埋地管道地鐵雜散電流干擾的測試技術

孟慶思,杜艷霞,董 亮,戴 舒,徐洪福

(北京科技大學 材料科學與工程學院,北京 100083)

?

腐蝕監檢測技術

埋地管道地鐵雜散電流干擾的測試技術

孟慶思,杜艷霞,董 亮,戴 舒,徐洪福

(北京科技大學 材料科學與工程學院,北京 100083)

深圳地鐵發展迅猛，泄漏到大地中的雜散電流可導致埋地管道腐蝕加速。對深圳地鐵雜散電流干擾下的輸水管道進行檢測，確定管道的自腐蝕電位，探討試片材質和表面狀態對檢測結果的影響，同時研究了管道受雜散電流干擾的規律。結果表明：雜散電流干擾程度與地鐵和管道的相對位置有一定的關系,隨著管道與地鐵間距離減小，管道受到雜散電流干擾越來越嚴重；并且在相同距離下，交叉段受到干擾程度要大于平行段。同時不同材質的管道抗干擾能力也不相同。

地鐵雜散電流;輸水管道;自腐蝕電位;干擾規律

我國城市鐵路交通系統發展迅猛。截至到2014年底，全國已有22個城市建成地鐵95條，運營里程達到2 900 km。盡管地鐵給城市交通帶來了巨大便利，但泄漏到大地中的雜散電流對埋地管道、金屬結構物有加速腐蝕的作用。

地鐵采用直流供電系統提供動力，鋼軌作為電流的回流通路。由于鋼軌自身具有一定的電阻，而鋼軌和大地之間也難以達到完全絕緣，部分電流會離開鋼軌進入大地，稱之為地鐵雜散電流[1]。

地鐵雜散電流對埋地管道干擾受很多因素影響。除了地鐵系統本身的因素,例如:供電系統的穩定性、鐵軌電導率、軌道與大地連接材料和結構的選擇以及其絕緣性能、供電站的間距、日常檢查和軌道的清理工作等[2]，進入管道雜散電流的大小也與土壤電阻率、埋地管道的接地電阻、地鐵路線與管道的相對位置以及管道材質等因素相關。近年來,城市地鐵建設加快，線路覆蓋面更廣，分布更加密集,埋地的各種金屬管道如輸水管道、天然氣管道、煤氣管道縱橫交錯，導致地鐵雜散電流的干擾規律更加復雜。

對于地鐵雜散電流干擾下埋地管道的檢測，前人已經做了大量研究。張豐等[3]介紹了試片斷電法在管道陰極保護檢測中的應用，探究了不同試片面積對所測電位的影響。楊敬杰[4]采用試片斷電法對某地受地鐵雜散電流干擾管道進行了專項檢測，結果顯示,不同管段受雜散電流干擾程度不同，距離地鐵較近的管段受到雜散電流干擾較為嚴重，但該檢測只針對單根管道。Chen等[5]在不同時段對上海地鐵雜散電流干擾下埋地天然氣管道的管地電位、流經試片的電流以及電位梯度進行了檢測，結果證實,埋地管道受到較強的雜散電流干擾，并提出了一系列緩解方法。Casas等[6]對芝加哥市中心的預應力鋼筒管混凝土(PCCP)進行了地鐵雜散電流干擾檢測，并設計和優化了極性排流法。盡管關于地鐵雜散電流對管道干擾檢測的資料有很多，但大多數側重于現場的測試以及對某管道整體受干擾強度的評價。本工作重點研究了地鐵雜散電流干擾的測試方法，并對深圳市內多條地鐵干擾下雜散電流對埋地輸水管網的干擾規律進行了探討。

1　地鐵雜散電流對埋地管道的干擾

深圳水務集團管轄的供水管道長約3 200 km，主要采用鋼質管道和鑄鐵管道。管道涂層有特加強級環氧煤瀝青玻璃布、加強級環氧煤瀝青玻璃布以及涂浸熱瀝青。管道自1980年起陸續建設完成，大部分(約70%)建于1990年-2000年，使用年限為10～20 a。輸水管道縱橫交錯，與地鐵線路多處并行交叉，見圖1。

圖1　輸水管道與地鐵線路相對位置圖Fig. 1　The relative position of water pipes and metro lines

選取深圳市埋地輸水管道與地鐵密集交匯區的39個管道測試點進行檢測，測試內容包括干擾管道的地鐵線路、檢測點與地鐵的相對位置、管道材質以及受雜散電流干擾程度；并對其中受到嚴重干擾的14個測試點進行了24 h監測。為了得到理想的測量結果，24 h監測時采用試片斷電法來測量管道的通電電位(管地電位)[7]。

