城市地铁杂散电流对埋地输油管道的危害

(中国航空油料有限责任公司华东分公司，上海 200335)

城市地铁杂散电流对埋地输油管道的危害

刘文权

(中国航空油料有限责任公司华东分公司，上海 200335)

本文介绍了城市地铁杂散电流的产生原理、对埋地输油金属管道的危害，并结合上海航油管道的案例介绍了杂散电流干扰检测方法。

地铁 杂散电流 输油管道 危害

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通迎来迅猛发展时期，截至2014年，我国累计有19个城市建成投运城轨线路87条，运营里程2539公里。目前上海轨交全网运营线路总长增至567公里，运营规模列世界第一，近期规划路达到660公里，远期规划线路则达到970公里。在地铁带来便捷生活的同时，由地铁产生的杂散电流干扰问题也日益严重。

我国地铁一般采用直流供电牵引方式，一种是直流750V，另一种是直流1500V。在这种供电方式当中，列车直流牵引系统采用正极接接触网，而走行轨兼作负回流线。虽然走行轨与道床之间采取了绝缘措施，但是随着地铁运营时间的推移，由于受到如潮湿、污染等环境因素的影响，使地铁车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降低或先期防护措施失效，会造成一定量的杂散电流泄漏到土壤中，该杂散电流也称地铁迷流[1]。

如果在杂散电流干扰区域存在埋地金属管道，该管道就会因杂散电流的干扰产生电化学腐蚀，继而影响管道的安全运行。而在城市中由于地下管网建设路径受限，不可避免的存在与地铁并行交叉的情况。以中国航空油料有限责任公司华东公司(简称中国航油华东公司)上海本部的航油管道为例，该管道长约50km，管道分别与上海地铁1#线、8#线、9#线、10#线及12#线存在交叉并行，并与磁悬浮铁路存在并行，管道存在着较为严重的杂散电流干扰。

1 地铁杂散电流的产生原理

地铁采用直流电力牵引，正极接接触网，负极为走行轨，电流从直流变电所正极流出，经架空接触线、列车、钢轨，最后流回变电所负极，形成完整回路，见图1。由于走行钢轨与道床间不可能完全绝缘，造成部分电流会通过钢轨泄露入大地，形成杂散电流。如果有金属埋地管道(油气管道)或其它金属构筑物正处于此电流泄露区，由于管道对地绝缘并不充分，埋地管道就为杂散电流提供了一个低电阻通道，杂散电流就会流入管道，对管道造成杂散电流干扰。杂散电流流入管道的部位为阴极，发生阴极反应，管道得到保护；杂散电流流出管道的部位为阳极，产生氧化反应，管道发生电化学腐蚀。

地铁杂散电流所经过的路径可视作为两个串联的腐蚀电池，即：

电池I：走行轨道(阳极区)+道床、土壤+埋地管道(阴极区)

管道反应：吸氧反应2H2O+O2+4e=4OH-(中性、碱性土壤)

析氢反应2H++2e=H2↑(酸性土壤)

电池Ⅱ：埋地管道(阳极区)+土壤、道床+走行轨道(阴极区)

管道反应：Fe-2e=Fe2+

总化学反应方程式:4Fe+3O2+XH2O==== 2Fe2O3·XH2O

图1 地铁杂散电流示意图

将地铁杂散电流图简化为等效电路，见图2。

RN：通过负导体(钢轨) 的电阻；

RP：通过正导体(架空接触线) 的电阻；

RL：负载端的负系统对地电阻；

RS：变电站端的负系统对地电阻；

IT：列车工作电流；

IN：通过负导体返回的电流；

IS：通过大地返回的电流(杂散电流)。

由此简化模型可得到关于地铁杂散电流的方程如下：

图2 地铁杂散电流的简化等效电路

由公式可以看出，影响地铁杂散电流的因素主要是负回轨的电阻和系统的接地电阻，前者取决于铁轨本身的材质等因素(负回轨电阻越小，泄露的杂散电流越小)，后者取决于轨地间绝缘电阻(受施工质量、环境等因素影响，轨地间绝缘电阻越小，杂散电流越大)[2]。

2 地铁杂散电流的危害

地铁杂散电流流入大地后，会对周围的埋地金属构筑物(油气管道、通讯电缆外皮、建筑钢筋等)造成干扰，发生电化学腐蚀。与金属的自然腐蚀相对，地铁造成的电化学腐蚀危害具有以下特点：

