PCCP供水管道高壓線交流干擾及排流措施研究

胡元澤 白文軒 何惠磊 史 睿 田曉姣 鄭少飛 李 銳 姜 慶

（寧夏長(zhǎng)城水務(wù)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱PCCP）是一種復(fù)合材料管道，主要由薄鋼板、承插口鋼環(huán)、高強(qiáng)鋼絲和混凝土構(gòu)成。在制造過程中，將預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞在混凝土管芯上，再在其上噴射一層致密的水泥砂漿保護(hù)層。這種管道具有高密封性、高強(qiáng)度和高抗?jié)B的特性，廣泛用于跨國家區(qū)域大型引調(diào)水工程以及工業(yè)、市政、和農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的供配水管網(wǎng)等，如果引漢濟(jì)渭、引江濟(jì)淮、引綽濟(jì)遼等國家項(xiàng)目。

陰極保護(hù)[1]是一種電化學(xué)技術(shù)，多年來一直與防腐涂層共同作用保護(hù)PCCP管道。陰極保護(hù)有犧牲陽極和外加電流兩種形式，目前國內(nèi)PCCP管道普遍采用犧牲陽極保護(hù)方式。但隨著PCCP管道服役時(shí)間的增長(zhǎng)及國家區(qū)域供電不平衡問題日益突出，越來越多的高壓輸電線路及變電站、供電鐵塔與PCCP管道交叉或平行，有的甚至與管道平行可達(dá)幾十公里，最近處離管道僅幾米距離。研究表明，當(dāng)管道與高壓輸電線路過于接近時(shí)，高壓輸電線會(huì)對(duì)周圍埋地PCCP管道內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生電磁干擾，使得預(yù)應(yīng)力鋼絲出現(xiàn)過電壓情況，就會(huì)導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象。如果原有埋地PCCP管道加裝有陰極保護(hù)，高壓輸電線路還會(huì)加大陰極保護(hù)“負(fù)荷”，加速犧牲陽極的消耗，從而影響管道的安全運(yùn)行。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PCCP高壓線雜散電流交流干擾問題開展了大量研究[2,3]。研究主要集中在雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理、傳播途徑、影響因素以及防控措施等方面。研究表明，雜散電流的產(chǎn)生與交流輸電線路的電磁場(chǎng)、電位差等因素有關(guān)；傳播途徑主要包括PCCP管道、土壤和地下水；影響因素包括輸電線路距離、土壤電阻率、地下水位等。在防控措施方面，研究者提出了多種方案，如增加管道與輸電線路距離、設(shè)置屏蔽電纜、安裝濾波器等。然而，這些措施在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性，如增加距離可能導(dǎo)致土地利用率下降，屏蔽電纜的長(zhǎng)期效果尚待驗(yàn)證等。因此，進(jìn)一步開展PCCP高壓線雜散電流交流干擾的檢測(cè)與排流研究具有重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

國內(nèi)某供水管道采用埋地式DN1000PCCP管道，單管輸水。輸水管道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約18.26km。項(xiàng)目共分為A、B、C和D四段設(shè)計(jì)，其中C段樁號(hào)C4+650到樁號(hào)C6+180長(zhǎng)度為1.5km；D段長(zhǎng)度為5.22km，均設(shè)計(jì)有陰極保護(hù)。近年來隨著高壓電力設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，西電東送、寧電入湘等國家大型輸電項(xiàng)目的實(shí)施，越來越多的高壓、超高壓輸電線路及鐵塔架設(shè)起來。國內(nèi)某管道亦是如此，輸水管道周邊存在多條高壓輸電線路和鐵塔，國內(nèi)某管道30#閥井處高壓輸電線路從管道上方交叉經(jīng)過、高壓鐵塔離管道只有8米距離、管道周圍還有一座110KV變電站。管道附近存在不同種類高壓輸電線路和變電站，錯(cuò)綜復(fù)雜，管道產(chǎn)生雜散電流，會(huì)加速埋地PCCP管道預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒的腐蝕，使管道存在泄露的潛在風(fēng)險(xiǎn)，最終引發(fā)管道“爆管”。

在統(tǒng)計(jì)近五年管網(wǎng)公司在日常檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，管道保護(hù)電位呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì)（如表1），30#閥井和37#閥井附近管道陰極保護(hù)電位雖處于合格范圍內(nèi)，但明顯低于其它區(qū)域正常值，存在陰極保護(hù)失效風(fēng)險(xiǎn)。

