某輸油管道雜散電流干擾檢測與整改評價

丁繼峰 劉曉龍 劉 凱 張福忠 王翔東

（1. 青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；2. 青島海業(yè)油碼頭有限公司，山東 青島 266599；3. 中國航空油料有限責(zé)任公司大連分公司，遼寧 大連 116033）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，地鐵、輕軌等現(xiàn)代化城市軌道交通因節(jié)約土地空間、高效及大運量等優(yōu)點，逐漸成為城市公共交通的支柱，也是一個城市城鎮(zhèn)化水平高低的 “名片”。地鐵、輕軌正常運行情況下，在車輛直流供電牽引系統(tǒng)中，運輸列車所需要的電流由牽引變電所提供，通過架空電纜線向列車供電，然后經(jīng)行走軌回流至牽引變電所電流經(jīng)架空線驅(qū)動機車，電流從行走軌返回牽引變電所，電流是按照人們的設(shè)計路線所需，在指定的通路中流動。理想情況下行走軌電阻非常低，行走軌對大地的泄漏電阻為無窮大，此時經(jīng)行走軌回流的電流等于牽引電流，即所有的電流都經(jīng)行走軌回流至牽引變電所。但實際上行走軌有一定的電阻值，當(dāng)有電流通過時就形成了電位差，并且行走軌對大地的泄漏電阻也不會為無窮大，就不可避免的造成了部分電流不經(jīng)行走軌回流至牽引變電所，而是流入大地，然后通過大地回流至牽引變電所。泄露的電流會對線路周圍的埋地金屬管線產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕影響，若金屬管線的表面有漏鐵點，則部分電流就會選擇電阻率較低的埋地金屬管線作為電流回流路徑，從牽引變電所附近的管線中流出流回至牽引變電所，形成了雜散電流，電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統(tǒng)形成的雜散電流如圖1所示。

圖1 電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統(tǒng)

當(dāng)雜散電流在土壤中流動時，流入埋地金屬管線的地方電位負(fù)向偏移，成為陰極區(qū)，處于陰極區(qū)的管線一般會受到雜散電流的電化學(xué)保護，但是當(dāng)陰極區(qū)的電位值過負(fù)時，金屬管道表面會發(fā)生析氫現(xiàn)象，導(dǎo)致此區(qū)域防腐層剝落和清脆；雜散電流流出管道的部位電位正向偏移，成為陽極區(qū)，管道陽極區(qū)域發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致埋地金屬管線的電化學(xué)腐蝕侵害，造成埋地金屬管線的管壁減薄，嚴(yán)重時能夠?qū)е侣竦亟饘俟芫€的穿孔，導(dǎo)致泄漏、爆炸、火災(zāi)等安全事故[1-5]。

其腐蝕機理如下：在中性、堿性或弱酸性的介質(zhì)中，由于氧的存在，在陽極區(qū)一般發(fā)生吸氧腐蝕，即在腐蝕過程中氧氣得到電子被還原生成OH-的腐蝕，其電化學(xué)反應(yīng)式如下：

陽極：Fe-2e=Fe2+

陰極：O2+2H2O+4e-＝4OH-

總反應(yīng)：2Fe+O2+H2O=2Fe（OH）2

反應(yīng)產(chǎn)物2Fe（OH）2將進一步與氧氣和水進行反應(yīng)，2價鐵離子繼續(xù)被氧化成3價鐵離子，最終生成疏松的鐵銹（Fe3O4）。

而處于陰極區(qū)（即電流流入?yún)^(qū)）的管道一般不會被影響，但是如果持續(xù)大電流流入，造成高電位差，會使管道上產(chǎn)生氫氣，造成析氫腐蝕。

通過對地鐵雜散電流的研究可以設(shè)計以下雜散電流等效電路如圖2所示。

圖2 地鐵雜散電流等效電路圖

圖中，It為牽引電流，Rr為行走軌電阻，Rt和Rs為牽引變電所及行走軌的泄漏電阻，R為土壤橫向電阻。通過等效電路，可以求得雜散電流公式：

通過公式（1）可以看出，雜散電流的大小與牽引電流、行走軌電阻、泄露電阻及土壤橫向電阻有關(guān)，特別的土壤橫向電阻可以通過公式（2）計算得到。

其中ρ為土壤電阻率，l為行走軌段與變電所間的距離，A為土壤的橫向面積，當(dāng)A取無限大時，R近似為0Ω。

公式（1）可變?yōu)椋?/p>

當(dāng)牽引電流一致時，行走軌電阻越大，雜散電流越大，泄漏電阻越大，雜散電流越小。

因此，針對受雜散電流干擾的管道進行檢測與評價，不僅能夠提高地鐵系統(tǒng)的可靠性，而且能夠有效地降低城市埋地管線運輸系統(tǒng)的安全風(fēng)險。