1) 腐蚀激烈，金属自然腐蚀电流一般只有几十毫安，而地铁杂散电流最大可达上百安，北京地铁采用DC750V的直流供电系统，较早的测试结果表明，地铁在启动和运行时泄露入地下的杂散电流值一般要大于100A；而上海地铁、广州地铁、深圳地铁均采用额定电压为DC1500V的直流供电系统，额定牵引电流可高达3000A，按5%的杂散电流泄漏量计，泄露入大地的杂散电流可高达150A[3]。根据法拉第电解定律，由于电流通过而发生的腐蚀量与通过的电量成正比，同一电量引起的不同物质的腐蚀量与该物质的电化学当量成正比，即电流i在t秒内所造成的腐蚀量，可用式W=Kit表达，其中W为腐蚀量，K为物质电化学当量(2价铁的电化学当量为1.042g/Ah)，i为杂散电流量，根据该式可以计算出1A的杂散电流在1年内可造成9.13kg钢铁的腐蚀量[4]，虽然这仅是理论值，但可以看出由杂散电流造成的腐蚀是非常严重的。

2)杂散电流腐蚀集中于局部位置，并往往发生于防腐层的缺陷部位，从而发生管道坑蚀现象，并可能在短时间内造成管道穿孔，发生泄漏事故。特别是长距离带有防腐层的埋地金属管道，流入管道的杂散电流很大且集中于局部，当杂散电流从防腐层缺陷处流出时就会发生激烈的局部腐蚀。我国抚顺地区有建于上世纪初横贯市区的直流电气化铁路，驱动电源为直流1500V，最大牵引电流达600A，列车运行频繁，由于该电气化铁路运行年限长，轨道与大地间无良好绝缘，加上机车驱动电压高，所以经铁轨泄入大地的电流量很大，该铁路系统对同区域内的东北输油管道造成了严重的干扰腐蚀，虽然处于抚顺地区的输油管道长度仅占东北输油管网总长度的2%左右，但投产初期，该地区管道就因杂散电流干扰腐蚀穿孔漏油9次，占同期东北管网管道腐蚀漏油事故的78%[5]。

由于城市路径受限，许多城市都不可避免的存在埋地金属管道与地铁交叉和并行的情况，随之而来的地铁杂散电流的干扰问题也日益突出。北京地铁1 期工程上世纪70年代初开始运行，目前主体结构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀，且隧道内发生水管腐蚀穿孔；天津地铁也存在类似的情况。香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔而造成煤气泄漏的事故[6]。广州白云机场地铁2010年开通后，受地铁杂散电流干扰，机场航油管道阴极保护系统出现瘫痪，航油管道安全受到极大威胁。上海密集的地铁对沿线埋地油气管道产生了严重的杂散电流干扰，地铁2#线世纪大道沿线地下的DN300燃气钢管在2008年之前已发生近10次腐蚀泄漏事故，造成了很大的经济损失和社会负面影响[7]；通过对中国航油华东公司航油管道的杂散电流监测发现，由于受到沿线地铁杂散电流干扰的影响，管道阴极保护系统处于瘫痪失效状态，存在着较大的电蚀风险。

3)动态干扰，干扰复杂且范围广。地铁干扰源属于动态干扰，列车开行时间、开行方向及开行频率的变化造成地铁杂散电流干扰较为复杂，管道的管地电位极易偏离正常值，出现剧烈的大范围波动，且随时间变化幅度较大。由于地铁线路运行范围广，其产生的杂散电流会影响到所有沿线的地下金属管网，给防护带来较大的难度。另外由于地铁结构在施工完成后已定型，若在运行后产生杂散电流干扰，在地铁侧的防护改造也十分困难。

3 地铁杂散电流干扰的检测

地铁杂散电流流入大地会产生土壤电位梯度，另外对管道的干扰直接体现为管道管地电位的变化，因此可以通过监检测土壤电位梯度和管道管地电位来判断干扰情况。根据《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》(SY/T 0017-2006)：当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移≥100mV或管道附近土壤表面电位梯度＞2.5mV/m时，应采取直流排流保护或其它防护措施，见表1。