盡管埋地管道并沒有陰極保護系統，但在雜散電流的干擾下管道并非處于自然腐蝕狀態。管道使用年限較久，涂層存在一定程度的老化，試片的面積選為10 cm2。數據記錄儀采用UDL-2，可采集通、斷電電位和流經試片的電流。數據記錄頻率為1次/s。檢測前將試片與管道連接24 h，保證試片處于較為穩定的狀態。文中電位即管地電位均相對于銅/硫酸銅參比電極(CSE)。

1.1檢測結果

表1為部分檢測點的測試結果。其中，44號檢測點的兩端分別為鋼質管道和鑄鐵管道。

表1　部分測試點受地鐵雜散電流干擾檢測結果Tab. 1　The results of parts of the test points under metro stray current interference

由表1可見，各區域的管道均受到地鐵雜散電流的干擾。19號、28號、39號等檢測點受到嚴重的雜散電流干擾，最正管地電位達到1.969 0 V；9號和26號等檢測點受到干擾較弱。

由圖2可見，監測點的管地電位明顯受到地鐵雜散電流的干擾。在地鐵工作時間段，管地電位波動劇烈；當地鐵停止運行，管地電位恢復到較為平穩的狀態。

(a)　13號

(b)　21號圖2　部分測試點24 h監測結果Fig. 2　24 hours monitoring results of the test points of No. 13 (a) and No. 21 (b)

根據相關標準[8]，對于未施加陰極保護的管道，當其任意點上管地電位較自腐蝕電位正向偏移不小于100 mV時，管道干擾程度為不可接受，應及時采取干擾防護措施。因此確定管道自腐蝕電位對判定雜散電流干擾程度具有重要意義。但在雜散電流干擾下,管地電位處于較為劇烈的波動狀態，自腐蝕電位難以確定。

同時，由圖2可以看出，采用試片斷電法進行測試時，采集到的斷電電位明顯要負于通電電位。

1.2輸水管道自腐蝕電位的確定

通常采用自腐蝕試片法確定管道的自腐蝕電位[9],這是由于自腐蝕試片的接地電阻大，不易吸收雜散電流而處于自腐蝕狀態。但是該方法的測試周期長，需要現場開挖，施工難度較大，因此在短期檢測中，難以獲得較為準確的自腐蝕電位。

地鐵雜散電流的方向和大小是在瞬息萬變的，受到干擾的管道也不存在穩定的陰陽極極化。盡管并未處于自腐蝕狀態，一旦地鐵雜散電流停止干擾，管道很快獲得較為穩定的自腐蝕狀態,如圖2所示。因此在地鐵雜散電流干擾下，針對沒有陰極保護的埋地管道，24 h監測中地鐵停止運行一段時間后的管地電位最接近真實的自腐蝕電位。

1.3試片材質的選擇

在雜散電流干擾下，管地電位存在一定的電壓降(IR降)，為了消除IR降，獲得干擾下管道的真實電位，采用試片斷電法進行測量。試片材質應與管道材質完全相同，用于模擬管道的涂層破損點。

管道使用年限較為久遠，存在不同程度的腐蝕現象。將試片與管道連接24 h獲得較為穩定的狀態后進行24 h監測，部分檢測點測試結果顯示異常。以21號檢測點為例，試片的斷電電位明顯負于管地電位，這是由于試片剛加工，表面較為光滑，沒有銹層，自腐蝕電位要比管道的更負，見圖2(b)。這樣試片就不能完全代表管道涂層破損點。但在實際測試中，試片的表面電化學性能很難完全和管道破損點達到一致，最好在測試前將試片埋設一段時間以減小電位差。但試片材料的選擇以及表面狀態的確定并沒有統一的標準，有待于進一步的研究。

2　地鐵雜散電流對埋地管道干擾的規律

基于輸水管道受到雜散電流干擾的程度，結合不同干擾因素如管道與地鐵相對位置、干擾地鐵線路以及管道材質，對動態雜散電流干擾規律進行了研究。

由于現場條件復雜，在對比同類干擾因素影響下的干擾規律時，測試點以及數據的選擇應盡量減少其他干擾因素。

2.1管道與地鐵相對位置對埋地管道的干擾

39個測試點都與地鐵存在不用程度的交叉或并行。當地鐵線路與埋地管道平行時，檢測點與軌道距離指兩者間的水平距離。由表2可見，當檢測點與軋道距離為695 m時，管地電位的波動范圍為-0.397 0～-0.332 9 V，雜散電流的干擾微弱；當檢測點與軋道距離減小到38 m，管地電位波動范圍為-0.872 5～-0.315 5 V，干擾較為強烈；當檢測點與軋道距離只有13 m時，管地電位波動范圍為-2.569 3～0.870 9 V，干擾極為強烈。當管道與地鐵并行，隨著檢測點與管道之間的距離不斷減小，管地電位的波動范圍越來越大。

