埋地燃气管道杂散电流测试及分析

同济大学机械与能源工程学院 秦朝葵 周 策 陈志光

埋地燃气管道杂散电流测试及分析

同济大学机械与能源工程学院 秦朝葵 周 策 陈志光

直流杂散电流会对燃气管道产生严重腐蚀，所以轨道交通杂散电流对燃气管道产生的腐蚀影响不容忽视。以某轨交站附近的埋地燃气管道为研究对象，分别测量了管道的管地通断电电位以及管道附近的地电位梯度来判断管道的实际保护情况以及受干扰的情况，同时测量轨地电压并根据其与管地电位和地电位梯度的时间同步性判断干扰源为轨交系统。最后给出了行之有效的埋地燃气管道杂散电流腐蚀防护措施及对策，为今后的埋地燃气管道杂散电流防护提供了一定的帮助。

杂散电流 轨道交通 腐蚀防护 干扰判断 燃气管道

0 引言

轨道交通(下简称轨交)与燃气管道是两个重要的城市基础设施，近年来均在快速扩张中。在进行轨道建设和管道铺设时，难免有两者相互伴行以及交叉的现象出现。

城市轨交中所广泛采用的直流牵引供电系统会因机车牵引电流过大等原因产生杂散电流。对于具有完好防腐层的管道，轨交杂散电流对其干扰应该微乎其微甚至没有，但管道防腐层因铺设过程中的不当施工、阴保系统的过保护以及第三方的开挖破坏等不可抗拒因素，总会出现或多或少的漏点，因此轨交系统的运行不可避免地对附近的埋地燃气管道形成不断波动的直流干扰。此时仅采用外加电流或牺牲阳极等传统阴极防护措施无法对燃气管道进行充分的保护。

当埋地管道有防腐层破损时，该处的接地阻抗急剧减小，杂散电流主要由此流出，导致管道腐蚀加剧。因此，杂散电流腐蚀往往集中于管道防腐层有缺陷的部位，容易引起严重的坑蚀，最后导致很快穿孔。

在杂散电流的作用下，会引起结构钢筋、附近建筑物钢筋基础和附近埋地管道产生电解形式的腐蚀，如果防护不及时或者方法不恰当，这些金属结构将会被迅速的腐蚀并呈现深度的穿孔状，严重时还可能发生天然气、石油气管道漏泄，造成灾难性的损失。

本文以某轨交站附近的埋地高压燃气管道为研究对象，对其进行杂散电流测试，然后根据测得数据综合分析来判断管道的保护情况并明确干扰源，从而提出相应防护措施与对策。

1 现场测试

1.1 测试内容

本文研究对象为埋地管道杂散电流，杂散电流由受干扰的管道流出，经附近的土壤流向轨交线路。因此应当同时针对管道、土壤和轨交进行实验测试，根据《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》(GB/T 21246—2007)中的有关规定，本次实验的测试内容也就是：管地电位测试、地电位梯度测试和轨地电压测试。

1.1.1 管地电位

管地电位也就是埋地管道相对地的电位。由于土壤的电位无法直接测得，因此使用埋地参比电极的电位近似代替测试。在对于埋地管道的杂散电流腐蚀检测领域，通常所用到的参比电极为饱和Cu/CuSO4(CSE，下同)，连接示意见图1。

取无干扰时段(轨道交通停运时段)管地电位测试平均值作为管道自然电位，其余时段测试结果与管道自然电位进行对比，求得干扰状态下管地电位平均正向偏移进行判定。

图1 管地电位测试示意

只有将参比电极置于管道防腐层缺陷处，测得的管地电位才真实反映管道的保护状态。在实际工程实践中，由于管道测试桩和外加电流系统统一设置，牺牲阳极或外加电流与管道之间的断电过程很难操作，并且断电会对管道的保护效果造成一定影响。为最大程度降低土壤中 IR降的影响，故使用试片断电法进行代替，测得的就是管道的断电电位，其更接近于管道的真实保护电位。将与管道具有相同材质和性质的钢质材料做成极化试片(试片见图2)，用导线将其与管道或阀门井连接，埋入土壤中充分极化使其达到与管道相同的极化电位。极化完全后只需将试片与管道之间的连接断开即可断电，而管道本身还是处于阴极保护系统中，不受该过程影响。本次测试采用12s通3s断的时间规律来断开和闭合试片与管道之间的连接，分别测得断电电位和通电电位。通断电电位的区别将在下文进行讨论。

图2 极化试片

1.1.2 地电位梯度

地电位梯度指土壤中因电流流动所形成的电势差，可通过双参比电极法测试。沿管线方向和管线垂直方向布置两组参比电极，通过两组参比电极电位差矢量和求得地电位梯度，方法示于图3。

图3 土壤电位梯度测试示意

图中，a、b、c、d是四个CSE参比电极，其中ac与bd的距离相等，且垂直对称布设，ac垂直于管道 bd平行于管道。通过对两组参比电极的电位差进行矢量相加来求得地电位梯度。

