埋地管道地铁杂散电流干扰的测试技术

孟庆思,杜艳霞,董 亮,戴 舒,徐洪福

(北京科技大学 材料科学与工程学院,北京 100083)



腐蚀监检测技术

埋地管道地铁杂散电流干扰的测试技术

孟庆思,杜艳霞,董 亮,戴 舒,徐洪福

(北京科技大学 材料科学与工程学院,北京 100083)

深圳地铁发展迅猛，泄漏到大地中的杂散电流可导致埋地管道腐蚀加速。对深圳地铁杂散电流干扰下的输水管道进行检测，确定管道的自腐蚀电位，探讨试片材质和表面状态对检测结果的影响，同时研究了管道受杂散电流干扰的规律。结果表明：杂散电流干扰程度与地铁和管道的相对位置有一定的关系,随着管道与地铁间距离减小，管道受到杂散电流干扰越来越严重；并且在相同距离下，交叉段受到干扰程度要大于平行段。同时不同材质的管道抗干扰能力也不相同。

地铁杂散电流;输水管道;自腐蚀电位;干扰规律

我国城市铁路交通系统发展迅猛。截至到2014年底，全国已有22个城市建成地铁95条，运营里程达到2 900 km。尽管地铁给城市交通带来了巨大便利，但泄漏到大地中的杂散电流对埋地管道、金属结构物有加速腐蚀的作用。

地铁采用直流供电系统提供动力，钢轨作为电流的回流通路。由于钢轨自身具有一定的电阻，而钢轨和大地之间也难以达到完全绝缘，部分电流会离开钢轨进入大地，称之为地铁杂散电流[1]。

地铁杂散电流对埋地管道干扰受很多因素影响。除了地铁系统本身的因素,例如:供电系统的稳定性、铁轨电导率、轨道与大地连接材料和结构的选择以及其绝缘性能、供电站的间距、日常检查和轨道的清理工作等[2]，进入管道杂散电流的大小也与土壤电阻率、埋地管道的接地电阻、地铁路线与管道的相对位置以及管道材质等因素相关。近年来,城市地铁建设加快，线路覆盖面更广，分布更加密集,埋地的各种金属管道如输水管道、天然气管道、煤气管道纵横交错，导致地铁杂散电流的干扰规律更加复杂。

对于地铁杂散电流干扰下埋地管道的检测，前人已经做了大量研究。张丰等[3]介绍了试片断电法在管道阴极保护检测中的应用，探究了不同试片面积对所测电位的影响。杨敬杰[4]采用试片断电法对某地受地铁杂散电流干扰管道进行了专项检测，结果显示,不同管段受杂散电流干扰程度不同，距离地铁较近的管段受到杂散电流干扰较为严重，但该检测只针对单根管道。Chen等[5]在不同时段对上海地铁杂散电流干扰下埋地天然气管道的管地电位、流经试片的电流以及电位梯度进行了检测，结果证实,埋地管道受到较强的杂散电流干扰，并提出了一系列缓解方法。Casas等[6]对芝加哥市中心的预应力钢筒管混凝土(PCCP)进行了地铁杂散电流干扰检测，并设计和优化了极性排流法。尽管关于地铁杂散电流对管道干扰检测的资料有很多，但大多数侧重于现场的测试以及对某管道整体受干扰强度的评价。本工作重点研究了地铁杂散电流干扰的测试方法，并对深圳市内多条地铁干扰下杂散电流对埋地输水管网的干扰规律进行了探讨。

1　地铁杂散电流对埋地管道的干扰

深圳水务集团管辖的供水管道长约3 200 km，主要采用钢质管道和铸铁管道。管道涂层有特加强级环氧煤沥青玻璃布、加强级环氧煤沥青玻璃布以及涂浸热沥青。管道自1980年起陆续建设完成，大部分(约70%)建于1990年-2000年，使用年限为10～20 a。输水管道纵横交错，与地铁线路多处并行交叉，见图1。

图1　输水管道与地铁线路相对位置图Fig. 1　The relative position of water pipes and metro lines

选取深圳市埋地输水管道与地铁密集交汇区的39个管道测试点进行检测，测试内容包括干扰管道的地铁线路、检测点与地铁的相对位置、管道材质以及受杂散电流干扰程度；并对其中受到严重干扰的14个测试点进行了24 h监测。为了得到理想的测量结果，24 h监测时采用试片断电法来测量管道的通电电位(管地电位)[7]。

