钢质燃气管道动态直流杂散电流干扰的防护设计

高佳伟 ,尹志彪,2 ,邹 健 ,王生平 ,杜艳霞

(1.北京市燃气集团有限责任公司,北京 100035;2.钢铁研究总院先进金属材料涂镀国家工程实验室,北京 100053;3.北京科技大学新材料技术研究院,北京 100083)

埋地管道在工作环境中受到多种腐蚀,主要包括土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀。按照现行的防腐蚀标准GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》,长输埋地钢质管道主要采用保护涂层与阴极保护的方式进行腐蚀防护。在通常情况下,这种方式可有效减缓钢材的腐蚀,保障管道在使用寿命内的安全运行。城市内埋地钢质燃气管道和地铁线路相互交错,受直流动态杂散电流干扰影响,高压、次高压埋地燃气管道易发生腐蚀。近年来,轨道交通直流杂散电流对城市周边埋地燃气管道的干扰问题愈发严重,在京津冀、长三角以及珠三角等区域,燃气管道的腐蚀问题频繁出现,这严重影响了管道的安全运行。

城市地铁轨道交通运输系统采用直流电力牵引的方式[1]。列车通过受电弓或集电靴受电,利用走行轨实现回流。在地铁运营初期,轨道与大地之间具有良好的电绝缘,说明轨道与大地之间的电阻较大,此时,从轨道流入大地的直流杂散电流较小。随着时间的延长,钢质轨道与大地之间的绝缘性能不可避免会下降,从而使钢轨流入大地的直流杂散电流明显增大[2-6]。

受地铁杂散电流干扰的影响,地铁周边的埋地金属管道会发生电化学腐蚀,这会导致金属管道壁厚减薄,从而引发管道安全事故。直流轨道交通系统引起的动态杂散电流还会严重干扰管道的阴极保护测试,使恒电位仪不能以恒电位模式输出,造成阴极保护用牺牲阳极消耗加快,还有可能使管道表面防腐蚀层剥落[7-8]。

本工作中的管道受到比较严重的直流杂散电流干扰,管道阴极保护水平较差,管道沿线的断电电位(24 h)大多数不满足阴保标准要求,故对该段管道进行了直流杂散电流干扰排流试验。参考GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》、AS 2832.1:2015《金属的阴极保护 管道和电缆》和DG-TJ 08-2302-2019《埋地钢质燃气管道杂散电流干扰评定与防护标准》,基于现场详测数据进行了管道杂散电流干扰的防护设计。

1 燃气管道基本信息

如图1所示:管道长度约为30 km,管道延线共有5个 阀室(1 号～5 号)、1 个预留阀室和1 个站场,站场出站共有3 条管线,3 条管线均有绝缘接头;管道采用外加电流阴极保护系统+3PE 防腐蚀层+牺牲阳极的方式进行防护,3条管线出站共用一套恒电位仪,恒电位仪设置在站场内,阳极地床采用柔性阳极;6号测试桩位于管道与地铁线路交叉点附近,其距离站场约5 km,管道与地铁线路停车场的直线距离约为170 m;管道与地铁S1磁悬浮线路交叉点与31号测试桩之间的距离约为110 m;地铁S1 磁悬浮线路与5 号阀室之间的距离约为3.5 km。

图1 燃气管道与外界干扰源的位置关系示意Fig.1 Schematic diagram of positional relationship between gas pipeline and external interference sources

2 现场测试结果

2.1 杂散电流干扰现场测试

由图2～图5 可见(图中电位均相对于饱和Cu/CuSO4电极):以6号测试桩为例,管道沿线的通、断电电位呈周期性波动,白天波动幅度较大,晚上较为稳定,属于典型的直流轨道交通系统引起的动态直流干扰特征;6号测试桩处的通电电位波动最大,其最大波动范围为-11.6～6.592 V,波动幅值达18 V,该测试桩离地铁停车场最近,受到动态直流干扰影响最大;与6号测试桩相比,其他测试桩处的通电电位波动范围明显减小;管道沿线的断电电位大部分时间均正于-0.85 V;对比夜间无干扰时的通、断电电位,仅离站场最近的1号测试桩处的断电电位负于-0.85 V,满足相关电位准则要求;管道沿线断电电位比保护准则更正的比例均超过了5%,表明管道存在一定的腐蚀风险;对比夜间和白天(6号)测试桩处的断电电位可知,管道处于欠保护是阴极保护电流不足和地铁杂散电流干扰共同作用造成的。