1.1.3 轨地电压

轨地电压为轨道对地的电位。它是影响金属结构对地电位和杂散电流产生的主要因素。轨地电压测试对分析杂散电流源头及杂散电流的变化有直接帮助，此外通过对轨地电压与管地电位变化对应性进行分析，可进行干扰源的确定。测试过程中通过地铁系统钢轨电位限位器，对地铁钢轨对接地扁钢电位进行测试，方法示于图 4。为了便于分析研究干扰源侧的情况，本文还辅助测试了接地扁钢对地电位。

图4 轨地电压测试示意

1.2 测试布置与设备

测试现场为距某条轨交车站100 m的2.5 MPa天然气管道测试桩处，该管道采用加强级3PE防腐层并结合外加电流保护法。按照AS 2832.1—2004中的要求，测试时间需涵盖轨交运营高峰时间段及运营结束。测试时间为2016年2月27日下午至夜间列车运行结束后半小时，有效数据时段18:00～00:19。

测点处共布置参比电极7支，其中3支用于管地电位测试(P1、P2、P3)。使用试片断电法测量管道的通断电电位。在管道东北侧布置4支参比电极A、B、C、D，测量地电位梯度。参比电极埋深均为20cm。实验测试数据采集频率2Hz。监测系统由参比电极、测试模块、PC机、连接导线组成，测试模块基本参数：16位有效分辨率；输入范围±10 V；精度±0.1% ；分辨率1 mV。采用自行设计的基于虚拟仪器的自动监测系统，可进行杂散电流实时显示及自动存储。

按照《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》(SY/T 0017—2006)要求，通过布设导线，利用轨交站内部的轨道电位限位器(NK11)和接地扁钢测量了轨地电压。其目的在于通过轨地电压和管地电位的时间关联性，明确轨交系统对燃气管道的影响。实验测试数据采集频率2 Hz，连接安捷伦多用仪表进行测量。

测试现场的布置情况见图5。

图5 测试现场布置

2 测试数据及分析

2.1 管地电位数据

同时间段内的 P1处管地通断电电位对比见图6。通电电位的波动幅度相较于断电电位更大，下图中通电电位在-1.8～-0.2 V之间剧烈波动，而断电电位则仅在-1.4～-0.4 V之间轻微波动，基本稳定在-0.8V左右。测试数据表明，在讨论管道的真实保护情况以及评价管道的受干扰情况时，需要采取不同的数据。在讨论管道的真实保护情况时，应使用更接近管道的真实保护电位的断电电位；而在评价管道受干扰情况时，则应使用波动更为明显的通电电位。

图6 同一时刻管地通断电电位对比图

2.1.1 断电电位

机车运行时，断电电位不断波动，平均值分别为-0.824 V、-0.832 V和-0.812 V，正于《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》(GB/T 19285—2014)中要求的-0.85 V，正于-0.85 V的情况屡有发生，管道存在较大腐蚀风险，管道的阴保系统防护不足。

机车停运后，管地电位趋于平稳，断电电位稳定在-0.865 V左右，可认为此电位即为管道的自然电位。管道的断电电位在地铁停运后仍负于国家标准中要求的-0.850 V，在无地铁运行情况下本管道的阴极保护系统保护状况良好。

选取23:50～00:19测得数据的平均值为背景值，分析相对机车停运后的背景电位的偏移情况。机车运行时，管地电位正偏的几率分别为80.5%、89.6%和86.1%，出现正偏的概率极高，具有极大的腐蚀风险。P1处的机车运行时段和停运后的断电电位对比见图7。在机车停运后，通电电位趋于稳定。

图7 机车运行时段和停运后断电电位对比

通电电位瞬时最大值为-0.254 V，相对于背景自然电位平均正向偏移分别为94、118和152 mV，接近或大于《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》(CJJ 95—2013)中规定的100 mV，因此可确定在此处存在较为严重的杂散电流干扰。

通过机车运行时与停运后管地电位的巨大变化以及运行时通电电位相对于自然电位的正向偏移，可判断所测燃气管道受到强烈的杂散电流干扰，且杂散电流的产生与机车运行有着直接关系。

2.1.2 通电电位

同样，管道的通电电位有着和断电电位类似的变化规律。机车运行时，通电电位波动十分剧烈，

2.2 地电位梯度

地电位梯度同样随地铁运行频繁波动，且远大于0.5 mV/m，存在强烈的杂散电流干扰；其中垂直管道方向的电位梯度甚至在-37.4～32.2 mV/m之间剧烈波动，而平行管道方向的波动范围较小，基本在-10～10 mV/m之间波动。

在轨道交通系统运行结束后电位梯度值趋于平稳。垂直管道方向地电位梯度仅为0.461 mV/m，小于国家标准中的规定，可以认为无杂散电流干扰。而平行管道方向电位梯度为1.693 mV/m，此方向有直流干扰，但由于其方向为由C流向D，背离轨道交通系统且此时机车已经停运，因此可断定此处另有干扰源。机车运行时段和停运后的地电位梯度对比见图 8。但综合停运后的平稳电位梯度进行分析，则相对于其他可能存在的干扰源，轨道交通系统对燃气管道有着更为明显的影响效果。