表2　與地鐵平行的管道受雜散電流干擾的 測試結果Tab. 2　The testing results of pipelines parallel with metro under stray current interference

當地鐵線路與管道交叉時，檢測點與軌道距離指兩者間的垂直距離。由表3可見,24號檢測點管地電位波動范圍大于26號的，14號檢測點的管地電位波動范圍大于16號的。當管道與地鐵線路交叉時，隨著測試點與管道之間距離的減小，雜散電流對管道的干擾作用越來越強烈。

表3　與地鐵交叉的管道受雜散電流干擾的 測試結果Tab. 3　The testing results of pipelines crossed with metro under stray current interference

綜上所述，雜散電流對管道干擾程度與地鐵線路和管道之間的距離相關。為了進一步研究在不同相對位置下地鐵雜散電流對管道干擾強弱，選取交叉和平行兩種相對位置進行對比。

由表4可見，在地鐵線路與管道距離相同的情況下，與地鐵交叉的管道受干擾程度明顯高于與地鐵并行的管道。這是由于管道和地鐵線路交匯處管道與地鐵的絕對距離最小，交叉處的電流相對集中。

表4　相對位置對管道受雜散電流干擾的程度Tab. 4　The effect of relative position on the interference degree

2.2不同地鐵線路雜散電流對埋地管道的干擾

不同地鐵線路的運營狀態不同，牽引所的間距也有差異，軌道與大地絕緣性等因素都會導致地鐵線路泄漏到大地中的雜散電流有差異。為了進一步了解不同地鐵線路對埋地輸水管道的干擾狀況，選取了深圳市民中心附近的管道進行測試,結果見表5。

表5　不同地鐵線路對管道受雜散電流干擾的程度Tab. 5　The effect of different subways on the interference degree

由表5可見，40號、33號、38號三個檢測點都距離地鐵2號線很近，但距離其他3條地鐵相對較遠；隨著測試點與2號線距離的減小，埋地管道受到雜散電流干擾越來越嚴重。35號檢測點距離3號線只有33 m，41號檢測點距離1號線和3號線都很近，而42號檢測點距離4號線只有8 m，同時這三個檢測點距離地鐵2號線均很遠，但受到雜散電流干擾程度也最低，管地電位波動幅度很小。可以看出地鐵2號線對埋地管道的干擾較為強烈。從蓮花到市民中心有供電站，可能是地鐵2號線對管道造成嚴重干擾的重要因素。

2.3不同材料管道受雜散電流的干擾

深圳水務集團輸水管道材料分為鋼和鑄鐵兩種。為了對比不同材料管道抗雜散電流干擾能力，選取了三個區域不同材料的管道進行對比,如表6所示。其中44號檢測點兩側分別為鑄鐵和鋼兩種材料，鋼管和鑄鐵管之間采用承插方式連接，中間有橡膠材料阻隔，即二者間存在電絕緣。鋼管和鑄鐵管的管徑都為300 mm，鋼管長度在5 km左右，鑄鐵管長度為380 m，鑄鐵的接地電阻遠遠大于鋼管的，這是導致鋼管的管地電位波動范圍大于石墨鑄鐵管道的重要原因。而梅林和蓮花的不同材料的管道都是獨立管道，沒有共用接頭，結果發現盡管材料為鋼的8號和28號檢測點距離地鐵相對較遠，但受到地鐵干擾更加嚴重，管地電位波動范圍明顯大于9號和29號檢測點的。這與石墨鑄鐵的電導率相對較低，抗雜散電流干擾能力較強有很大關系。

表6　不同材料管道受雜散電流干擾的測試結果Tab. 6　The testing results of different materials on the interference degree of pipelines

2.4局部測試點斷電電位存在瞬間強烈波動現象

在24 h監測數據中發現，7號和8號檢測點斷電電位存在尖峰而且出現在同一時刻，如圖3所示。類似的情況也有發生在其他檢測點。為進一步確定瞬間強烈干擾的干擾特點，再次對該區域的兩個點進行測試，結果如圖4所示。補測24 h通斷電電位中并沒有出現尖峰，顯示正常。