表1 直流干扰程度评价指标

下面以中国航油华东公司的航油管道为例，来分析地铁杂散电流对航油管道的干扰情况。该管道外防腐采用防腐层与阴极保护联合防腐，部分管道外防腐层为环氧煤沥青加强级，另一部分管道外防腐采用3PE加强级，阴极保护均采用镁合金牺牲阳极保护，沿线设置阴极保护测试桩。在没有干扰的情况下，通过测试桩测得的管道管地电位值正常范围在-0.85V～-1.25V(CSE)左右，正于-0.85V，管道处于欠保护状态，电位过正(正于管道自然电位)管道存在加速腐蚀风险，过负管道存在过保护风险。

选取离地铁较近的1处测试桩对管道管地电位进行测试，由于地铁杂散电流的干扰，被干扰管道的管地电位呈现出剧烈波动的现象，因此直接测量某一时刻的管地电位不能反应出真实的干扰程度及趋势。在地铁运行时段，我们采用电位采集设备对该处测试桩的管地电位进行了连续80min不间断测试(采集间距1s，参比电极采用铜/硫酸铜参比电极)，并对采集数据进行处理得到电位波动图，见图3。由图中可看出，地铁运行时，管道管地电位波动严重(基本在-0.5V～-2.0V范围内波动，最大值为0.468V，最小值为-2.62V)，已超出阴极保护正常保护范围，远远大于规范规定的管地电位较自然电位正向偏移≥100mV的杂散电流干扰判据，管道受到严重的杂散电流干扰，阴极保护系统不能正常发挥作用。当电位正向偏移时，管道受到加速腐蚀危害。

图3 地铁运行时管道管地电位80min不间断采集数据图

为进一步确认干扰源，我们对该处测试桩进行连续24小时(采集间距10s，参比电极采用铜/硫酸铜参比电极)不间断测试，并对采集数据进行处理得到电位波动图，见图4。根据采集到的数据，管地电位最大值为0.495V，最小值为-2.535V，而在凌晨24:00-5:00时间段内管道管地电位比较平稳，电位基本稳定在-1.0V ～-1.2V范围内，而这一时间段与地铁停运时间基本吻合，也进一步证明了管道电位的波动是由地铁杂散电流干扰引起的。

4 结论

随着城市轨道交通的快速发展以及城市埋地油气管道的密集敷设，由于路径受限，地铁杂散电流对埋地管道的干扰问题日益突出，而由此可能导致的油气管道腐蚀穿孔事故会造成十分严重的后果。目前在这一问题上还存在着地铁方和管道运营方沟通不畅，杂散电流危害认识不够的问题，单靠管道方自行采取杂散电流监测、排流措施不仅成本高，而且也不能根本解决问题。城市地铁杂散电流对埋地管道的危害及防护问题需要引起城市建设者和相关方更大的重视，才能确保地下管道和地铁的安全运行。

图4 管道管地电位24小时不间断采集数据图

[1] 熊景芷. 地铁中杂散电流对给排水管道腐蚀的探讨及其防护措施[J]. 上海电器技术. 2004,No. 4: 61-21.

[2] 曹晓斌, 吴广宁等. 地铁杂散电流的危害及其防治[J]. 电气化铁路. 2006, 4: 32-34.

[3] 高敬宇, 易友祥. 地铁杂散电流的分析[J]. 天津理工学院学报, 1996,12(3): 52-55.

[4] 胡士信. 阴极保护手册[M]. 255-256.

[5] 陈敬和, 何悟忠等. 抚顺地区管道直流杂散电流干扰腐蚀及防护的探讨. 管道技术与装备[J]. 1999, 15-16.

[6] 刘国飞. 混凝土中掺加粉煤灰对地铁杂散电流抑制机理的交流阻抗研究[D].上海:同济大学材料科学与工程学院,2000.

[7] 陈志光, 秦朝葵等. 上海轨道交通二号线杂散电流测试分析[J].腐蚀与防护.2008.29(6): 344-347.

Interference Corrosion Hazards of Subway Stray Currents on buried Jet Fuel Metal Pipeline

LIU Wen-quan
(China National Aviation Fuel Corporation Limited Liability Company in East China,Shanghai 200335, China)

This paper introduces the generation principle，interference corrosion hazards of subway stray currents on buried jet fuel metal pipeline. And take jet fuel pipeline in Shanghai as an example, introduces stray current interference detection method.

subway; stray current; buried metal pipeline; Interference corrosion hazards

TE988

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.029.04

刘文权 (1974－) ，学士，工商管理硕士，从事民用航空油料运输、储存、加注等环节的安全生产管理工作。