图8 机车运行时段和停运后地电位梯度对比

地电位梯度的方向代表着土壤中电流的流向，而土壤中电流的流向无疑与机车的运行、取流情况紧密相关。机车不同取流情况的交替变化使得电位梯度不断波动，但无论梯度方向如何均会对管道造成干扰。因此本文通过分别计算地电位梯度的各流向平均值，进一步讨论轨交系统对燃气管道的干扰影响。各流向的地电位梯度平均值见表1。

表1 各流向地电位梯度平均值

从表1可知，各流向电位梯度均大于0.5 mV/m，有强烈杂散电流干扰；垂直管道方向的梯度远大于2.5 mV/m，此情况下受杂散电流干扰的管道除自身阴保系统外，还需添加额外防腐措施来配合保护。

2.3 轨地电压及其时间同步性

在站台变电站内部，利用轨道电位限位器(NK11)内的接地母排及接地扁钢测试桩，进行了车站内部轨道的轨地电压测试。测试结果如图9所示。

图9 轨地电压数据

轨地电压变化与管地电位变化基本相反，大多数管地电位正偏均能找到对应时刻的轨地电压较负值，只是管地电位的波动幅度小得多。充分说明了轨交系统对燃气管道产生了强烈的干扰。

当轨地电压为正时，电流从轨道流向土壤，土壤中电流从B流向A，也就是从轨道流向管道；相反，则电流从土壤流向轨道，管地电位较正，土壤中电流从A流向B，也就是从管道流向轨道。二者的变化趋势基本保持一致，几乎完全同步，轨地电压的变化直接导致了地电位梯度的不断波动，甚至可推断在垂直管道方向仅有轨交系统对电位梯度产生较大影响。

两者的时间同步性对比，见图10。

图10 轨地电压与管地电位时间同步性对比

3 轨交杂散电流防护措施及对策

从技术角度，埋地燃气管道的杂散电流防护措施包括主动避免和被动防护两个方面。主动避免的方法有避开干扰源、更换钢质管道为聚乙烯管道、设置绝缘接头、增大接地电阻等，适用于管道安装埋地施工前期。而被动防护的方法有排流保护、牺牲阳极保护、外加阴极保护电流等。具体的常规措施有：

(1)避开干扰源，管道布线时选择合理的走向，杂散电流干扰源；

(2)更换钢质管道为聚乙烯管道，使用在欧美普遍使用的PE管道可以有效避免杂散电流腐蚀；

(3)设置绝缘接头，采用绝缘法兰隔离有阴极保护的管段和无阴极保护的管段；

(4)增大接地电阻，根据杂散电流腐蚀的电路模型，增大管地间电阻或增大阴阳极的有效边界电阻是减小杂散电流行之有效的方法之一；

(5)阴极保护法，阴极保护有两种方法，即外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法，其原理相同。

本文研究的管道采用加强级 3PE防腐层并结合外加电流保护法，但仍出现了目前保护情况不佳的现象。对于已建成的管道主动避免的措施已不可取，而在使用阴极保护法仍出现腐蚀风险时，应当考虑采取排流等手段。人为使轨交系统杂散电流直接流回干扰源中或排放到大地中的防护方法称为排流法，根据排流接线回路的不同分为直接排流、极性排流、强制排流和接地排流四种。排流是对管道阴极防护系统的重要补充，也将是今后燃气管道杂散电流防护领域的一个重要研究方向。

4 结语

本文对某轨交站附近的杂散电流进行测试并分析现场测试结果。分别测量了管道的通断电电位、管道附近的地电位梯度以及轨地电压。三组数据均在机车运行时不断波动，停运后趋于平稳。管道的通电电位波动十分剧烈，受到严重干扰，断电电位不满足国家标准中的相关规定，存在腐蚀风险。机车运行期间管道附近的地电位梯度波动频繁，梯度值甚至超过了2.5 mV/m，根据国家标准规定，管道不仅存在腐蚀风险，甚至还需额外的防护措施。管地电位、地电位梯度变化均与轨地电压具有时间同步性，充分说明轨交系统对管道的干扰。

在讨论管道的真实保护情况时，应使用更接近管道的真实保护电位的断电电位；而在评价管道受干扰情况时，则应使用波动更为明显的通电电位。

对于有防腐层且已施加阴极防护的管道，若其在受到严重直流杂散电流干扰，仍需要额外的防护措施时，可考虑对管道进行排流保护。排流是对管道阴极防护系统的重要补充，也将是今后燃气管道杂散电流防护领域的一个重要研究方向。

Measurement and Analysis of Stray Current near Buried Gas Pipeline

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering Qin Chaokui Zhou Ce Chen Zhiguang

Stray current has profound influence on electric field of gas pipeline and the nearby soil. In this paper, field tests have been done in a station of Shanghai metro including on/off pipe-to-soil potential, soil potential gradient to estimate the protection and affected condition of pipeline. Rail-to-soil potential has also been tested to investigate the stray current interference from rail transit upon near buried gas pipeline based on the synchronism. Finally,effective protective measures against straycurrent corrosion are introduced.

stray current (SC) , rail transit, corrosion protection, interference estimation, gaspipeline