尽管埋地管道并没有阴极保护系统，但在杂散电流的干扰下管道并非处于自然腐蚀状态。管道使用年限较久，涂层存在一定程度的老化，试片的面积选为10 cm2。数据记录仪采用UDL-2，可采集通、断电电位和流经试片的电流。数据记录频率为1次/s。检测前将试片与管道连接24 h，保证试片处于较为稳定的状态。文中电位即管地电位均相对于铜/硫酸铜参比电极(CSE)。

1.1检测结果

表1为部分检测点的测试结果。其中，44号检测点的两端分别为钢质管道和铸铁管道。

表1　部分测试点受地铁杂散电流干扰检测结果Tab. 1　The results of parts of the test points under metro stray current interference

由表1可见，各区域的管道均受到地铁杂散电流的干扰。19号、28号、39号等检测点受到严重的杂散电流干扰，最正管地电位达到1.969 0 V；9号和26号等检测点受到干扰较弱。

由图2可见，监测点的管地电位明显受到地铁杂散电流的干扰。在地铁工作时间段，管地电位波动剧烈；当地铁停止运行，管地电位恢复到较为平稳的状态。

(a)　13号

(b)　21号图2　部分测试点24 h监测结果Fig. 2　24 hours monitoring results of the test points of No. 13 (a) and No. 21 (b)

根据相关标准[8]，对于未施加阴极保护的管道，当其任意点上管地电位较自腐蚀电位正向偏移不小于100 mV时，管道干扰程度为不可接受，应及时采取干扰防护措施。因此确定管道自腐蚀电位对判定杂散电流干扰程度具有重要意义。但在杂散电流干扰下,管地电位处于较为剧烈的波动状态，自腐蚀电位难以确定。

同时，由图2可以看出，采用试片断电法进行测试时，采集到的断电电位明显要负于通电电位。

1.2输水管道自腐蚀电位的确定

通常采用自腐蚀试片法确定管道的自腐蚀电位[9],这是由于自腐蚀试片的接地电阻大，不易吸收杂散电流而处于自腐蚀状态。但是该方法的测试周期长，需要现场开挖，施工难度较大，因此在短期检测中，难以获得较为准确的自腐蚀电位。

地铁杂散电流的方向和大小是在瞬息万变的，受到干扰的管道也不存在稳定的阴阳极极化。尽管并未处于自腐蚀状态，一旦地铁杂散电流停止干扰，管道很快获得较为稳定的自腐蚀状态,如图2所示。因此在地铁杂散电流干扰下，针对没有阴极保护的埋地管道，24 h监测中地铁停止运行一段时间后的管地电位最接近真实的自腐蚀电位。

1.3试片材质的选择

在杂散电流干扰下，管地电位存在一定的电压降(IR降)，为了消除IR降，获得干扰下管道的真实电位，采用试片断电法进行测量。试片材质应与管道材质完全相同，用于模拟管道的涂层破损点。

管道使用年限较为久远，存在不同程度的腐蚀现象。将试片与管道连接24 h获得较为稳定的状态后进行24 h监测，部分检测点测试结果显示异常。以21号检测点为例，试片的断电电位明显负于管地电位，这是由于试片刚加工，表面较为光滑，没有锈层，自腐蚀电位要比管道的更负，见图2(b)。这样试片就不能完全代表管道涂层破损点。但在实际测试中，试片的表面电化学性能很难完全和管道破损点达到一致，最好在测试前将试片埋设一段时间以减小电位差。但试片材料的选择以及表面状态的确定并没有统一的标准，有待于进一步的研究。

2　地铁杂散电流对埋地管道干扰的规律

基于输水管道受到杂散电流干扰的程度，结合不同干扰因素如管道与地铁相对位置、干扰地铁线路以及管道材质，对动态杂散电流干扰规律进行了研究。

由于现场条件复杂，在对比同类干扰因素影响下的干扰规律时，测试点以及数据的选择应尽量减少其他干扰因素。

2.1管道与地铁相对位置对埋地管道的干扰

39个测试点都与地铁存在不用程度的交叉或并行。当地铁线路与埋地管道平行时，检测点与轨道距离指两者间的水平距离。由表2可见，当检测点与轧道距离为695 m时，管地电位的波动范围为-0.397 0～-0.332 9 V，杂散电流的干扰微弱；当检测点与轧道距离减小到38 m，管地电位波动范围为-0.872 5～-0.315 5 V，干扰较为强烈；当检测点与轧道距离只有13 m时，管地电位波动范围为-2.569 3～0.870 9 V，干扰极为强烈。当管道与地铁并行，随着检测点与管道之间的距离不断减小，管地电位的波动范围越来越大。

