地铁杂散电流对埋地管道的干扰规律

,,, ,正雄

(1. 北京科技大学 新材料技术研究院,北京 100083; 2. 中国石油西南油气田分公司 重庆气矿,重庆 400000)

自2011年起，中国各地城市地铁项目大幅增加，地铁进入大规模建设时期。截至2016年12月31日，全国开通运营轨道交通线路的城市共31个(内地28个、港台地区3个)，运营线路总长达3 934.8 km，累计开通运营线路127条，运营车站2 627座[1-2]。虽然地铁给城市交通带来了极大的便利，但是由地铁运行产生的杂散电流对埋地管道等金属结构物造成了较大的干扰，带来了腐蚀危害。有资料显示，北京地铁第一期工程投入运营数年后，其主体结构钢筋发现严重腐蚀，隧道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段就更换了穿孔水管54处[3]。上海地铁二号线世纪大道区段的埋地钢管发生了近十次腐蚀泄漏事故，造成的直接或间接损失高达200万元[4]。武汉地铁在1999年开通之后，中压管网的腐蚀抢修量激增，且一直处于高发状态[5]。广州白云机场地铁自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，管道安全受到极大的威胁[6]。美国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国也存在地铁杂散电流干扰问题[7-11]。因此，如何认识地铁杂散电流干扰规律和腐蚀风险，并进行有效防护已成为了实际生产的迫切需求。

地铁一般采用直流供电系统，钢轨作为回流通路，由于钢轨对地电阻不能无穷大，泄漏到土壤中的杂散电流会在附近的埋地管道上流入、流出，造成管地电位的变化；另外由于列车的运动，导致管道上杂散电流的流入、流出位置不断改变，造成动态杂散电流，遭受地铁杂散电流干扰的管道上管地电位呈现波动特征，这种动态波动给管道的服役性能测试与评估带来了困难。为了捕捉地铁动态杂散电流的波动特征，国内外研究者尝试对地铁杂散电流进行监测。如李振芳等[12]研制的分布式集中监控系统，在深圳地铁4号线上试运行，实现了结构钢极化电位偏移量和钢轨电位的实时监测。李言涛等[13]利用长效Cu/CuSO4参比电极探头对川西气田黄金管道以及新青管道进行极化电位以及自然腐蚀电位的测量，用极化电位在同一采集周期的平均值，正负向平均值和偏移量等参数进行杂散电流趋势分析，初步估计了杂散电流对两条管线的腐蚀影响。陈志光等[14]使用在线自动杂散电流监测系统监测广州地铁1号线、上海明珠线、大连轻轨3号线，测试了管地电位，地电位梯度以及部分管段内的电流，指出了管道存在杂散电流干扰腐蚀风险的位置。马晓华[15]对上海虹桥机场航油管道部分测试点进行了24 h通断电电位的采集，并根据测试数据判断了管道遭受的杂散电流干扰程度。由上可见，连续监测干扰参数已经成为地铁动态杂散电流干扰测试与评估的一种重要方法，尽管目前国内多家单位开展了地铁动态杂散电流干扰参数的监测，但大多仅对特定测试位置的参数进行了分析，缺乏不同位置动态干扰参数的统计分析与对比，对埋地管道不同位置受地铁杂散电流干扰的规律缺乏系统认识。为了给实际生产中地铁杂散电流的认识和评估提供更多指导，本工作在某遭受地铁杂散电流干扰的实际管线上开展了不同位置动态干扰参数的连续监测，并基于多点的监测数据进行了系统的规律分析，探讨了埋地管道遭受地铁杂散电流干扰的影响因素和变化规律，并分析了埋地管道上地铁杂散电流的流入、流出规律。

1 现场测试与分析方法

本次测试的管道全长约123.7 km，管径为φ813 mm，管道采用L485钢制成，防腐蚀涂层为3PE防腐蚀层。管道与地铁线的相对位置见图1。管道距离地铁最近的测试桩为15号测试桩，约为6 km。