1 雜散電流檢測概述

本次對輸油管道的通電電位、斷電電位、交流雜散電流干擾、直流雜散電流干擾以及土壤電阻率和地表電位梯度進行測量，從而全面評估雜散電流的干擾情況。

針對直流雜散電流，對于沒有實施陰極保護的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進行判斷。當(dāng)任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負(fù)向偏移超過20mV時，應(yīng)確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)任意點上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100mV時，應(yīng)及時采取干擾防護措施[6]。

對于已投運陰極保護的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護電位要求時，應(yīng)及時采取干擾防護措施。

對于交流雜散電流依據(jù)GB/T 50698-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流防護措施；高于4V時，應(yīng)采用交流電流密度法進行更進一步評估。需要提出的是，使用交流電流密度法進行評估時，需要在管道上連接腐蝕檢查片作為輔助評估措施。采用交流電流密度的計算公式[7]：

式中：Jac評估的交流電流密度（A/m2）；V交流干擾電壓的有效值的平均值（V）；ρ土壤電阻率（Ω﹒m）；d破損點直徑（m），d取0.0113。

當(dāng)交流干擾程度判定為強時，應(yīng)采取交流干擾防護措施；判定為中時，宜采取交流干擾防護措施；判定為弱時，可不采取交流干擾防護措施。

2 雜散電流評價

為了全面地反映目前某輸油管道受地鐵雜散電流干擾情況，我們選取了本次選取靠近地鐵的某輸油管道的3個測試樁作為檢測對象，選取1001#～1003#共計3處測試點，3處測試點均未設(shè)置排流設(shè)施。

本次評價對3個測試點的通電電位、斷電電位、交流電壓及土壤電阻率進行測量。測量方式選擇24h不間斷測量，通電電位、斷電電位的測量結(jié)果選擇最大值與最小值進行記錄；交流干擾電壓選擇最大值進行記錄；土壤電阻率采用文納四極法測量，測量5次取3次中間值再取平均的方法，以提高測量的準(zhǔn)確性，其結(jié)果如表2和圖3所示。

表1 交流干擾的程度判斷表

表2 某輸油管道雜散電流干擾情況統(tǒng)計表

通過表2和圖3可以看出，1001#～1003#測試樁處管道受交流雜散電流影響較小，但是通電電位波動大，斷電電位均大于-0.85V，未達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，管道受到直流雜散電流干擾，必須采取防護措施。

針對現(xiàn)狀，對1001#～1003#測試樁處進行直流排流防護，采用極性排流器+鎂合金犧牲陽極方式進行排流。

根據(jù)排流實施后24h的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1001#～1003#測試樁斷電電位在-0.85～-1.20Vcse之間，斷電電位正于-0.85Vcse準(zhǔn)則百分比均小于5%，達(dá)到陰極保護相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 某輸油管道雜散電流治理后檢測統(tǒng)計表

圖4 管道排流后24h不間斷測試結(jié)果

3 結(jié)語

通過對某輸油管道沿線管道進行實地考察，系統(tǒng)分析介紹了輸油管道現(xiàn)行和維護情況，針對復(fù)雜的管道情況制定了可行有效的雜散電流排流實施方案，通過對管線沿途測試樁的保護電位測量可以發(fā)現(xiàn)，在陰極保護運行保護期內(nèi)，管道保護電位符合-850 mV準(zhǔn)則，管道處于保護狀態(tài)。

展望：為了更加及時、精確掌握埋地輸油管道的雜散電流干擾情況，在后期運營維護過程中還可對現(xiàn)行管道進行數(shù)智化升級改造，積極采用智能采集儀，建立和健全管道雜散電流數(shù)據(jù)庫，為管道的安全穩(wěn)定運營提供有力的保障[8,9]。