沿海城市埋地管道雜散電流分析與防護研究

湯彬坤，馮 陽，黃浩平，包黃莉，吳 濤，曾小康，鐘劍鋒，伏喜斌，黃學斌，鐘舜聰

（1.廈門華潤燃氣有限公司，福建廈門 361000；2.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108；3.廈門市特種設備檢驗檢測院，福建廈門 361000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多城市都鋪設完整的埋地管道系統(tǒng)并建立軌道交通設施。城市燃氣管網(wǎng)是保障人們生活的基礎設施[1]，而地鐵具有綠色、安全、載客量大、速度快等優(yōu)點，大力發(fā)展地鐵交通能夠滿足國家重大戰(zhàn)略需求，是城市人民出行的首選交通工具[2]。

目前我國大部分沿海城市地鐵線路已建設成熟，廈門市作為最早的經(jīng)濟特區(qū)之一，地鐵規(guī)劃也在逐步完善，其第一條地鐵于2018 年正式開始運營。地鐵開始運營的同時相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)靠近地鐵的埋地管道出現(xiàn)大范圍腐蝕。起初工作人員認為腐蝕原因是該區(qū)域土壤混合物較多，然而經(jīng)過調(diào)查，最主要的腐蝕原因來自于地鐵牽引電流泄漏產(chǎn)生的雜散電流對管道金屬表面造成的電化學腐蝕[3-6]。地鐵雜散電流對埋地管道危害極大。據(jù)報道，北京、上海等城市和美國、英國等國家的埋地管道都飽受雜散電流干擾，且雜散電流的主要干擾源為地鐵[7-14]。

國內(nèi)外不同學者為了解決雜散電流帶來的干擾問題，進行了大量研究工作。趙書華等全面研究了現(xiàn)有直流雜散電流干擾防護方法，對不同形式雜散電流對管道的干擾情況進行評價[15]。封瓊等對直流雜散電流產(chǎn)生的干擾影響進行了實驗研究，并通過綜合防腐層防護、雜散電流排流網(wǎng)、犧牲陽極保護等措施來探究管道雜散電流防護方案[16]。李亞寧等對蘭州市地鐵一號線附近的土壤等環(huán)境進行研究，通過改變土壤、鋪設排流網(wǎng)等因素，研究不同條件下雜散電流在土壤的分布情況[17]。C.Charalambous等建立電阻率模型，探究了土壤電阻率與雜散電流泄漏嚴重程度的關(guān)系[18]。K.Darowicki 等提出了一種基于短時傅里葉變換的檢測地下金屬結(jié)構(gòu)雜散電流場干擾的方法。結(jié)果表明，該方法可以準確地識別雜散電流源，并確定它是否與地下金屬結(jié)構(gòu)相互作用[19]。

廈門市土壤潮濕肥沃，腐蝕性強，且雜散電流的影響程度、管道的材質(zhì)規(guī)格、外防腐層、陰極保護措施、施工質(zhì)量等均有別于其他城市，因此應針對沿海城市制定特定的雜散電流保護措施。對廈門市的管地電位和土壤電阻率進行檢測，結(jié)合廈門市管道和地鐵的實際工況，對廈門市存在雜散電流對管道的干擾問題提出對應的解決方案。該方案能夠有效保護管道免受雜散電流的干擾，并為其他城市管道雜散電流的解決提供思路，具有很強的實用性。

1 廈門市雜散電流防護現(xiàn)狀

廈門市地鐵1 號線共有12 個牽引變電所和24 個車站，牽引電流最高可達3000 A，因此可以看作有12 個直流電干擾源。地鐵變電所之間距離較長，平均距離為2.71 km。廈門鋼制燃氣管道約860 km，在地下形成一個巨大的燃氣管網(wǎng)。廈門市地域狹小，因此難免會存在管道與地鐵并行交叉的情況。走行軌與道床之間絕緣措施的絕緣效果會隨著使用年限的增加而下降，使得牽引電流無法完全從走行軌回流，導致部分雜散電流泄漏至土壤，從而進入城市燃氣管網(wǎng)中，在電流的流出點將發(fā)生劇烈的電化學腐蝕，短時間內(nèi)管道會腐蝕穿孔。圖1 為廈門市某段管道防腐層破損點實拍圖，圖2 為廈門市某段鋼質(zhì)管道點蝕情況。