(a)　7號

(b)　8號圖3　24 h監測中斷電電位存在異常尖峰Fig. 3　The existance of abnormal peak in the off-potential in 24 h test

(a)　7號

(b)　8號圖4　異常點斷電電位補測結果Fig. 4　The supplement measurement results of off-potential of abnormal test points

地鐵運行狀態很有可能是導致管道電位出現尖峰的原因。當地鐵啟動時瞬間電流可達到5 000 A，如果幾條地鐵線路同時啟動，瞬間電流疊加更大，這很有可能是導致測試結果突然出現較大波動的原因。當然，對于尖峰的出現還沒有定論，仍有待于進一步研究，但加強對管道電位的實時監測對保障管道安全運行是必要的。

3　結論

(1) 對于沒有陰極保護的埋地管道，在地鐵雜散電流干擾下可以選擇地鐵停止運行一段時間后的管地電位作為近似的管道自腐蝕電位。

(2) 試片斷電法測量管道斷電電位時，試片材質以及表面狀態的選擇不當會導致測試結果出現較大偏差，試片的選擇和設計有待于進一步的研究。

(3) 對于與地鐵并行和交叉的管道，與地鐵距離越小，受干擾程度越嚴重；同時在相同距離情況下，與地鐵交叉的管道受干擾程度要比平行位置的

管道嚴重；與地鐵并行和交叉且距離較近的管道是監測和排流的重點選擇點。

(4) 鑄鐵管電導率低，與鋼管相比，其抗雜散電流干擾能力更強。

(5) 24 h監測中電位突然出現尖峰可能是由于多條地鐵同時啟動，瞬間干擾電流突然升高導致的，加強對管道電位的實時監測對于保證管道的安全運行是必要的。

[1]吳祥祖,張慶賀,高衛平. 地鐵雜散電流產生機理及其防護措施[J]. 建筑安全,2003(5):28-30.

[2]LINDEMUTH D,CRABTREE D. AC and DC stray current mitigation and corrosion control for a new urban pipeline[C]//Corrosion 2012. Atlanta,TX:NACE,2012.

[3]張豐,齊曉忠,金宏,等. 試片斷電法在管道陰極保護中的應用[J]. 油氣儲運,2013,32(7):760-763.

[4]楊敬杰. 地鐵直流干擾影響下管道陰保電位的測試和評價[J]. 腐蝕與防護,2014,35(3):288-291.

[5]CHEN Z G,QIN C K,TANG J X,et al. Experiment research of dynamic stray current interference on buried gas pipeline from urban rail transit[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2013(15):76-81.

[6]CASAS R D R,TURNER R,ROE K. Dynamic stray current interference testing and mitigation design for a 90-inch water main[C]//Corrosion 2009. Atlanta,TX:NACE,2009.

[7]NACE TM 0497-2002Measurement techniques related to criteriafor cathodic protection on undergroundor submerged metallic piping systems[S].

[8]SY/T 0017-2006埋地鋼質管道直流排流保護技術標準規定[S].

[9]SY/T 0029-2012埋地鋼質檢查片應用技術規范[S].

A Detecting Technique of Metro Stray Current Interference on Buried Pipelines

MENG Qing-si, DU Yan-xia, DONG Liang, DAI Shu, XU Hong-fu

(Corrosion and Protection Center, Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

With the rapid development of Shenzhen metro, the leaked stray current into ground leads to corrosion of buried pipelines accelerated. A comprehensive inspection of water pipelines in different areas of Shenzhen under the interference of stray current was conducted, and the corrosion potential was determimed. The effects of materials and surface conditions of samples on the detection results were discussed. And a certain of stray current interference rules on pipelines were obtained. The results show that there is some relationship between the relative position and the degree of metro stray current interference on pipelines. With the decrease of the distance between pipelines and metro, the stray current interference becomes more serious; and in the same distance, the interference degree of the pipelines crossed with metro is higher than that of parallel with metro. At the same time, the ability of anti-interference of different materials is in difference.

metro stray current; water pipeline; corrosion protential; interference rule

10.11973/fsyfh-201605001

2015-03-18

國家自然科學基金(51401017); 中央高校基本科研業務費專項資金(FRF-TP-14-096A2); 深圳水務集團輸水管道雜散電流干擾測試及評估項目資助

杜艷霞(1980-),副教授，博士，從事陰極保護的工作,15801429530,duyanxia@ustb.edu.cn

TG172.84

A

1005-748X(2016)05-0355-05