電氣化鐵路對長輸管道的交流干擾及防護

沈光霽,趙建濤,劉振斌,王健新,王洪林

(1. 沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110034； 2. 中石油山東輸油有限公司，日照 276800)

電氣化鐵路對長輸管道的交流干擾及防護

沈光霽1,趙建濤2,劉振斌2,王健新2,王洪林2

(1. 沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110034； 2. 中石油山東輸油有限公司，日照 276800)

我國電氣化鐵路的牽引供電系統采用單相工頻(50 Hz)25 kV交流制式，當長輸管道與其近距離并行或交越時，電氣化鐵路會通過電阻耦合的方式對臨近埋地段管道產生不同程度的交流干擾，加劇管道交流腐蝕風險。固態去耦合器接地排流是近年來國內廣泛流行的防護方法，日東線排流工程實踐表明：采用適當規格的固態去耦合器、以及合理的接地材料和施工方式，可以有效抑制管道的交流干擾，能夠滿足相關標準要求。

管道；電氣化鐵路；交流干擾；固態去耦合器；排流

目前，長輸管道均采用外防腐蝕層和陰極保護相結合的防腐蝕體系，這種措施可有效防止管道外腐蝕的發生。但是，當存在交流干擾時，即使陰極保護系統提供有效保護，在管道的防腐蝕層缺陷處也可能發生交流腐蝕；當管道交流干擾電壓過大時，還有可能對附屬設備及操作人員的安全造成威脅；此外，交流干擾還會影響陰保系統恒電位儀的正常運行，使管道得不到有效的陰極保護。因此，減緩管道的交流干擾，及時開展排流防護工程就顯得尤為重要。

目前，國內長輸管道的交流干擾源主要可分為電氣化鐵路和高壓輸電線兩大類[1]。電氣化鐵路牽引供電系統通過電阻耦合的方式，高壓輸電線通過電磁耦合(感應耦合)的方式對臨近的埋地管道產生交流干擾[2]。本工作根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》對日東線受干擾管段的干擾狀況進行調查與檢測；然后，根據調查和檢測的結果，制定有針對性的干擾防護方案并加以實施及調整；最后，全部防護工程完成后，對管道及保護系統進行防護效果評定。

1 管線概況

日東線(原油管線)平邑清管站至兗州輸油站管段與新石線(交流電氣化鐵路)存在近距離并行、交越情況，如圖1所示。并行段(K185～K245)長度接近60 km，交越點有2處(K188、K240)，平均間距為500 m，最近間距為20 m(K233),最遠間距約為1 500 m(K224)。該地段沿線地貌以山地、平原為主，土壤類型主要為黏土、沙土，周圍環境多為農田，山地管段土壤電阻率較高。

圖1 日東線與新石線的示意圖Fig. 1 Sketch map of Ridong pipeline and Xinshi railway line

2 干擾測試

2.1 測試方法

管道交流電位采用儲存式雜散電流測試儀進行測試，測試點利用現有管道測試樁(102個)，間距約1 km，數據采樣頻率1次/s，測試時間24 h，參比電極采用鋼棒電極，與管道距離大于10 m。由于與鐵路并行的原油管段已有65個管道測試樁，且在特殊位置點均增設了測試樁(包括并行段的起始點、交叉點、間距最大及最小點等)，因此，測試樁處的管道交流電位分布即可以代表整個并行段管道的交流干擾情況，無需增加其它測試位置，后期防護設計也只考慮測試樁位置。

管道沿線土壤電阻率測試采用溫納四極法，測量深度為2 m，具體方法參照GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》。

管道交流電流密度現場測量較難，因此，參照GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》，按公式(1)計算得到。

式中：JAC為評估的交流電流密度，A/m2；U為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率，Ω·m，取交流干擾電壓測試時，測試點與管道埋深相同的土壤電阻率實測值；d為破損點直徑，m，按發生交流腐蝕最嚴重考慮，取0.011 3。

2.2 判定指標

交流干擾判定參照GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》。當管道的交流干擾電壓不大于4 V時，交流干擾程度為弱，可不采取交流干擾防護措施。當交流干擾電壓大于4 V時，應采用交流電流密度指標判定：JAC<30 A/m2時，交流干擾程度為弱，可不采取交流干擾防護措施；30 A/m2100 A/m2時，交流干擾程度為強，干擾程度為中或強時，應排查干擾來源，采取措施或提出建議消除干擾。

