轨交杂散电流对天然气主干网的腐蚀影响及防护探究

上海天然气管网有限公司　高玉珍

轨交杂散电流对天然气主干网的腐蚀影响及防护探究

上海天然气管网有限公司高玉珍

针对轨道交通杂散电流的动态性，采用杂散电流自动监测系统，对上海天然气主干网高压管道进行管地电位及土壤电位梯度等测试，分析轨道交通杂散电流对主干网产生腐蚀干扰的形态和传播机理，并尝试采用不同的排流方式开展试点，初步提出具有可操作性的防护措施，以消除或减少杂散电流对主干网的腐蚀干扰影响，从而提高天然气主干网运行的安全可靠。

天然气管网杂散电流防护措施

在我国城市化水平不断提高的过程中，大力发展公共交通，尤其是城市轨道交通(简称轨交)是解决城市交通问题的重要手段之一。轨交的发展在大幅提升城市运能和效率的同时，对沿线其他基础设施的运行环境、生产安全等产生了潜在的影响。

轨交系统一般采用直流牵引、走行轨回流的供电模式，考虑到轨交运行会产生杂散电流，轨交建设时采取了多种措施来预防或消除杂散电流，常见方法有增设排流网、减小钢轨电阻和增强轨道绝缘性能等措施，但由于随着轨交运行时间的延长，轨道设施老化和盾构内部积水等原因，导致轨地过渡电阻减小，所产生的杂散电流对周边的埋地金属管道(如埋地燃气钢管等)造成腐蚀隐患。

本文针对轨交杂散电流的动态性，采用杂散电流自动监测系统，通过对上海天然气主干网(以下简称主干网)高压管道进行管地电位及土壤电位梯度等测试，分析上海轨交杂散电流对主干网产生腐蚀干扰的形态和传播机理，并尝试采用不同的排流方式开展试点，初步提出具有可操作性的防护措施，以消除或减少杂散电流对主干网的腐蚀干扰影响，从而提高天然气主干网运行的安全性，确保能源供应的安全可靠。

1　上海轨交与天然气主干网位置关系

随着上海城市建设快速发展，上海轨交近年来迅速发展，其建设逐渐从城市中心向郊区延伸。至“十二五”末，上海轨交拥有14条地铁线路，运营里程达600余公里，车站360余座，检修基地20余座，13条线路在外环线(S20)外均有运行车站及正线轨道。同时，为配合上海能源结构调整，城市燃气管网规模也不断扩大。天然气主干网经过10余年的发展，已形成“南北贯通、东西互补、两环相连”的管网格局，长度约740 km，设计压力为1.6~6.0 MPa的高压埋地钢管，主要沿着上海郊环线和外环线成环敷设，2015年供气规模超过72亿m3，承担着向全上海供应天然气任务，是一条重要的能源生命线。

据统计，目前上海天然气主干网与上海轨交共有16处存在相互交叉或伴行的关系，见表1、图1。

表1　天然气主干网与轨交位置关系统计表

图1　上海轨交与天然气主干网位置关系示意

2　轨交杂散电流产生机理及危害

2.1轨交杂散电流产生机理

目前，轨交的牵引供电方式一般采用750 V或1500 V架空单轨直流供电方式。牵引电流从牵引变电站的正极出发，经由接触网，电车以及走行轨回流至牵引变电站的负极。由于承担回流任务的走行轨本身具有电阻且对地做不到完全绝缘，造成一部分牵引电流不经由走行轨流回到牵引变电所站的负极，从轨交盾构结构泄漏流到大地，这部分泄漏电流就称为杂散电流。杂散电流漏泄到土壤中后流入埋设金属管线等地下设施，并沿着管线流动至负回馈点附近后通过土壤重新归入牵引变电站的负极，从而使轨交附近埋地金属管线等地下设施在电流流出处产生腐蚀。轨交对埋地管道杂散电流干扰原理如图2：