圖1 埋地管道防腐層破損點

圖2 鋼質(zhì)管道點蝕

在廈門市地鐵運行前，大多數(shù)埋地管道已經(jīng)服役超過10年。大部分管道在設計初期并未考慮雜散電流的干擾，因此防護措施還不完善。廈門市在地鐵1 號線運行初期，管道部門針對地鐵1 號線沿線的管道安裝了一批排流保護系統(tǒng)。但是隨著地鐵線路的增加，排流效果不明顯。

2 檢測結(jié)果分析及解決方案研究

2.1 管地電位檢測

目前廈門地鐵1 號線已經(jīng)開通3 年并將陸續(xù)開通更多線路，因此為了準確判斷地鐵雜散電流對廈門市各區(qū)域燃氣管網(wǎng)的影響程度，與廈門市特種設備檢驗檢測院合作，對廈門市地鐵沿線及周邊地段的管地電位進行24 h 連續(xù)檢測，檢測點的信號采集頻率為1 s。因篇幅受限，僅展示集美區(qū)檢測結(jié)果，廈門市集美區(qū)測試點分布如圖3 所示。其中五角星為測試點位置，數(shù)字為測試點編號，使用的檢測儀器為MDL 多功能數(shù)據(jù)記錄儀，廈門市地鐵沿線管地電位檢測現(xiàn)場如圖4 所示。

圖3 廈門市集美區(qū)測試點分布

圖4 廈門市地鐵沿線管地電位檢測現(xiàn)場

通過對地鐵沿線測試點24 h 連續(xù)監(jiān)測，得到測試點管地電位24 h 連續(xù)波動圖，其中第30 和31 測試點最靠近地鐵，且管地電位波動最為嚴重。第30 和第31 測試點管地電位24 h 波動圖如圖5 所示。

國家標準規(guī)定，可通過測試管地電位的波動來判斷管道受雜散電流的干擾嚴重程度。如果管段表面任意一點的管地電位正向偏離平衡電位超過100 mV，則認為該管段遭受嚴重的雜散電流干擾，應采取合適的排流保護措施[20]。從圖5 中可以看出，大部分的時間段波動遠遠超過國家標準規(guī)定的100 mV，因此該地段的埋地管道受到嚴重的雜散電流干擾。在地鐵停運的時間段，管地電位幾乎沒有波動，雜散電流對管道的干擾基本為零。通過管地電位測量可以判定，該地段管道受到雜散電流的主要干擾源為地鐵。

圖5 測試點24 h 管地電位波動圖

2.2 土壤電阻率的測定

除了檢測地鐵沿線管地電位波動外，還對廈門市土壤電阻率進行測定。與廈門市特種設備檢驗檢測院合作，對廈門市土壤電阻率進行檢測。因為廈門市各區(qū)土壤電阻率總體檢測結(jié)果相近，所以僅展示集美區(qū)檢測結(jié)果，其中集美區(qū)第31 測點土壤電阻率檢測現(xiàn)場如圖6 所示。通過對集美區(qū)44 個測試點的檢測，得到集美區(qū)土壤電阻率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計餅狀圖如圖7 所示。

圖6 第31 測點土壤電阻率檢測現(xiàn)場

圖7 集美區(qū)土壤電阻率統(tǒng)計餅狀圖

從土壤電阻率統(tǒng)計餅狀圖可以看出，集美區(qū)大多數(shù)區(qū)域土壤電阻率較低，這使得雜散電流在土壤內(nèi)流動阻礙較小，因此集美區(qū)大部分地段都屬于雜散電流高風險區(qū)域。

2.3 雜散電流解決方案研究

從以上檢測結(jié)果可以看出，廈門市大部分地段屬于雜散電流高危區(qū)域，并且靠近地鐵的區(qū)域管道雜散電流干擾嚴重。廈門市大部分管道安裝較早，設計時對雜散電流的防護措施考慮并不周全，因此埋地管道受電化學腐蝕影響較為嚴重。為了解決廈門市地鐵雜散電流對城市燃氣管網(wǎng)干擾嚴重的問題，結(jié)合廈門市特有的沿海環(huán)境和廈門市管道及地鐵工況，針對性地給出雜散電流解決方案。

2.3.1 地鐵雜散電流防護方案

想要減少雜散電流對管道的干擾，首先要抑制雜散電流源頭的泄漏。根據(jù)管地電位的檢測，廈門市的雜散電流主要來自地鐵，因此應做好地鐵方面的雜散電流泄漏防護。地鐵雜散電流防護方案如下：