图1 管线与地铁线路的相对位置Fig. 1 Relative position of pipeline and subway line

由图1可见；测试点在整条管线上平均分布，共计24个。根据GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》，当管道与埋设的极化试片充分极化后，采用UDL-2型数据记录仪对埋地管道各测试点的通电电位、试片断电电位以及电流密度进行了长时间的同步连续监测。本工作涉及的电位均相对于饱和硫酸铜参比电极(CSE)。

获得埋地管道上不同位置的地铁杂散电流干扰参数后，分析了时间、埋地管道与地铁线路相对位置、管道阀室接地等因素对干扰的影响规律，并对不同位置的同步监测参数进行了分析，探索了管道上不同位置杂散电流的流入、流出关系。

2 结果与讨论

2.1 地铁杂散电流干扰典型的时间特征性

由图2可见：白天管道通电电位波动强烈，而夜间则波动较小。经查找相关资料，该管线所在地区地铁运行时段首班车发车时间为6∶30，末班车收车时间为23∶50，发车间隔6 min。图2中，通电电位的波动在6∶30-23∶50较强，而在23∶50-6∶30则较弱，与地铁早晚收发车时间一致，这表明该管线的通电电位受到地铁杂散电流的干扰。由图3可见：每隔6 min，通电电位呈现较大的干扰峰值，与发车间隔相吻合。

图2 6号测试桩测得管道的通电电位Fig. 2 On potential of pipeline at No. 6 test pile

图3 图2中方框处的局部放大图Fig. 3 Localized enlarged view at the box position of Fig. 2

2.2 距离对电位波动的影响

由表1和图4可见：测试桩的电位波动幅度随与地铁站距离的增大呈减小趋势，说明管道所受地铁杂散电流干扰随着与地铁站距离的增大而减小。

2.3 阀室接地对电位波动的影响

对管线上阀室的绝缘性能进行检测，发现X阀室处(21号测试桩)阀室接地系统和埋地管线存在搭接，为了考察搭接对地铁杂散电流干扰的影响，对比了X阀室处(21号测试桩)以及相距1 km的20号测试桩处的管道通电电位和试片断电电位。由表2及图5可见： X阀室处管道通电电位波的幅度明显小于20号测试桩处的，且X阀室处管道通电电位平均值及试片断电电位均正于20号测试桩处的。

由图6可见：21号测试桩处的通电电位波动幅度明显小于其他测试桩处的，说明X阀室接地系统与管道的搭接减小了通电电位的波动幅度，同时拉正了通电电位。其主要原因为， 阀室接地与管线搭接时，接地系统因较大的裸露面积及较低的接地电阻而充当了排流地床，会使地铁杂散电流更多通过接地系统流入、流出管道，管道上的流入、流出杂散电流减少，从而使管道通电电位波动幅度明显减小；同时由于接地和管道的搭接，导致阴保电流也会漏失在接地材料上，管道获得的阴保电流小于在其他位置处的，故而阀室接地附近管道的阴极保护电位要正于其他位置的。尽管阀室接地与管线搭接时，附近的管道通电电位波动幅度减小，但很有可能通过接地从该处流入或流出较多的杂散电流，而导致其他位置管道上相应流出、流入的杂散电流量增加，进而可能增大其他管段的干扰风险。

表1 1～15号测试桩的管道通电电位及测试桩与地铁站的距离Tab. 1 On potential of the pipeline at 1-15 test piles and distance between test point and subway station

图4 与地铁站距离-电位波动曲线Fig. 4 Distance from subway station-potential fluctuation curve

测试桩通电电位/V试片断电电位/V最大值最小值平均值最大值最小值平均值通电电位波动/V21号-0.66-1.33-1.02-0.85-1.06-0.970.6720号-0.43-2.28-1.41-0.95-1.21-1.141.85

(a) X阀室处

(b) 20号测试桩图5 X阀室处和20号测试点处的管道电位Fig. 5 Pipe potentials at X valve chamber (a) and 20#test point (b)

图6 16-24号测试桩处的通电电位Fig. 6 On potential fluctuation at No. 16-24 test piles

2.4 管段上杂散电流流入、流出的规律

管道电位的正、负向偏移意味着杂散电流的流出、流入，通过对埋地管道上多个位置干扰参数的同步测试数据进行分析对比，研究了同一管段上的杂散电流流入、流出相对位置关系及变化规律。

