PCCP供水管道高壓線交流干擾及排流措施研究

胡元澤 白文軒 何惠磊 史 睿 田曉姣 鄭少飛 李 銳 姜 慶

（寧夏長城水務有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

預應力鋼筒混凝土管道（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP）是一種復合材料管道，主要由薄鋼板、承插口鋼環、高強鋼絲和混凝土構成。在制造過程中，將預應力鋼絲纏繞在混凝土管芯上，再在其上噴射一層致密的水泥砂漿保護層。這種管道具有高密封性、高強度和高抗滲的特性，廣泛用于跨國家區域大型引調水工程以及工業、市政、和農業灌溉系統的供配水管網等，如果引漢濟渭、引江濟淮、引綽濟遼等國家項目。

陰極保護[1]是一種電化學技術，多年來一直與防腐涂層共同作用保護PCCP管道。陰極保護有犧牲陽極和外加電流兩種形式，目前國內PCCP管道普遍采用犧牲陽極保護方式。但隨著PCCP管道服役時間的增長及國家區域供電不平衡問題日益突出，越來越多的高壓輸電線路及變電站、供電鐵塔與PCCP管道交叉或平行，有的甚至與管道平行可達幾十公里，最近處離管道僅幾米距離。研究表明，當管道與高壓輸電線路過于接近時，高壓輸電線會對周圍埋地PCCP管道內預應力鋼絲產生電磁干擾，使得預應力鋼絲出現過電壓情況，就會導致腐蝕現象。如果原有埋地PCCP管道加裝有陰極保護，高壓輸電線路還會加大陰極保護“負荷”，加速犧牲陽極的消耗，從而影響管道的安全運行。

近年來，國內外學者針對PCCP高壓線雜散電流交流干擾問題開展了大量研究[2,3]。研究主要集中在雜散電流的產生機理、傳播途徑、影響因素以及防控措施等方面。研究表明，雜散電流的產生與交流輸電線路的電磁場、電位差等因素有關；傳播途徑主要包括PCCP管道、土壤和地下水；影響因素包括輸電線路距離、土壤電阻率、地下水位等。在防控措施方面，研究者提出了多種方案，如增加管道與輸電線路距離、設置屏蔽電纜、安裝濾波器等。然而，這些措施在實際應用中仍存在一定的局限性，如增加距離可能導致土地利用率下降，屏蔽電纜的長期效果尚待驗證等。因此，進一步開展PCCP高壓線雜散電流交流干擾的檢測與排流研究具有重要的實際意義。

1 工程概況

國內某供水管道采用埋地式DN1000PCCP管道，單管輸水。輸水管道設計總長約18.26km。項目共分為A、B、C和D四段設計，其中C段樁號C4+650到樁號C6+180長度為1.5km；D段長度為5.22km，均設計有陰極保護。近年來隨著高壓電力設施的大規模建設，西電東送、寧電入湘等國家大型輸電項目的實施，越來越多的高壓、超高壓輸電線路及鐵塔架設起來。國內某管道亦是如此，輸水管道周邊存在多條高壓輸電線路和鐵塔，國內某管道30#閥井處高壓輸電線路從管道上方交叉經過、高壓鐵塔離管道只有8米距離、管道周圍還有一座110KV變電站。管道附近存在不同種類高壓輸電線路和變電站，錯綜復雜，管道產生雜散電流，會加速埋地PCCP管道預應力鋼絲和鋼筒的腐蝕，使管道存在泄露的潛在風險，最終引發管道“爆管”。

在統計近五年管網公司在日常檢測中發現，管道保護電位呈現逐年降低趨勢（如表1），30#閥井和37#閥井附近管道陰極保護電位雖處于合格范圍內，但明顯低于其它區域正常值，存在陰極保護失效風險。

表1 近幾年管道保護電位統計表

進一步分析可知30#閥井附近多條高壓輸電線路從管道上方交叉經過、高壓鐵塔離管道只有8m距離、管道附近還有一座110KV變電站、最近變壓器離管道只有5m距離（如圖1）；37#閥井附近存在多處信號光纜、埋地輸電線路和電氣柜等強電流干擾源。

圖1 30#閥井附近干擾源

埋地管道在過高的高壓線、變電站及電氣柜附近會產生較大的交流干擾電壓，且在長期作用下，交流感應電壓會加速管道附近土壤中氯離子、硫酸根等腐蝕性離子的流動，造成管道表面防腐層老化、脫落，同時加速PCCP管道預應力鋼絲的腐蝕，極易引起“斷絲”風險。對于使用犧牲陽極保護的管道，更會導致陽極性能下降，縮短犧牲陽極壽命壽命，甚至出現“陽極逆轉”現象（使管道成為陽極），從而加速管道腐蝕[4]。而管網公司埋地PCCP管道采用單管鋪設方式，一旦任意管道出現“斷絲”引起停水，將造成不可挽回的損失和事故。

以下通過對埋地PCCP管道交流雜散電流干擾機理分析，找到一種干擾檢測檢測和排流措施，保障埋地PCCP管道運行安全。

2 雜散電流干擾機理

雜散電流干擾是由高壓輸電線路、變電站、高壓鐵塔及配電柜等所產生的電流干擾。其主要有直流雜散電流干擾和交流雜散電流干擾。

2.1 直流雜散電流干擾

直流雜散電流干擾主要是直流電氣化鐵路、直流高壓線和地鐵線路等。電流流入管道破損點為陰極，管道受到保護，電流流出端為陽極，管道失去電子成為陽極，發生腐蝕。直流雜散電流干擾造成的管道腐蝕的速度是非常迅速的，會造成很嚴重的腐蝕穿孔。