（1）管道部門應建立與地鐵方有效的溝通機制，成立聯(lián)合檢測機制，定期對干擾嚴重管道進行聯(lián)合檢測，共同采取有效的應對措施。

（2）不同的變電所間距會影響地鐵雜散電流的泄漏量。在新的地鐵路線施工前，地鐵部門應在滿足運行要求的情況下減小變電所間距，從而減小牽引電流的回流路徑，以達到減小雜散電流泄漏的目的。

（3）現(xiàn)階段我國地鐵的供應電壓以750 V 和1500 V 為主。在地鐵額定功率不變的情況下，增大地鐵供應電壓，可以有效減小地鐵牽引電流。因此地鐵部門應盡量選擇1500 V 的供應電壓，從而降低雜散電流的泄漏量。

（4）軌地過渡電阻是影響地鐵雜散電流泄漏量的一個重要因素。想要提高軌地過渡電阻，應采用質(zhì)量較好的雙重絕緣緊固件及使用電阻率較高的絕緣材料。當絕緣材料電阻率達到2.5×107Ω·m2時能夠?qū)崿F(xiàn)軌地完全絕緣，同時應做好軌道處的維護和監(jiān)測，定期檢查軌道處絕緣措施的完好程度，當絕緣層受到水、風沙等影響出現(xiàn)老化時，應及時進行補救。

（5）走行軌縱向電阻的大小會影響地鐵牽引電流回流路徑的選擇。若走行軌縱向電阻較小，走行軌回流電流則會選擇電阻較小的路徑流動，而不會往電阻較大的土壤流動，這就能達到減小雜散電流泄漏量的目的。新建地鐵工程應選擇電阻較小的材料作為走行軌，且走行軌斷面面積應盡量增大。

（6）在走行軌下方增設排流網(wǎng)。排流網(wǎng)指的是用電阻率較小的結(jié)構(gòu)鋼筋縱橫交錯排布連接成收集網(wǎng)，放置于走行軌和埋地管道中間，使得走行軌雜散電流泄漏至土壤時能夠第一個接觸到排流網(wǎng)，在雜散電流到達埋地管道前將雜散電流通過鋼筋引流至變電所處，以達到減小雜散電流干擾的目的。影響排流網(wǎng)的排流效果有很多因素，如鋼筋電阻率、鋼筋的排布方式、鋼筋之間的間距、鋼筋的直徑及數(shù)量等。工程人員應根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境以及國家標準嚴格制定排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)排流網(wǎng)排流效果最大化。

（7）對于已經(jīng)建成的地鐵線路，應定期檢測走行軌絕緣層是否因老化而失效，并及時對絕緣層老化區(qū)域進行補救。

2.3.2 管道雜散電流防護方案

除了做好地鐵方面的防護外，還要做好管道方面的防護和排流。根據(jù)廈門市管道所處環(huán)境及地鐵和管網(wǎng)分布規(guī)律，結(jié)合地鐵雜散電流泄漏規(guī)律和管道雜散電流干擾規(guī)律，制定廈門市特定的管道雜散電流解決方案（圖8）。

圖8 廈門市管道雜散電流解決方案

（1）加入強制排流裝置。在地鐵沿線的所有變電所，均安裝外加電源強制排流器，使管道與牽引變電所之間有一個電位差，從而將管道處的雜散電流強制排流回走行軌。該方法可以很大程度上降低雜散電流對管道的干擾，也可為管道提供一定的陰極保護電流，解決島內(nèi)大多數(shù)管道陰極保護效果不佳的問題。由于直接連接地鐵的牽引變電所，因此只需較小的強制電流。需要注意的是，當管道較長時往往需要更大的強制電流，電流為幾十安甚至更大，這將會增加地下雜散電流的泄漏，導致?lián)p壞其他管道或者增加其他設備的安全運行風險。廈門市大部分管道并非長輸管道，因此大部分地段的管道可以使用強制排流裝置，但對于少部分長輸管道區(qū)域，應該酌情考慮是否加入裝置。

（2）連接極性排流裝置。根據(jù)廈門市管地電位測試結(jié)果可以得知每段管道受雜散電流干擾的程度。因此根據(jù)測試結(jié)果選擇管道受雜散電流干擾嚴重且管道流出點距離走行軌較遠，無法回流至變電所的管段，可以通過導線將管道與走行軌相連，導線加入二極管，使之單向回流到鐵軌中去，可從根本上解決該環(huán)境下管道雜散電流干擾問題。

