某輸油管道雜散電流干擾檢測與整改評價

丁繼峰 劉曉龍 劉 凱 張福忠 王翔東

（1. 青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；2. 青島海業油碼頭有限公司，山東 青島 266599；3. 中國航空油料有限責任公司大連分公司，遼寧 大連 116033）

0 引言

隨著我國城鎮化進程的不斷推進，地鐵、輕軌等現代化城市軌道交通因節約土地空間、高效及大運量等優點，逐漸成為城市公共交通的支柱，也是一個城市城鎮化水平高低的 “名片”。地鐵、輕軌正常運行情況下，在車輛直流供電牽引系統中，運輸列車所需要的電流由牽引變電所提供，通過架空電纜線向列車供電，然后經行走軌回流至牽引變電所電流經架空線驅動機車，電流從行走軌返回牽引變電所，電流是按照人們的設計路線所需，在指定的通路中流動。理想情況下行走軌電阻非常低，行走軌對大地的泄漏電阻為無窮大，此時經行走軌回流的電流等于牽引電流，即所有的電流都經行走軌回流至牽引變電所。但實際上行走軌有一定的電阻值，當有電流通過時就形成了電位差，并且行走軌對大地的泄漏電阻也不會為無窮大，就不可避免的造成了部分電流不經行走軌回流至牽引變電所，而是流入大地，然后通過大地回流至牽引變電所。泄露的電流會對線路周圍的埋地金屬管線產生嚴重的電化學腐蝕影響，若金屬管線的表面有漏鐵點，則部分電流就會選擇電阻率較低的埋地金屬管線作為電流回流路徑，從牽引變電所附近的管線中流出流回至牽引變電所，形成了雜散電流，電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統形成的雜散電流如圖1所示。

圖1 電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統

當雜散電流在土壤中流動時，流入埋地金屬管線的地方電位負向偏移，成為陰極區，處于陰極區的管線一般會受到雜散電流的電化學保護，但是當陰極區的電位值過負時，金屬管道表面會發生析氫現象，導致此區域防腐層剝落和清脆；雜散電流流出管道的部位電位正向偏移，成為陽極區，管道陽極區域發生劇烈的電化學反應，導致埋地金屬管線的電化學腐蝕侵害，造成埋地金屬管線的管壁減薄，嚴重時能夠導致埋地金屬管線的穿孔，導致泄漏、爆炸、火災等安全事故[1-5]。

其腐蝕機理如下：在中性、堿性或弱酸性的介質中，由于氧的存在，在陽極區一般發生吸氧腐蝕，即在腐蝕過程中氧氣得到電子被還原生成OH-的腐蝕，其電化學反應式如下：

陽極：Fe-2e=Fe2+

陰極：O2+2H2O+4e-＝4OH-

總反應：2Fe+O2+H2O=2Fe（OH）2

反應產物2Fe（OH）2將進一步與氧氣和水進行反應，2價鐵離子繼續被氧化成3價鐵離子，最終生成疏松的鐵銹（Fe3O4）。

而處于陰極區（即電流流入區）的管道一般不會被影響，但是如果持續大電流流入，造成高電位差，會使管道上產生氫氣，造成析氫腐蝕。

通過對地鐵雜散電流的研究可以設計以下雜散電流等效電路如圖2所示。

圖2 地鐵雜散電流等效電路圖

圖中，It為牽引電流，Rr為行走軌電阻，Rt和Rs為牽引變電所及行走軌的泄漏電阻，R為土壤橫向電阻。通過等效電路，可以求得雜散電流公式：

通過公式（1）可以看出，雜散電流的大小與牽引電流、行走軌電阻、泄露電阻及土壤橫向電阻有關，特別的土壤橫向電阻可以通過公式（2）計算得到。

其中ρ為土壤電阻率，l為行走軌段與變電所間的距離，A為土壤的橫向面積，當A取無限大時，R近似為0Ω。

公式（1）可變為：

當牽引電流一致時，行走軌電阻越大，雜散電流越大，泄漏電阻越大，雜散電流越小。

因此，針對受雜散電流干擾的管道進行檢測與評價，不僅能夠提高地鐵系統的可靠性，而且能夠有效地降低城市埋地管線運輸系統的安全風險。

1 雜散電流檢測概述

本次對輸油管道的通電電位、斷電電位、交流雜散電流干擾、直流雜散電流干擾以及土壤電阻率和地表電位梯度進行測量，從而全面評估雜散電流的干擾情況。

針對直流雜散電流，對于沒有實施陰極保護的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進行判斷。當任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20mV時，應確認存在直流干擾；當任意點上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100mV時，應及時采取干擾防護措施[6]。

對于已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施。

對于交流雜散電流依據GB/T 50698-2011標準規定，當管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流防護措施；高于4V時，應采用交流電流密度法進行更進一步評估。需要提出的是，使用交流電流密度法進行評估時，需要在管道上連接腐蝕檢查片作為輔助評估措施。采用交流電流密度的計算公式[7]：

式中：Jac評估的交流電流密度（A/m2）；V交流干擾電壓的有效值的平均值（V）；ρ土壤電阻率（Ω﹒m）；d破損點直徑（m），d取0.0113。

當交流干擾程度判定為強時，應采取交流干擾防護措施；判定為中時，宜采取交流干擾防護措施；判定為弱時，可不采取交流干擾防護措施。

2 雜散電流評價

為了全面地反映目前某輸油管道受地鐵雜散電流干擾情況，我們選取了本次選取靠近地鐵的某輸油管道的3個測試樁作為檢測對象，選取1001#～1003#共計3處測試點，3處測試點均未設置排流設施。

本次評價對3個測試點的通電電位、斷電電位、交流電壓及土壤電阻率進行測量。測量方式選擇24h不間斷測量，通電電位、斷電電位的測量結果選擇最大值與最小值進行記錄；交流干擾電壓選擇最大值進行記錄；土壤電阻率采用文納四極法測量，測量5次取3次中間值再取平均的方法，以提高測量的準確性，其結果如表2和圖3所示。

表1 交流干擾的程度判斷表

表2 某輸油管道雜散電流干擾情況統計表

通過表2和圖3可以看出，1001#～1003#測試樁處管道受交流雜散電流影響較小，但是通電電位波動大，斷電電位均大于-0.85V，未達到相應標準，管道受到直流雜散電流干擾，必須采取防護措施。

針對現狀，對1001#～1003#測試樁處進行直流排流防護，采用極性排流器+鎂合金犧牲陽極方式進行排流。

根據排流實施后24h的檢測結果發現，1001#～1003#測試樁斷電電位在-0.85～-1.20Vcse之間，斷電電位正于-0.85Vcse準則百分比均小于5%，達到陰極保護相應標準。其結果如表3和圖4所示。

表3 某輸油管道雜散電流治理后檢測統計表

圖4 管道排流后24h不間斷測試結果

3 結語

通過對某輸油管道沿線管道進行實地考察，系統分析介紹了輸油管道現行和維護情況，針對復雜的管道情況制定了可行有效的雜散電流排流實施方案，通過對管線沿途測試樁的保護電位測量可以發現，在陰極保護運行保護期內，管道保護電位符合-850 mV準則，管道處于保護狀態。

展望：為了更加及時、精確掌握埋地輸油管道的雜散電流干擾情況，在后期運營維護過程中還可對現行管道進行數智化升級改造，積極采用智能采集儀，建立和健全管道雜散電流數據庫，為管道的安全穩定運營提供有力的保障[8,9]。