图2　轨交对埋地管道杂散电流干扰原理

2.2轨交杂散电流的危害

杂散电流腐蚀危害要强于土壤腐蚀或电偶腐蚀。依据法拉第定律，1 A的直流电流1年可使钢铁腐蚀大约9.1 kg。杂散电流干扰腐蚀是长期的积累效应，通常发生在管道防腐层破损处，因而容易引起坑蚀，导致穿孔。虽然轨交系统设计中已经考虑杂散电流消减措施，以降低杂散电流泄漏水平，但国内轨交系统的杂散电流泄漏量通常无法控制在5%以内，造成轨交杂散电流引起的腐蚀情况普遍存在。总的来说，杂散电流对外界腐蚀危害主要体现在以下二个方面：

(1)杂散电流对埋地管道的电化学腐蚀。轨交系统附近的埋地金属管道会受到杂散电流的不同程度的腐蚀。不断受到杂散电流腐蚀干扰影响的主干网，会引起局部点管壁逐渐变薄，如不及时采取有效措施，可能会发生管道穿孔、引起天然气泄漏燃爆事故，危及城市安全。

(2)杂散电流对钢筋混凝土金属结构物的电腐蚀。杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响。但因为混凝土中存在钢筋，在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳性并发生腐蚀，腐蚀产生物排挤混凝土而使之开裂，破坏了混凝土的整体强度，缩短建构筑物使用寿命。

3　轨交杂散电流对主干网的腐蚀干扰

3.1主干网受腐蚀干扰的发现

上海天然气主干网防腐措施主要采用外加电流阴极保护，以及用聚乙烯三层结构加强级外防腐层(简称3PE)，同时为确保安全运行，主干网定期进行外防腐层检测。2011年7月，在进行防腐层修复时，发现管道遭到严重杂散电流腐蚀现象，最大缺陷深度5.1 mm，金属损失为壁厚的53.7%(管线设计壁厚9.5 mm)，见图3。

图3　杂散电流腐蚀造成管道50%壁厚损失

管地电位遥测系统的使用为寻找腐蚀干扰源起到了关键作用。对比轨交检修基地和郊环线附近管道的24 h管地电位曲线图，见图4。从图中可清楚看到，在轨交检修基地旁边，白天轨道交通运行期间，附近管道管地电位波动剧烈，而晚上轨道交通停运期间，管地电位又呈一水平直线，恢复正常；而在郊区郊环线附近无地铁的管道管地电位全天都处于比较稳定的状态。

图4　轨交干扰区和非干扰区管道24小时管地电位曲线

3.2主干网受腐蚀干扰影响的检测和分析

在轨交公司协助下，本文通过实测轨交检修基地内不同位置土壤电位梯度、铁轨对地电位，并测试检修基地外管道管地电位的同步性等数据，尝试分析轨交检修基地内是否存在杂散电流及轨交杂散电流对主干网的干扰影响。

3.2.1杂散电流检测依据的标准

根据《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》(SY/T 0017—2006)，判断管道受直流杂散电流干扰主要通过管地电位偏移量和土壤电位梯度这两种指标，如下：

(1)处于直流电气铁路、阴极保护系统及其他直流干扰源附近的管道, 当管道上任意点的管地电位较自然电位正向偏移20 mV时，或管道附近土壤的电位梯度大于0.5 mV/m时，就确认有直流干扰。

(2)当管道上任意点管地电位较处自然电位正向偏移100 mV时，或管道附近土壤的电位梯度大于2.5 mV/m时，应及时对管道采取直流排流保护措施。

一般情况下，当确认存在直流杂散电流对埋地金属燃气管道干扰时，应进行长期监控，并根据具体情况采取补救措施。

3.2.2杂散电流检测方法及数据分析

3.2.2.1土壤电位梯度测量

本文采用十字交叉法测试土壤电位梯度，实际测量时，规定电位梯度以东向西为正、北向南为正，测量距离为10m，测量间隔1 s，测试时间1 800 s。测量原理见图5。

图5　十字交叉法原理示意

电位梯度测试在图6中的位置①、②进行了反复多次不同时长的测试，位置①位于检修基地西侧围墙，近地铁检修线，为基地距离管线最近位置；位置②位于检修基地变电所西侧草坪，位置关系见图6。