（3）使用接地排流裝置。廈門為沿海城市，因此可以充分利用海邊及湖邊這種天然導體作為接地床，在靠近海邊等土壤電阻率較低的地段，并在管道不適合采用強制排流與極性排流的情況下，采用接地排流。該方法能夠在充分利用廈門市的地理優(yōu)勢且降低成本的基礎上，有效減少雜散電流對管道的干擾。

（4）增設絕緣法蘭。由于城市天然氣管道組成了一個巨大的燃氣管網(wǎng)，而鋼管的電阻率非常低，容易造成雜散電流亂串，不利于雜散電流的排流。因此應根據(jù)管網(wǎng)實際運行的需要，將龐大的燃氣管網(wǎng)，通過絕緣法蘭分成獨立的若干段，增大管道的內(nèi)電阻，方便排流與監(jiān)控。

（5）添加犧牲陽極。因為強制排流能夠?qū)艿朗┘宇~外的外加電流陰極保護，且廈門城市內(nèi)長輸管道較少，所以不需要在已添加強制排流的管段添加外加電流陰極保護系統(tǒng)。管段添加排流器后，只需加入犧牲陽極，即可達到良好的陰極保護效果。犧牲陽極應選擇鎂、鋅等還原性較強的金屬。根據(jù)廈門市土壤電阻率統(tǒng)計，小于50 Ω·m 的測試點占60%，按照國家標準[20]，應采取鋅合金陽極包更為有效。對于土壤電阻率分布較為均衡且大于50 Ω·m 的區(qū)域，可采用鎂合金陽極，這樣既能夠降低成本又能夠保證保護效果。廈門市增設犧牲陽極現(xiàn)場如圖9 所示。

圖9 廈門市增設犧牲陽極現(xiàn)場

（6）完善監(jiān)控設施。再好的排流措施都離不開完善的監(jiān)控，而廈門市缺少監(jiān)控裝置，無法有效的監(jiān)測雜散電流對管道的影響。因此廈門每條鋼質(zhì)管線都需要建立一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測參數(shù)包括直流電位、交流電位、電位梯度、自然腐蝕電位等參數(shù)，該系統(tǒng)可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控室，工作人員能通過監(jiān)控來合理調(diào)整排流參數(shù)。

（7）管道防腐層應達標。管道防腐層是管道防護雜散電流干擾的最后一道防線，也是最重要的一道防線。廈門市管道防腐層經(jīng)檢驗大部分老舊燃氣管道采用落后的膠帶防腐層，膠帶防腐層使用久容易鼓包脫落，造成防腐層破損。現(xiàn)標準主要采用3PE加強型防腐層，因此對于已鋪設管道的防腐層應進行全面檢查，對出現(xiàn)破損點的防腐層及時進行維護，并在條件允許的情況下將老舊管道的膠帶防腐層更替為3PE 防腐層。對于廈門新鋪設的管道，應嚴格按照標準實施，并在施工時盡量避免碰撞，減小施工帶來的防腐層破裂。

（8）強化施工質(zhì)量保證，特別是犧牲陽極施工、管道三通及對接焊縫等薄弱環(huán)節(jié)，應按照標準規(guī)范施工。

（9）完備雜散電流人才培養(yǎng)隊伍。鑒于地鐵將來還會建立更多路線，雜散電流對管道的影響會更大更復雜。因此管道部門應防患于未然，培養(yǎng)自己的雜散電流防范隊伍。

3 結(jié)束語

由于管道運行在前，地鐵開通運行在后，地鐵的運行將對鋼制埋地管道的安全運行造成巨大的影響。為了解決廈門市雜散電流對管道的干擾問題，對廈門市管地電位進行24 h 數(shù)據(jù)采集，通過管地電位波動能夠判斷管道雜散電流干擾是否嚴重，同時能為今后數(shù)據(jù)分析進行對比。對廈門市土壤電阻率進行檢測，結(jié)果顯示廈門市大部分地區(qū)土壤電阻率較小，因此大多數(shù)地段屬于雜散電流高風險區(qū)域。通過以上檢測，結(jié)合廈門市特有的沿海環(huán)境，提出具體的廈門市埋地管道雜散電流解決方案。該方案能夠有效減小廈門市地鐵雜散電流對燃氣管網(wǎng)帶來的干擾，并且可以預防管道發(fā)生因地鐵雜散電流造成的腐蝕而出現(xiàn)的安全問題，具有重要的工程意義。