2.3 測試結果

管道交流電位分布曲線見圖2，管道交流電流密度分布曲線見圖3，典型測試點管道交流電位-時間曲線見圖4。測試結果顯示：測試管段存在明顯的交流干擾，且總體干擾程度相對較強，交流干擾程度統計見表1，干擾程度為強的測試點數據見表2。通過現場監測發現，在列車通過時段，管道交流電壓明顯增大，而列車通過后，管道交流電壓又保持相對平穩，因此判斷干擾源為臨近的新石線交流電氣化鐵路。

圖2 管道交流電位分布Fig. 2 AC potential distribution of pipeline

3 排流設計

綜合考慮管道沿線的交流干擾程度、土壤電阻率、地形地貌及周邊環境等情況，本次排流工程以兼顧效率、經濟為原則，采用固態去耦合器接地排流方式[3]，主要由排流接地體、排流引線、排流器等組成，

圖3 管道交流電流密度分布Fig. 3 AC current density distribution of pipeline

見圖5。干擾管段共安裝11處防護設施，分為兩期進行安裝：第一期安裝10組，第二期根據第一期防護效果再安裝1組，具體位置及參數見表3。

4 效果評價

4.1 評價指標

排流效果評價參照GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》，在土壤電阻率不大于25 Ω·m的地方，管道交流干擾電壓低于4 V；在土壤電阻率大于25 Ω·m的地方，交流電流密度小于60 A/m2。

圖4 典型測試點(K200+494 m)管道交流電位-時刻曲線Fig. 4 AC potential of pipeline vs time curve of the typical test point (K200+494 m)

表1 交流干擾程度統計Tab. 1 Statistics of AC interference degree

表2 交流干擾程度為強的測試點數據
Tab. 2 Data of test points with strong AC interference degree

測試樁號測試點位置交流電位/V電流密度/(A·m-2)交流電流密度頻次比最大值平均值最大值平均值<3030～100>100261K186+491m88.438.591356.77131.805%43%52%262K187+530m79.118.931173.65132.486%42%52%275K196+510m81.0212.93600.9995.9110%52%38%277K198+464m99.7512.54832.85104.7014%46%40%278K199+485m82.3613.58717.70118.3411%44%45%280K200+494m86.3913.781062.19169.433%36%61%285K204+521m100.2411.43873.5199.6015%53%32%299K214+579m104.1414.491090.97150.354%45%51%303K217+552m100.6113.541121.78150.977%43%50%

圖5 固態去耦合器接地排流示意圖Fig. 5 Sketch map of electrical drainage by grounding using solid-state decoupler

4.2 評價結果

4.2.1 管道交流電位對比

第一期防護設施安裝前后管道交流電位分布曲線見圖6，典型測試點管道交流電位曲線見圖7。檢測結果顯示：第一期排流設施安裝后，各測試點管道交流電位最大值及平均值均明顯減小，排流效果顯著，防護設施有效抑制了管道的交流干擾；僅在K189～K195管段交流電位平均值大于4 V，需在K194+396 m處安裝第二期的1組排流設施。

表3 干擾管段防護工程設計
Tab. 3 Protection engineering design of AC interference section

工期序號排流點位置(測試樁)固態去耦合器閥值范圍/V排流接地體材料數量鋪設方式周圍環境1K187+530m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地2K193+442m?50mm×5mm×2500mm無縫鋼管36立式農田3K196+510m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地4K200+494m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地第一期5K204+521m-2～2?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地6K208+486m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地7K213+530m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式林地8K217+552m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地9K224+589m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地10K234+616m?50mm×5mm×7500mm無縫鋼管11臥式農田+山地第二期11K194+396m?50mm×5mm×2500mm無縫鋼管36立式農田

(a) 交流電位最大值

(b) 交流電位平均值圖6 第一期防護設施安裝前后管道交流電位分布對比Fig. 6 Comparison of maximum (a) and average (b) AC potential distributions of pipeline before and after installing safeguard of the first stage

4.2.2 防護效果評價

在兩期防護設施安裝后典型測試點處管道交流電位、電流密度數據統計結果見4。由表4可見，測試管段沿線土壤電阻率小于25 Ω·m的測試點區域，典型測試點管道交流電位平均值都小于4 V；而土壤電阻率小于25 Ω·m的測試點區域，典型測試點管道交流電流密度平均值均小于60 A/m2。所有測試點均滿足管道交流干擾防護效果評價指標的要求。