表2　与地铁平行的管道受杂散电流干扰的 测试结果Tab. 2　The testing results of pipelines parallel with metro under stray current interference

当地铁线路与管道交叉时，检测点与轨道距离指两者间的垂直距离。由表3可见,24号检测点管地电位波动范围大于26号的，14号检测点的管地电位波动范围大于16号的。当管道与地铁线路交叉时，随着测试点与管道之间距离的减小，杂散电流对管道的干扰作用越来越强烈。

表3　与地铁交叉的管道受杂散电流干扰的 测试结果Tab. 3　The testing results of pipelines crossed with metro under stray current interference

综上所述，杂散电流对管道干扰程度与地铁线路和管道之间的距离相关。为了进一步研究在不同相对位置下地铁杂散电流对管道干扰强弱，选取交叉和平行两种相对位置进行对比。

由表4可见，在地铁线路与管道距离相同的情况下，与地铁交叉的管道受干扰程度明显高于与地铁并行的管道。这是由于管道和地铁线路交汇处管道与地铁的绝对距离最小，交叉处的电流相对集中。

表4　相对位置对管道受杂散电流干扰的程度Tab. 4　The effect of relative position on the interference degree

2.2不同地铁线路杂散电流对埋地管道的干扰

不同地铁线路的运营状态不同，牵引所的间距也有差异，轨道与大地绝缘性等因素都会导致地铁线路泄漏到大地中的杂散电流有差异。为了进一步了解不同地铁线路对埋地输水管道的干扰状况，选取了深圳市民中心附近的管道进行测试,结果见表5。

表5　不同地铁线路对管道受杂散电流干扰的程度Tab. 5　The effect of different subways on the interference degree

由表5可见，40号、33号、38号三个检测点都距离地铁2号线很近，但距离其他3条地铁相对较远；随着测试点与2号线距离的减小，埋地管道受到杂散电流干扰越来越严重。35号检测点距离3号线只有33 m，41号检测点距离1号线和3号线都很近，而42号检测点距离4号线只有8 m，同时这三个检测点距离地铁2号线均很远，但受到杂散电流干扰程度也最低，管地电位波动幅度很小。可以看出地铁2号线对埋地管道的干扰较为强烈。从莲花到市民中心有供电站，可能是地铁2号线对管道造成严重干扰的重要因素。

2.3不同材料管道受杂散电流的干扰

深圳水务集团输水管道材料分为钢和铸铁两种。为了对比不同材料管道抗杂散电流干扰能力，选取了三个区域不同材料的管道进行对比,如表6所示。其中44号检测点两侧分别为铸铁和钢两种材料，钢管和铸铁管之间采用承插方式连接，中间有橡胶材料阻隔，即二者间存在电绝缘。钢管和铸铁管的管径都为300 mm，钢管长度在5 km左右，铸铁管长度为380 m，铸铁的接地电阻远远大于钢管的，这是导致钢管的管地电位波动范围大于石墨铸铁管道的重要原因。而梅林和莲花的不同材料的管道都是独立管道，没有共用接头，结果发现尽管材料为钢的8号和28号检测点距离地铁相对较远，但受到地铁干扰更加严重，管地电位波动范围明显大于9号和29号检测点的。这与石墨铸铁的电导率相对较低，抗杂散电流干扰能力较强有很大关系。

表6　不同材料管道受杂散电流干扰的测试结果Tab. 6　The testing results of different materials on the interference degree of pipelines

2.4局部测试点断电电位存在瞬间强烈波动现象

在24 h监测数据中发现，7号和8号检测点断电电位存在尖峰而且出现在同一时刻，如图3所示。类似的情况也有发生在其他检测点。为进一步确定瞬间强烈干扰的干扰特点，再次对该区域的两个点进行测试，结果如图4所示。补测24 h通断电电位中并没有出现尖峰，显示正常。