图2 管道6号测试桩24 h通、断电电位变化趋势(2020年)Fig.2 Variation trend of the 24 h power-on and poweroff potential of 6#test pile of the pipeline(in 2020)

图3 管道沿线24 h通电电位和断电电位波动范围Fig.3 24 h power-on potential(a)and power-off(b)potential fluctuation range along the pipeline

图4 管道沿线夜间通、断电电位变化趋势Fig.4 Variation trend of power-on and power-off potential at night along the pipeline

图5 管道沿线断电电位正于保护准则的比例分布Fig.5 Proportional distribution of power-off potentials along the pipeline with being positive to protection criterion

2.2 干扰排流试验现场测试

根据管道的欠保护位置和现场的馈电试验条件,分别选取31号测试桩(4号阀室南侧)、预留阀室(19号测试桩附近)、6号测试桩(管道与地铁交叉点附近)、5号测试桩和4号测试桩等位置进行馈电试验。同时,通过调节站场的恒电位仪输出,测试现有恒电位仪的保护效果。

2.2.1 31号测试桩馈电试验结果

在31号测试桩分别馈入2.4,6.1,9.2,11.2 A的电流。由图6可见:当馈入电流为2.4 A 时,管道沿线断电电位正于保护准则的比例略有下降,但是下降幅度较小,除管道原有的两处(17号和27号)测试桩的断电电位满足标准要求外,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例仍高于5%;当馈入电流为6.1 A 时,除19号和24号测试桩外,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降明显,17号、22号和27号测试桩的断电电位正于保护准则的比例均降低至5%以内,达到有效保护效果;当馈入电流为9.2 A 时,管道沿线测试桩的断电电位正于保护准则的比例进一步下降,17号、22号、27号、31号测试桩的断电电位正于保护准则的比例均降低至5%以内,达到有效保护效果;当馈入电流为1 1.2 A时,14号测试桩与31号测试桩之间的距离约为15 km,除24号和19号测试桩,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例均降低至5%以内,达到有效保护效果。

图6 在31号测试桩馈入不同电流后管道沿线测试桩的断电电位正于保护准则的比例分布Fig.6 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding different currents at 31#test pile

2.2.2 预留阀室馈电试验结果

在预留阀室分别馈入2.4,6.1,9.2,11.2 A 的电流,测试各测试桩段管道的保护效果。在预留阀室馈入10 A 电流,测试1号～15号测试桩段管道的保护效果。

由图7和图8可见:当馈入电流为6.1 A 时,靠近预留阀室的14号～22号测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降比较明显,其中,22号测试桩的断电电位正于保护准则的比例降低至5%以内,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例仍高于5%,远离预留阀室测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降不明显;当馈入电流为9.2 A 时,14号～22号测试桩(靠近预留阀室)的断电电位正于保护准则的比例下降至5%以内,达到保护效果,24号～31号和10号测试桩的断电电位正于保护准则的比例仍高于5%,管道处于欠保护状态;当馈入电流为11.2 A 时,除27号测试桩外,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例均明显下降,其中,14号～24号测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降至5%以内,达到有效保护效果,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例仍大于5%,管道处于欠保护状态,有效保护长度约为11 km;当馈入电流为10 A 时,1号～15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例有所下降,其中,11号和15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降至5%以内,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例仍高于5%。

图7 在预留阀室馈入不同电流后管道沿线测试桩的断电电位正于保护准则的比例分布Fig.7 Proportional distribution of power-off potentials of the test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding different currents at reserved valve room

