某管道雜散電流干擾影響及防護效果評價

李強林 杜 建 王 朋 錢文振 賈明貴 孫彩云 朱傳濤

（1.山東省天然氣管道有限責任公司，山東 濟南 250032；2.中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

電氣化鐵路和地鐵在運行期間，會對埋地管道產生交直流雜散電流干擾[1-3]，其中軌道交通系統對臨近埋地管道產生的交直流雜散電流干擾一般具有影響范圍大、周期性強、干擾程度劇烈的特點[4,5]。本文以膠州-日照埋地天然氣管道（簡稱某管道）為例，針對青島地鐵13號線、青連電氣化鐵路對某管道交直流雜散電流干擾的影響，通過現場檢測管道電位的波動變化等，明確直流干擾的影響范圍、程度，分析其干擾規律，并在現場開展緩解防護措施試驗，制定相應的緩解治理方案，驗證排流緩解措施的有效性。

1 概況

某管道起點為膠州站、終點為日照站，線路長度154km，管道采用3PE防腐層，強制電流陰極保護，沿線設3座線路陰保站。其中65～154#樁與青連鐵路伴行90km，交叉2次；104～108#樁與青島地鐵13#線伴行約4km，伴行間距750～1.5km。管道自陰保系統投運以來運行平穩，2018年12月青島地鐵13號線投運以來，管道陰保電位波動頻繁，2#、3#陰保站內恒電位儀設備受到干擾無法穩定輸出。

2 雜散電流干擾檢測評價

針對青島地鐵13號線、青連電氣化鐵路對管道的雜散電流干擾檢測評估，主要包括：管道陰保系統運行有效性檢測評估；管道交流/直流干擾影響的檢測；在干擾嚴重位置設置腐蝕失重檢查片監測腐蝕速率。

2.1 檢測方法及監測點

針對管道交/直流干擾的長周期（≥24h）監測采用在監測點設置記錄儀；短周期的檢測采用萬用表。陰保電位檢測方法按照GB/T 21246-2020《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》執行。臨時饋電試驗采用具有恒通電、恒斷電、恒電流模式的設備。

2.2 現場檢測數據及腐蝕速率監測

現場檢測評價數據

測試周期內，統計各監測點通斷電電位的最大、最小和平均值，流經試片電流的流入、流出所占比例。管道沿線通電電位的最大值、最小值以及平均值曲線如圖1所示。

圖1 管道沿線通電電位曲線分布圖

管道通電電位全線均存在波動，通電電位在與地鐵距離最近的96～114#樁之間波動劇烈；在104#樁附近通電電位波動最為劇烈，波幅13.77V。

天然氣管道沿線斷電電位的最大值、最小值以及平均值曲線如圖2所示。

圖2 管道沿線斷電電位曲線分布圖

管道沿線的斷電電位存在一定的波動，斷電電位在與地鐵距離較近的100～114#樁之間波動相對劇烈；在104#樁位置斷電電位波動最為劇烈，波幅為0.548V。

天然氣管道沿線交流干擾電壓的最大值、最小值以及平均值曲線如圖3所示。

圖3 管道沿線交流干擾電壓曲線分布圖

管道沿線存在明顯的交流干擾雜散電流的影響，主要集中與青連鐵路伴行段，檢測范圍內管道交流干擾電壓最大值為84#測試樁的25V，但交流干擾電壓平均值波動范圍為0.63～3.84V＜4V。

3 雜散電流干擾影響評估分析

3.1 直流雜散電流干擾的評估

3.1.1 直流干擾評估標準

根據國家標準GB 50991《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》第5章節對直流干擾的評估規定：

對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。

澳大利亞國家標準《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS 2832.1-2004對受到雜散電流干擾的埋地管道防護效果檢驗指標也做了規定，對涂層性能良好的結構應遵循以下準則：

（1）電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；

（2）電位正于保護準則+50mV的時間不應超過測試時間的2%；

（3）電位正于保護準則+100mV的時間不應超過測試時間的1%；

（4）電位正于保護準則+800mV的時間不應超過測試時間的0.2%。

3.1.2 直流干擾影響程度及規律

根據現場檢測數據分析，管道沿線監測點位置直流電位的波動，不論是正向還是負向，均存在一定規律的周期性，一般在夜間11:30～凌晨5:30左右波動較小，白天波動劇烈，波動周期與地鐵運行時間保持一致，如圖4所示。

從管道直流電位波動的周期性規律和管理單位反饋各陰保站恒電位儀設備輸出受到干擾影響的開始時間與地鐵投運的時間基本一致等信息分析：青島地鐵13#線是該管道的直流干擾源。

管道47#樁—終點段管道受到青島地鐵13#線的直流干擾影響，直流電位的偏移整體可分為三段：47～77#樁約30km管道電位負向偏移；77～123#樁約45km管道電位正向偏移；123#-終點約30km管道電位負向偏移。同時直流干擾影響2#、3#線路陰保系統恒電位儀設備的輸出。