(a)　7号

(b)　8号图3　24 h监测中断电电位存在异常尖峰Fig. 3　The existance of abnormal peak in the off-potential in 24 h test

(a)　7号

(b)　8号图4　异常点断电电位补测结果Fig. 4　The supplement measurement results of off-potential of abnormal test points

地铁运行状态很有可能是导致管道电位出现尖峰的原因。当地铁启动时瞬间电流可达到5 000 A，如果几条地铁线路同时启动，瞬间电流叠加更大，这很有可能是导致测试结果突然出现较大波动的原因。当然，对于尖峰的出现还没有定论，仍有待于进一步研究，但加强对管道电位的实时监测对保障管道安全运行是必要的。

3　结论

(1) 对于没有阴极保护的埋地管道，在地铁杂散电流干扰下可以选择地铁停止运行一段时间后的管地电位作为近似的管道自腐蚀电位。

(2) 试片断电法测量管道断电电位时，试片材质以及表面状态的选择不当会导致测试结果出现较大偏差，试片的选择和设计有待于进一步的研究。

(3) 对于与地铁并行和交叉的管道，与地铁距离越小，受干扰程度越严重；同时在相同距离情况下，与地铁交叉的管道受干扰程度要比平行位置的

管道严重；与地铁并行和交叉且距离较近的管道是监测和排流的重点选择点。

(4) 铸铁管电导率低，与钢管相比，其抗杂散电流干扰能力更强。

(5) 24 h监测中电位突然出现尖峰可能是由于多条地铁同时启动，瞬间干扰电流突然升高导致的，加强对管道电位的实时监测对于保证管道的安全运行是必要的。

[1]吴祥祖,张庆贺,高卫平. 地铁杂散电流产生机理及其防护措施[J]. 建筑安全,2003(5):28-30.

[2]LINDEMUTH D,CRABTREE D. AC and DC stray current mitigation and corrosion control for a new urban pipeline[C]//Corrosion 2012. Atlanta,TX:NACE,2012.

[3]张丰,齐晓忠,金宏,等. 试片断电法在管道阴极保护中的应用[J]. 油气储运,2013,32(7):760-763.

[4]杨敬杰. 地铁直流干扰影响下管道阴保电位的测试和评价[J]. 腐蚀与防护,2014,35(3):288-291.

[5]CHEN Z G,QIN C K,TANG J X,et al. Experiment research of dynamic stray current interference on buried gas pipeline from urban rail transit[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2013(15):76-81.

[6]CASAS R D R,TURNER R,ROE K. Dynamic stray current interference testing and mitigation design for a 90-inch water main[C]//Corrosion 2009. Atlanta,TX:NACE,2009.

[7]NACE TM 0497-2002Measurement techniques related to criteriafor cathodic protection on undergroundor submerged metallic piping systems[S].

[8]SY/T 0017-2006埋地钢质管道直流排流保护技术标准规定[S].

[9]SY/T 0029-2012埋地钢质检查片应用技术规范[S].

A Detecting Technique of Metro Stray Current Interference on Buried Pipelines

MENG Qing-si, DU Yan-xia, DONG Liang, DAI Shu, XU Hong-fu

(Corrosion and Protection Center, Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

With the rapid development of Shenzhen metro, the leaked stray current into ground leads to corrosion of buried pipelines accelerated. A comprehensive inspection of water pipelines in different areas of Shenzhen under the interference of stray current was conducted, and the corrosion potential was determimed. The effects of materials and surface conditions of samples on the detection results were discussed. And a certain of stray current interference rules on pipelines were obtained. The results show that there is some relationship between the relative position and the degree of metro stray current interference on pipelines. With the decrease of the distance between pipelines and metro, the stray current interference becomes more serious; and in the same distance, the interference degree of the pipelines crossed with metro is higher than that of parallel with metro. At the same time, the ability of anti-interference of different materials is in difference.

metro stray current; water pipeline; corrosion protential; interference rule

10.11973/fsyfh-201605001

2015-03-18

国家自然科学基金(51401017); 中央高校基本科研业务费专项资金(FRF-TP-14-096A2); 深圳水务集团输水管道杂散电流干扰测试及评估项目资助

杜艳霞(1980-),副教授，博士，从事阴极保护的工作,15801429530,duyanxia@ustb.edu.cn

TG172.84

A

1005-748X(2016)05-0355-05