2.2 交流雜散電流干擾

交流雜散電流干擾主要是由管道附近的交流高壓線、電氣化鐵路和交流配電柜等干擾源。干擾源通過電阻耦合、電容耦合或電磁感應耦合等方式對附近埋地管道產生交流雜散電流干擾和腐蝕，交流雜散電流干擾機理較為復雜，出現不同種類的模型研究，其中最著名的是堿化機理，認為交流雜散電流由于其交變電壓引起管道電位波動，結合管道防腐涂層破損共同作用下導致管道腐蝕。

3 干擾檢測評估

根據GB/T50689-2011標準[5]，當管道上的交流干擾的檢測電位小于等于4V時，不用采取交流干擾防護措施；當大于4V時，必須進行交流電流的密度評估，交流電流的密度可按下式計算：

式中： JAC為評估的交流電流密度（A/m2）；

V為交流干擾檢測電位的平均數（V）；

ρ為地下土壤的電阻率（Ω.m）；

d為破損處直徑值（m）；d值按發生交流腐蝕最嚴重考慮，取0.0113。

管道受交流干擾的程度可按下表交流干擾程度進行判定（如表2）。

干擾檢測過程如圖2所示。

圖2 交流干擾檢測過程

3.1 主要檢查項目

埋地PCCP管道高壓線交流干擾主要檢測以下項目：

（1）管道交流干擾電壓及其分布；

（2）交流干擾電流密度；

（3）管道沿線土壤電阻率；

（4）管道已有陰極保護運行參數及運行情況。

3.2 技術要求

（1）連接銅導線打磨除銹應直至露出銅線基體，并具有金屬光澤；

（2）電纜間連接電阻應確保小于0.01Ω；

（3）檢測管道交流干擾電壓是否大于4V，大于4V需進一步檢測交流電流密度；

（4）對與高壓線路接近的管段，各點檢測時間不得短于5min；

（5）測試時間段應分別選擇在高峰、低峰和一般情況三個時間段進行，測試時間段一般為60min；

（6）對交流干擾嚴重區域應進行24h連續測量。

經現場檢測結果如表3所示。

表3 現場測試結果

表4 運行檢測內容及周期

4 排流措施

4.1 實施工藝圖

排流施工過程實施工藝流程圖如圖3所示。

圖3 排流實施工藝圖

4.2 溝槽開挖

使用機械設備進行溝槽，開挖尺寸長40m、寬1m、深1～1.5m，距離管道至少5m。

4.3 地床安裝

按照設計計算結果溝槽內布置鋅合金接地極10套，每套尺寸接地極規格為40×40×1500mm，將每套接地極進行串聯。也可采用35平裸銅線進行埋設，埋設長度40m。

4.4 固態去耦合器安裝

固態去耦合器安裝于測試樁箱體內，保護箱的尺寸根據固態去耦合器的大小確定，保護箱采用鋼管支撐，保護箱設置有防盜鎖。鋼管底部采用水泥支墩固定。安裝時分別將排流地床和管道電纜接入保護箱內，與固態去耦合器的正負極相連。

4.5 電纜敷設

電纜敷設規格采用YJV-0.6/1×25mm2，電纜的最小埋深不得小于1.5m，最好與管底埋設深度相同。埋設時，應先在管溝內鋪設一層100mm厚的細砂或降阻劑，再進行電纜埋設，電纜埋設并串聯完成后，再在電纜上面均勻鋪設100mm厚的細砂層或降阻劑，確保電纜與各接地極串聯互通。電纜在溝槽內應作波狀敷設并預留1.5%的長度，以免電纜在埋設后因外力拉拽或冷卻收縮而斷開。

4.6 溝槽回填

待電纜將固態去耦合器、管道、接地極連通以后，對溝槽進行澆水，保持溝槽內一定潤濕，同時檢測地下土壤的電阻率、交流電流密度、管地的交流干擾電位，是否處于處于合格范圍內，之后進行管溝回填并壓實表面。

5 檢驗評價

交流排流防護項目實施完畢后，應立即投入試運行，并進行全面綜合調試，測試采用高精度數字萬用表，對測試樁的交流干擾電壓的最大值、最小值和平均值進行測試，每個測試樁的測試時間為24H。根據測試結果對管道的交流干擾防護效果進行評價，完成后應對交流排流效果進行評估，每處排流點排流效果應滿足國家驗收標準及下列規定：

（1）管道交流干擾電壓峰值小于15V；管底的交流干擾電壓處于：±-2.0V范圍內（管道與接地體之間）；

（2）在土壤電阻率不大于 25Ω?m地方，管道的交流感應干擾電位應低于4V；土壤電阻率大于25Ω?m地方，管道交流電流密度須小于60A/m2；

（3）管道雜散電流干擾排流率＞98% ，能有效地解決外界雜散電流對埋地管道的干擾及破壞。

6 運行維護

管道排流之后應按表3的規定進行定期檢測，以確認干擾排流系統是否運行正常，管道預應力鋼絲及鋼筒是否處于保護范圍之內。

7 結語

本文通過對國內某PCCP供水管道進行高壓線干擾研究，建立了一種PCCP供水管道高壓線交流干擾雜散電流檢測和排流措施。在保障現有PCCP管道陰極保護系統正常運行的同時，大大降低了PCCP管道預應力鋼絲遭受雜散電流干擾引起的腐蝕風險，為具有相同腐蝕風險的PCCP埋地供水管道干擾排流提供參考借鑒。