根據管道最大干擾電壓進行緩解設計,通過不斷調整鋅帶長度及敷設位置,計算得到管道排流點數量以及最終緩解效果。該管道所在區域主要地形為農田,為了減小排流施工對農田莊稼的影響,采用安裝深井陽極方法,每個排流點在垂直管道距離4 m和8 m的位置開挖兩口30 m深的深井,鋅帶型號為ZR-2,3根鋅帶并聯捆扎后放入深井中。計算過程中,隨著鋅帶敷設長度和位置的增加,管道沿線交流干擾強度明顯減小,當管道上安裝敷設8處鋅帶時,最大干擾情況下管道沿線干擾電位分布如圖7所示。安裝排流地床的位置分別為K325、K327、K330、K332、K335、K339、K344、K350測試樁處。

圖7 安裝8處排流設施后的管道電位分布

由圖7可見:安裝排流地床后,管道最大干擾電壓為7.34 V,滿足15 V的人身安全電壓限值要求。并且計算得到電流密度數值均小于30 A/m2,結合管道陰極保護斷電電位為-0.96 V,判斷管道受到的交流干擾腐蝕風險為弱,達到緩解目標,確定該方案為緩解方案。

4 緩解效果后評價

排流地床投入使用后,根據GB/T 50698—2011和GB/T 20246—2020標準規定的測試方法再次對交流干擾強度進行了測試。

首先測試了單個排流地床的排流效果,對K323測試樁位置的排流地床進行了固態去耦合器連接和不連接管道情況下的排流效果試驗,兩種狀態分別持續監測24 h,該處排流地床接地電阻為0.75 Ω。

由圖8可見:當固態去耦合器與管道連接時,管道最高交流干擾電壓為5.8 V;斷開時,管道最大交流干擾電壓達為26 V;說明排流地床緩解干擾能力達到78%。排流地床較好地緩解了干擾,顯著降低了交流干擾的腐蝕風險和對人的潛在電擊傷害。

圖8 固態去耦合器連接與不連接管道交流電壓對比圖

后評價發現若排流地床接地電阻大于1.5 Ω,緩解干擾能力低于50%,在管道上的影響距離也大大縮短。一般情況下,若排流地床接地電阻小于1 Ω,則每2～3 km設置一處排流地床就能起到較好的緩解效果,但若施工位置土壤電阻率高或者填包料安裝不均勻導致地床接地電阻大于1.5 Ω時,緩解效果將不如預期,需要加密設置排流地床。

由圖9可見:經過排流,管道的交流電壓大幅度下降,排流效果良好,有效解決了管道的交流干擾問題。

圖9 管道排流前后交流干擾電壓平均值對比

5 結論

(1)高鐵導致的間歇性交流干擾問題,目前國內外尚無針對性評價準則,依據GB/T 50698—2011標準進行評價會導致結果偏樂觀,這主要是由于引入了高鐵停運期間的無干擾數值,導致平均電流密度變小。

(2)排流地床的接地電阻應小于1.5 Ω,否則排流效率低,無法達到預期的緩解效果。因此在無法降低排流地床接地電阻的情況下,需要設置更多的排流地床。

(3)數值模擬能夠明確高鐵對管道的交流干擾電壓分布規律,并且可以有效解決排流地床的設計問題。