表1 近幾年管道保護(hù)電位統(tǒng)計(jì)表

進(jìn)一步分析可知30#閥井附近多條高壓輸電線路從管道上方交叉經(jīng)過、高壓鐵塔離管道只有8m距離、管道附近還有一座110KV變電站、最近變壓器離管道只有5m距離（如圖1）；37#閥井附近存在多處信號(hào)光纜、埋地輸電線路和電氣柜等強(qiáng)電流干擾源。

圖1 30#閥井附近干擾源

埋地管道在過高的高壓線、變電站及電氣柜附近會(huì)產(chǎn)生較大的交流干擾電壓，且在長(zhǎng)期作用下，交流感應(yīng)電壓會(huì)加速管道附近土壤中氯離子、硫酸根等腐蝕性離子的流動(dòng)，造成管道表面防腐層老化、脫落，同時(shí)加速PCCP管道預(yù)應(yīng)力鋼絲的腐蝕，極易引起“斷絲”風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于使用犧牲陽極保護(hù)的管道，更會(huì)導(dǎo)致陽極性能下降，縮短犧牲陽極壽命壽命，甚至出現(xiàn)“陽極逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象（使管道成為陽極），從而加速管道腐蝕[4]。而管網(wǎng)公司埋地PCCP管道采用單管鋪設(shè)方式，一旦任意管道出現(xiàn)“斷絲”引起停水，將造成不可挽回的損失和事故。

以下通過對(duì)埋地PCCP管道交流雜散電流干擾機(jī)理分析，找到一種干擾檢測(cè)檢測(cè)和排流措施，保障埋地PCCP管道運(yùn)行安全。

2 雜散電流干擾機(jī)理

雜散電流干擾是由高壓輸電線路、變電站、高壓鐵塔及配電柜等所產(chǎn)生的電流干擾。其主要有直流雜散電流干擾和交流雜散電流干擾。

2.1 直流雜散電流干擾

直流雜散電流干擾主要是直流電氣化鐵路、直流高壓線和地鐵線路等。電流流入管道破損點(diǎn)為陰極，管道受到保護(hù)，電流流出端為陽極，管道失去電子成為陽極，發(fā)生腐蝕。直流雜散電流干擾造成的管道腐蝕的速度是非常迅速的，會(huì)造成很嚴(yán)重的腐蝕穿孔。

2.2 交流雜散電流干擾

交流雜散電流干擾主要是由管道附近的交流高壓線、電氣化鐵路和交流配電柜等干擾源。干擾源通過電阻耦合、電容耦合或電磁感應(yīng)耦合等方式對(duì)附近埋地管道產(chǎn)生交流雜散電流干擾和腐蝕，交流雜散電流干擾機(jī)理較為復(fù)雜，出現(xiàn)不同種類的模型研究，其中最著名的是堿化機(jī)理，認(rèn)為交流雜散電流由于其交變電壓引起管道電位波動(dòng)，結(jié)合管道防腐涂層破損共同作用下導(dǎo)致管道腐蝕。

3 干擾檢測(cè)評(píng)估

根據(jù)GB/T50689-2011標(biāo)準(zhǔn)[5]，當(dāng)管道上的交流干擾的檢測(cè)電位小于等于4V時(shí)，不用采取交流干擾防護(hù)措施；當(dāng)大于4V時(shí)，必須進(jìn)行交流電流的密度評(píng)估，交流電流的密度可按下式計(jì)算：

式中： JAC為評(píng)估的交流電流密度（A/m2）；

V為交流干擾檢測(cè)電位的平均數(shù)（V）；

ρ為地下土壤的電阻率（Ω.m）；

d為破損處直徑值（m）；d值按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0.0113。

管道受交流干擾的程度可按下表交流干擾程度進(jìn)行判定（如表2）。

干擾檢測(cè)過程如圖2所示。

圖2 交流干擾檢測(cè)過程

3.1 主要檢查項(xiàng)目

埋地PCCP管道高壓線交流干擾主要檢測(cè)以下項(xiàng)目：

（1）管道交流干擾電壓及其分布；

（2）交流干擾電流密度；

（3）管道沿線土壤電阻率；

（4）管道已有陰極保護(hù)運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行情況。

3.2 技術(shù)要求

（1）連接銅導(dǎo)線打磨除銹應(yīng)直至露出銅線基體，并具有金屬光澤；

（2）電纜間連接電阻應(yīng)確保小于0.01Ω；

（3）檢測(cè)管道交流干擾電壓是否大于4V，大于4V需進(jìn)一步檢測(cè)交流電流密度；

（4）對(duì)與高壓線路接近的管段，各點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間不得短于5min；