3.2 交流雜散電流干擾的評估

3.2.1 交流干擾評估準則

為保證人體安全，減輕管道受高壓輸電線路的交流干擾腐蝕危害，根據相關標準的要求，管道感應電壓及交流電流密度評估指標規定如下：

（1）根據GB/T 3805的規定，穩態情況下，人體可接觸的安全電壓限值為33V；

（2）根據GB/T 50698-2011的規定，當管道上的交流干擾電壓≤4V時，可不采取交流干擾防護措施，＞4V時，應采用交流電流密度進行評估。交流電流密度可按下式計算；

式中：

JAC：評估的交流電流密度（A/m2）；

V：交流干擾電壓有效值的平均值（V）；

ρ：土壤電阻率（Ω·m）；

d：破損點直徑（m），取0.0113。

（3）根據GB/T 50698-2011的規定，管道受交流干擾的程度可按照表1的指標判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標

3.2.2 交流干擾影響程度及規律

根據現場檢測數據分析，84#樁交流干擾電壓最大值26V＜33V的安全電壓。管道47#測試樁—日照站段管道交流干擾電壓平均值波動范圍為0.63～3.84V，管道交流干擾電壓平均值整體＜4V，交流干擾程度判定為弱，暫不采取排流措施。

4 緩解防護措施

針對直流地鐵對管道的干擾可采取的緩解措施有排流法、屏蔽法、絕緣分割法等[10]。結合現場檢測情況，應首先通過調整現有陰極保護輸出和分段絕緣措施來抑制其干擾影響，然后考慮在干擾嚴重的區域通過增設陰保站、補充犧牲陽極等方法進行緩解防護。

4.1 分段絕緣

將管道沿線站場、閥室的跨接電纜斷開，將管道分為3段保護。

4.2 調整陰保系統

結合管道電位偏移分布和現場饋電實驗的情況在泊里站增設線路1座陰保站，同時對現有的陰極保護系統進行改造，將恒電位儀長效參比電極更換為抗干擾極化探頭[11]。抗干擾極性探頭可為恒電位儀提供一個消除IR降之后相對穩定的電位信號，降低恒電位儀輸出電流的波動，提高恒電位儀的陰極保護效率。

4.3 排流防護

在管道84～122#樁正向偏移的陽極影響區段增設14處鋅合金犧牲陽極組進行排流防護。排流裝置主要包括極性排流器、鋅合金犧牲陽極接地材料、連接電纜、測試樁等。

5 防護效果評價

針對某管道雜散電流干擾的防護措施現場實施完成后，開展管道線路陰保系統運行情況和線路管道陰保電位的長周期檢測對防護效果進行評價。

5.1 線路陰保系統運行情況

線路陰保站恒電位儀設備對應的參比電極調整為抗干擾極化探頭后，線路陰保系統恒電位儀運行情況如表2所示。

表2 線路陰保系統恒電位儀運行數據表

針對3#站恒電位儀設備電位波動的情況，將設備調整為恒電流模式運行，結合站外線路管道斷電電位監測數據，將設備輸電電流設置在0.75A。

5.2 管道電位檢測分析

某管道在采取分段絕緣、增設陰保站、調整陰保系統輸出、設置排流裝置后，重新對管道沿線部分干擾段進行電位的長周期檢測，并對排流效果進行分析。

5.2.1 直流干擾防護效果

根據前期線路管道電位的測試情況，對管道部分干擾嚴重位置進行長周期監測測試，管道部分測試樁通斷電測試數據如表3所示；管道部分測試樁斷電電位偏移及占比如表4所示。

表3 管道長周期測試數據統計表

表4 管道電位偏移及占比時間數據統計表

根據現場長周期檢測結果，在采取緩解防護措施后，管道電位偏移及占比滿足《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS 2832.1中埋地管道直流干擾防護效果檢驗指標。

5.2.2 交流干擾防護效果

根據在采取緩解措施后，管道部分測試樁交流干擾電壓、交流電流密度等數據如表5所示。

表5 管道交流干擾檢測數據統計表

在采取緩解措施后，管道沿線交流干擾電壓峰值均滿足GB/T 3805《特低電壓（ELV限值）》規定的33V的安全電壓限值，同時在管道沿線的土壤電阻率≤25Ω·m的位置，交流干擾電壓平均值＜4V；在管道沿線的土壤電阻率＞25Ω·m的位置，交流電流密度均＜60A/m2，滿足GB/T 50698《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中交流腐蝕限值的要求。

6 結論及建議

通過開展相關的雜散電流干擾檢測和緩解措施驗證檢測工作，基本明確了青連電氣化鐵路、青島地鐵13#線作為干擾源對某管道的干擾影響范圍、影響程度、周期性變化以及電位偏移等規律，提出并驗證了分段絕緣、增設陰保站、增設極性排流器和更換抗干擾極化探頭等措施的有效性，對電氣化鐵路、地鐵等干擾源對油氣管道產生雜散電流干擾的治理方面提供的實踐參考。