图8 在预留阀室馈入10 A 电流后管道沿线测试桩的断电电位正于保护准则的比例分布Fig.8 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding 10 A current at reserved valve room

2.2.3 6号测试桩馈电试验结果

6号测试桩位于地铁线路与管道交叉处,该处管道的通、断电电位波动最大,在6号测试桩分别馈入5.3 A 和11 A 的电流,临时地床距离管道约30 m。

由图9可见:当馈入电流为5.3 A 时,管道沿线1号～15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例略有下降,其中,5号、11号、15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降至5%以内;当馈入电流为11 A 时,管道沿线1号～15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例略有下降,6号和13号测试桩的断电电位正于保护准则的比例仍高于5%,其他测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降至5%以内。

图9 在6号测试桩馈入不同电流后管道沿线测试桩的断电电位正于保护准则的比例分布Fig.9 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding different currents at 6#test pile

2.2.4 4号测试桩馈电试验结果

4号测试桩距离6号测试桩约1.5 km,在此测试桩处馈入7 A 电流,临时地床距离管道约35 m。由图10可见,管道沿线1号～15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例略有下降,其中,1号、11号和15号测试桩的断电电位正于保护准则的比例下降至5%以内。

图10 在4号测试桩馈入7 A 电流后管道沿线测试桩的断电电位正于保护准则的比例分布Fig.10 Proportional distribution of power-off potentials of test piles along the pipeline being positive to protection criterion after feeding 7 A current at 4#test pile

2.2.5 站场恒电位仪调节试验结果

1号测试桩距离站场最近(约为380 m),站场恒电位仪原始状态为恒电位运行,预置电位为-1.2 V,在动态干扰下基本无输出电流,为增大阴极保护电源的输出,测试过程中将设备状态转换为恒电流运行,输出电流设置为2 A。调节后,电源输出电流为1.46 A,输出电压为50 V,达到输出电压的上限值,无法继续提高输出电流。由图11和表1可见,两种运行模式下,1号测试桩的断电电位正于保护准则的比例变化不大,管道处于欠保护状态,表明站场恒电位仪在该输出电流下对管道电位的影响不大,无法使管道达到有效保护的状态。

图11 1号测试桩在站场恒电位仪不同运行模式下的24 h通断电电位变化趋势(2020年)Fig.11 24 h power-on and power-off potential change trend of 1#test pile under different operation modes of station potentiostat(2020 year)

表1 在站场恒电位仪不同运行模式下1号测试桩的通、断电电位Tab.1 Power-on and power-off potentials of 1#test pile under different operation modes of station potentiostat

2.3 干扰排流方案设计

根据现场干扰排流试验结果,分别在31号测试桩处馈入11.4 A的电流、在预留阀处室馈入12.4 A的电流和在1号测试桩处馈入11 A 的电流,管道沿线测试桩的通、断电电位基本能达到标准要求。本试验为单点馈电试验,若采取多点馈电的防护措施,可进一步提高对管道沿线的保护效果。同时,考虑一定的保护裕量,排流防护装置的额定电流可以适当增大。根据现场干扰排流试验结果和现场实际情况,确定管道的排流方案为在4号阀室和预留阀室增加强制电流阴极保护排流站,站场整改阳极地床,4号、5号和6号测试桩处增加太阳能供电直流阴极保护电源系统。

3 结论

直流轨道交通系统引起的动态杂散电流会导致油气管道发生严重的腐蚀问题,这种动态干扰的防护技术正处于探索阶段。采用多点馈电的方式可以优化强制电流阴极保护措施的设计,使管道阴极保护恢复有效性。在动态直流杂散电流干扰的检测与防护技术方面,相关标准的研究和制订工作仍需继续推进。

基于管道阴极保护有效性的检测及馈电试验结果,本工作中管道杂散电流干扰严重,阴极保护效果较差,排流电流需求量较大,难以采用牺牲阳极进行长距离、大容量的排流,故选择了在4号阀室和预留阀室增加强制电流阴极保护排流站,站场整改阳极地床,4号、5号和6号测试桩处增加太阳能供电直流阴极保护电源系统。