图6　某轨交检修基地平面图及测试点①、②位置

位置①检测结果见图7。

图7　某轨交检修基地位置①土壤电位梯度曲线

从检测结果看，位置①土壤电位梯度波动幅度大、绝对数值大，记录数据中最大达到11 mV/m，现场设备显示数据甚至超过20 mV/m，说明位置①处地下存在较大杂散电流，且杂散电流方向指向基地变电所。

位置②虽然靠近基地变电所，但现场观察数据一般波动幅度在1~3 mV/m，最大在3 mV/m左右。

3.2.2.2土壤电位梯度与电位同步测试

为掌握轨交杂散电流干扰来源、干扰变化规律以及电位与轨道电位相关性，本文对轨道基地内土壤电位梯度与埋地天然气管线管地电位同步测试，结果如图8。

图8　轨交检修基地内电位梯度与基地外管道管地电位同步测试曲线

由检测结果可知，轨道基地内土壤电位梯度与埋地管道管地电位变化呈现高度一致，当土壤电位梯度指向管道时，管地电位变负；当土壤电位梯度方向背离管道时，管地电位变正，土壤电位梯度测量点与埋地管线距离约150 m。

通过对轨交检修基地的测试，可确定轨交在运行期间，正线产生强杂散电流，杂散电流从正线和管道交叉处流入管道，通过大地回流至检修基地变电站负极，进而可以判定天然气主干网受到了轨交杂散电流严重腐蚀干扰影响。

4　轨交杂散电流防护措施的探究

基于轨交杂散电流对天然气主干网的干扰现状，本文致力于研究干扰消减的措施，本文所采用的防护措施主要从两方面进行考虑，根据《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》(GB 50991—2014)等标准，受干扰方直流杂散电流排流方式主要有接地排流、直接排流、极性排流和强制排流四种，如图9所示，目前国内主流排流方式是采用接地排流。

图9　直流杂散电流排流方式原理

4.1接地排流法现场应用分析

接地排流法就是日常所说的牺牲阳极排流，在电流排放区安装镁或者锌牺牲阳极，为管道创造一个顺畅的电流流出途径，让管道内的杂散电流通过牺牲阳极流入大地，而不是通过管道外壁流入大地，防止管道外壁金属腐蚀。但由于轨交杂散电流干扰是一个动态干扰的过程，使得管道上管地电位波动剧烈，不单单有正向电位存在，同时也存在相当大部分的负向电位，因此为了使接地阳极不额外成为杂散电流引入点，还需要再管道和接地阳极之间安装极性排流器(二极管)，确保电流单向流通，只能从管道通过牺牲阳极流入土壤，防止杂散电流通过牺牲阳极进入管道。

本文对主干网3个受干扰管段采取牺牲阳极排流，主要在干扰大且正电位出现频率高的管段采用镁阳极或锌阳极和极性排流器相结合的排流方式。图10所示为某管道2个干扰点采用牺牲阳极排流前后管地电位波动变化图，从图中可以清晰看出，排流前后，管地电位正向偏移部分有一定程度的减少，牺牲阳极排流法能取得一定的排流效果，但是仍然存在较多的正电位，排流效果有限。此外，轨交杂散电流排流中镁阳极消耗快，某管段设计寿命15年的镁阳极3年竟然完全消耗，排流能力大大降低；且牺牲阳极费用高，需要定期更换，经济性差且仍无法完全消除杂散电流干扰的影响，因此亟需寻求更加有效的管道排流方式。

图10　某管段采用牺牲阳极排流前后2个干扰点管地电位随时间变化

4.2极性排流法试验研究分析

极性排流法原理见图11。

图11　极性排流法原理

考虑到常规的牺牲阳极排流法有限的排流能力，无法完全消减轨交对主干网的干扰影响，本文寻求极性排流法这一排流方式，提高主干网对于轨交杂散电流排流防护能力。极性排流法原理是将被干扰管道与干扰源地铁变电站负极母排用一根电缆相连接，中间串联一个单向导通二极管和限流电阻，目的是只允许杂散电流从管道流向轨道，而不允许从轨道逆流向管道，同时可以用限流电阻根据管地电位控制排流量的大小。排流点的选择，在管道侧考虑管地电位正，且持续时间长，轨-管电位差最大的点；轨道侧考虑直流负极，轨地电位为负，数值大、时续时间长，且轨-管电位差较大的点，同时应该综合考虑管道和轨道之间的距离较小。