(a) 安裝前

(b) 安裝后圖7 第一期防護設施安裝前后典型測試點(K215+549 m)管道交流電位-時刻曲線Fig. 7 AC potential vs time curves of typical test point (K215+549 m) before (a) and after (b) installing safeguard of the first stage

5 結論與建議

(1) 當長輸管道與交流電氣化鐵路近距離并行或交越時，臨近埋地段管道會受到交流干擾影響，干擾程度與鐵路牽引電流大小、兩者位置關系等因素有關；受電氣化鐵路干擾的管道交流電位產生間隔性波動，具有明顯的時間特征，與鐵路機車運行時間相對應。

表4 兩期防護設施安裝后典型測試點處管道交流電位、電流密度數據統計
Tab. 4 Data statistics of pipeline AC potential and current density after 2 phase protection engineering(typical test points)

序號測試點位置土壤電阻率/(Ω·m)管道交流電位/V交流電流密度/(A·m-2)最大值最小值平均值最大值最小值平均值1K185+471m102.26.770.080.8314.930.181.832K187+534m15.28.040.030.72---3K194+396m58.311.930.021.8146.150.087.004K196+510m30.418.330.162.86135.971.1921.215K198+464m27.032.760.103.79273.530.8331.646K200+494m18.332.870.082.24---7K204+521m25.99.670.041.4684.270.3512.728K210+492m134.616.860.052.5428.230.084.259K213+530m47.617.150.032.3581.230.1411.1310K217+552m20.222.5102.35---11K229+598m25.89.680.090.8184.760.797.0912K235+616m24.26.320.351.49---

(2) 日東線排流工程結果表明，固態去耦合器接地排流是成熟的長輸管道交流干擾防護方式，采用適當規格的固態去耦合器,以及合理的接地材料和施工方式，排流效果顯著，可以有效抑制管道的交流干擾，能夠滿足相關標準要求。

(3) 日東線排流工程實踐過程中，總結出“邊施工邊測試邊調整”的工程經驗；可以采取分期施工方式，每期施工結束后開展防護效果測試，并根據測試結果及時調整設計方案再進行施工。

(4) 固態去耦合器接地排流設施在長期運行過程中有可能會發生排流器斷路、接地極接地電阻過高、連接電纜斷線等故障，導致排流設施功能失效或性能降低，因此，應定期對防護設施進行維護管理[4]。

[1] 沈光霽,姜有文,王猛善,等. 閥室管道雜散電流干擾分析研究[J]. 腐蝕科學與防護技術,2014,26(1):92-94.

[2] NACE SP0177-2007 Standard practice mitigation of alternating current and lighting effects on metallic structures and corrosion control systems[S].

[3] 茅斌輝,王勝炎,胡士信,等. 強電線路下的陰極保護管道交流干擾防護措施[J]. 腐蝕與防護,2015,36(3):281-285.

[4] NACE SP0169-2013 Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems[S].

AC Interference of Electric Railway with Long Transmission Pipeline and Protection

SHEN Guang-ji1, ZHAO Jian-tao2, LIU Zhen-bin2, WANG Jian-xin2, WANG Hong-lin2

(1. Shenyang Longchang Pipeline Inspection Center, Shenyang 110034, China;2. PetroChina Shandong Oil Transportation Co., Ltd., Rizhao 276800, China)

The traction power supply system of the electrified railway is based on 25 kV AC-mode of single phase operating frequency (50 Hz) in China. When long distance pipelines and electrified railways are parallel or cross closely, electric railways produce AC interference in different degrees with adjacent buried pipelines by resistive coupling, which increases the risk of pipeline corrosion. The electrical drainage by grounding using solid-state de-couplers is a domestic popular protection method for AC interference in recent years. The electrical drainage engineering practice of Rizhao-Dongming oil pipeline shows that a proper solid-state de-coupler, correct ground material and reasonable construction could inhibit AC interference with pipeline effectively, which fully meets the requirements of relevant standards.

pipeline; electric railway; AC interference; solid-state de-coupler; electrical drainage

2015-08-21

沈光霽(1984-)，工程師，碩士，主要從事管道腐蝕檢測與防護技術工作，18602484842，1150984611@qq.com

10.11973/fsyfh-201612013

TG174.41

A

1005-748X(2016)12-1010-05