（5）測(cè)試時(shí)間段應(yīng)分別選擇在高峰、低峰和一般情況三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間段一般為60min；

（6）對(duì)交流干擾嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)進(jìn)行24h連續(xù)測(cè)量。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

表4 運(yùn)行檢測(cè)內(nèi)容及周期

4 排流措施

4.1 實(shí)施工藝圖

排流施工過程實(shí)施工藝流程圖如圖3所示。

圖3 排流實(shí)施工藝圖

4.2 溝槽開挖

使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行溝槽，開挖尺寸長(zhǎng)40m、寬1m、深1～1.5m，距離管道至少5m。

4.3 地床安裝

按照設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果溝槽內(nèi)布置鋅合金接地極10套，每套尺寸接地極規(guī)格為40×40×1500mm，將每套接地極進(jìn)行串聯(lián)。也可采用35平裸銅線進(jìn)行埋設(shè)，埋設(shè)長(zhǎng)度40m。

4.4 固態(tài)去耦合器安裝

固態(tài)去耦合器安裝于測(cè)試樁箱體內(nèi)，保護(hù)箱的尺寸根據(jù)固態(tài)去耦合器的大小確定，保護(hù)箱采用鋼管支撐，保護(hù)箱設(shè)置有防盜鎖。鋼管底部采用水泥支墩固定。安裝時(shí)分別將排流地床和管道電纜接入保護(hù)箱內(nèi)，與固態(tài)去耦合器的正負(fù)極相連。

4.5 電纜敷設(shè)

電纜敷設(shè)規(guī)格采用YJV-0.6/1×25mm2，電纜的最小埋深不得小于1.5m，最好與管底埋設(shè)深度相同。埋設(shè)時(shí)，應(yīng)先在管溝內(nèi)鋪設(shè)一層100mm厚的細(xì)砂或降阻劑，再進(jìn)行電纜埋設(shè)，電纜埋設(shè)并串聯(lián)完成后，再在電纜上面均勻鋪設(shè)100mm厚的細(xì)砂層或降阻劑，確保電纜與各接地極串聯(lián)互通。電纜在溝槽內(nèi)應(yīng)作波狀敷設(shè)并預(yù)留1.5%的長(zhǎng)度，以免電纜在埋設(shè)后因外力拉拽或冷卻收縮而斷開。

4.6 溝槽回填

待電纜將固態(tài)去耦合器、管道、接地極連通以后，對(duì)溝槽進(jìn)行澆水，保持溝槽內(nèi)一定潤(rùn)濕，同時(shí)檢測(cè)地下土壤的電阻率、交流電流密度、管地的交流干擾電位，是否處于處于合格范圍內(nèi)，之后進(jìn)行管溝回填并壓實(shí)表面。

5 檢驗(yàn)評(píng)價(jià)

交流排流防護(hù)項(xiàng)目實(shí)施完畢后，應(yīng)立即投入試運(yùn)行，并進(jìn)行全面綜合調(diào)試，測(cè)試采用高精度數(shù)字萬用表，對(duì)測(cè)試樁的交流干擾電壓的最大值、最小值和平均值進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)試樁的測(cè)試時(shí)間為24H。根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)管道的交流干擾防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，完成后應(yīng)對(duì)交流排流效果進(jìn)行評(píng)估，每處排流點(diǎn)排流效果應(yīng)滿足國家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及下列規(guī)定：

（1）管道交流干擾電壓峰值小于15V；管底的交流干擾電壓處于：±-2.0V范圍內(nèi)（管道與接地體之間）；

（2）在土壤電阻率不大于 25Ω?m地方，管道的交流感應(yīng)干擾電位應(yīng)低于4V；土壤電阻率大于25Ω?m地方，管道交流電流密度須小于60A/m2；

（3）管道雜散電流干擾排流率＞98% ，能有效地解決外界雜散電流對(duì)埋地管道的干擾及破壞。

6 運(yùn)行維護(hù)

管道排流之后應(yīng)按表3的規(guī)定進(jìn)行定期檢測(cè)，以確認(rèn)干擾排流系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，管道預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼筒是否處于保護(hù)范圍之內(nèi)。

7 結(jié)語

本文通過對(duì)國內(nèi)某PCCP供水管道進(jìn)行高壓線干擾研究，建立了一種PCCP供水管道高壓線交流干擾雜散電流檢測(cè)和排流措施。在保障現(xiàn)有PCCP管道陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)，大大降低了PCCP管道預(yù)應(yīng)力鋼絲遭受雜散電流干擾引起的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，為具有相同腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的PCCP埋地供水管道干擾排流提供參考借鑒。