通过排摸上海天然气主干网受轨交杂散电流干扰情况，本文选取主干网与轨交平行的情况进行排流试验。见图12。

图12　平行段试验示意

此次极性排流试验选取4 km与轨交连续平行的管段，管道与轨道的水平间距在10 m，变电站位于轨道1.8 km位置，本次试验将离变电站最近的管道与变电站负极母牌相连接，中间串联二极管和限流电阻(电阻可调节1 Ω和2 Ω)，在管道上方设置监测点，监测不同限流电阻情况下管道通电电位及极化电位的变化情况。

测试点通电电位和试片极化电位随时间变化情况见图13，随着排流试验开启，管道通电电位波动变大，甚至达到-5 V；从管道极化电位图上看，未排流前，管道极化电位正于-0.85 V，未满足标准要求，极性排流开始，试片极化电位负于-0.85 V，较未排流时负向偏移100~200 mV，满足标准要求，且限流电阻越小，极化电位越负，效果越好。

图13　测试点通电电位和试片极化电位随时间变化

从测试结果看出，随着极性排流试验的开始，管道的极化电位明显负偏，管道吸收来自轨交的杂散电流并通过临时敷设的电缆通路最终回到轨交变电站负极母排，从地铁侧看，本次试验最终通过电缆流入负极母排的电流值在0~18 A变化，排流时间段内(21：30~23：00)，极性排流法并没有造成轨道对地电位的明显改变，因此，0~18 A的排流电流并不会对地铁的铁轨造成腐蚀影响。

5　结语

通过分析研究轨交杂散电流对主干网产生腐蚀干扰的形态和传播机理，并开展排流措施的防护探究，本文得到如下结论：

(1)轨交杂散电流对埋地管道的干扰传播机制一般是由于轨交正线上有机车运行时，杂散电流从正线和管道交叉处流入管道，通过大地回流至正线变电站负极，导致变电站附近管道面临严重杂散电流腐蚀风险，需加强变电站附近管道状态的监测。

(2)轨交运行期间，靠近轨交检修基地的主干网管道周围存在较大土壤电位梯度，波动范围3~5 mV/m，最大可达15 mV/m，杂散电流总体方向为轨交正线流向基地，轨交运行对牺牲阳极保护电流产生较大影响，增大了阳极电流，增快阳极消耗。

(3)进行轨交杂散电流干扰排流时，牺牲阳极排流因驱动电压相对较小，排流能力受限，排流效果有限，无法完全消减轨交杂散电流干扰。

(4)采用极性排流试验时，管道侧通电电位和极化电位均有明显负移，排流后管道极化电位负于-0.85 V的保护状态，排流效果基本达到天然气管道保护的要求，是较为理想的排流方式。

(5)采用极性排流试验时，0~18 A的排流电流对地铁铁轨的轨地电位无明显影响，因此，可认为极性排流法产生的0~18 A电流对轨交铁轨基本没有腐蚀影响。

本文所试点的排流措施是在轨交公司配合下实施，建议仍需进一步深化研究，并形成轨交检修基站与正线附近的天然气主干网对杂散电流的防护技术以及新建轨道交通工程对天然气主干网杂散电流腐蚀干扰评定和防控的技术规程或相关标准；同时轨交公司应从设计、施工、运行上做好各类绝缘防护措施，确保走行轨对地绝缘性能，降低杂散电流泄漏量，降低对周边埋地构筑物和管道的影响。

Research of the Influence of Metro Stray Current Corrosion on Natural Gas Main Pipeline Network and Related Protection Measures

Shanghai Natural Gas Pipeline Network Co., Ltd.Gao Yuzhen

According to the dynamic nature of metro stray current, a series of experimental investigation on pipe-to-soil potential and potential gradient in soil is carried out. This paper analyzes morphology and propagation mechanism of stray current corrosion interference on natural gas main pipeline. Then, it puts forward feasible protection measures by using different ways of discharge pilot, in order to eliminate or reduce the influence of stray current corrosion and ensure the safety of main pipeline network.

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