由图7可见：针对在15号测试桩上游的管段，在a、c两个时段，12和14号测试桩处测得的管道通电电位较正，说明此时该位置是杂散电流的流出点，而4，5，8号测试桩处测得的管道通电电位较负，说明此时该位置是杂散电流的流入点；在b时段，12和14号测试桩处测得的管道通电电位较负，说明此时该位置是杂散电流的流入点，而4，5，8号测试桩处测得的管道通电电位较正，此时该位置是杂散电流的流出点。4，5，8号测试桩处管段和12和14号测试桩管段的电位变化趋势相反，对应杂散电流的流入与流出，说明这两段管段互为地铁杂散电流的流入、流出位置。

(a) 电位

(b) 局部放大图图7 15号测试桩上游部分测试桩处管道通电电位检测结果及其局部放大图Fig. 7 Test results (a) and enlarged view (b) of on potential of pipeline at the test part upstream of test pile No. 15

(a) 电位

(b) 局部放大图图8 15号测试桩及其下游部分测试桩处管道通电电位检测结果及其局部放大图Fig. 8 Test results (a) and enlarged view (b) of on potential of pipeline at test pile No. 15 and the test part downstream of test pile No. 15

由图8可见：在a时段，15号测试桩处测得的管道通电电位较正，说明此时该点为杂散电流的流出点，而18,19,23号测试桩处测得的管道通电电位较负，此时该点为杂散电流的流入点；在b时段，15号测试桩处测得的管道通电电位较负，说明此时该点为杂散电流的流入点，而18,19,23号测试桩处测得的管道通电电位较正，说明此时该点为杂散电流的流出点。15号测试桩处管段与18，19，23号测试桩处管段的电位变化趋势相反，即杂散电流流入、流出规律相反。

本试验管道的杂散电流流入、流出规律为：以12,14，15号测试桩处管段为分界，在同一时刻，上下游两端管段电位波动变化趋势与之互为相反，若12,14，15号测试桩处管段为杂散电流的流入点，则上下游两端管段则为杂散电流的流出点；同样，若12,14，15号测试桩处管段为杂散电流的流出点，则上下游两端管段则为杂散电流的流入点，具体的杂散电流流入流出示意图如图9所示。

图9 管道流入流出杂散电流示意Fig. 9 The inflow and outflow of stray current in the pipeline

为了研究距离地铁较近区段是否有更高的腐蚀风险，测试了15号测试桩上游部分管段通电电位，并对相关数据进行了分析，结果见表3，其中偏移基准线是在夜间(1∶00-5∶00)无地铁干扰下测得的电位平均值。由表3可见：针对上游管段，距离地铁较近的区域(12，14号测试桩处)的正向偏移时间比例大于远离地铁区域(4，5，8号测试桩处)的，且随着距离减小，偏移的时间比例逐渐增加，正向偏移的平均值也逐渐正移。这表明距离地铁站较近的区域，杂散电流引起的电位正向偏移量大，正向偏移累计时间长，其腐蚀风险大于远离地铁区域的。

表3 15号测试桩上游部分管道的通电电位测量结果Tab. 3 On potential measurement results of the upstream part of the test pile No. 15

3 结论

(1) 地铁动态杂散电流干扰参数具有与地铁运行时间相对应的典型时间特征，具体表现为在夜间至凌晨地铁停运的时间段，管道通电电位基本无波动，而在日间地铁运行时间段管道通电电位波动剧烈，同时波动周期与地铁发车频次有一定相关性。

(2) 地铁杂散电流干扰的强度随着管道至地铁线路相对距离的减小而增大，距离地铁站较近的管段具有更高的腐蚀风险。

(3) 当阀室接地与管道存在搭接或短接时，附近的管地电位波动幅度明显减小，与管道短接的接地充当了排流地床，降低了受干扰管道的干扰幅度，但同时因为阴保电流流失，也会使该处管地电位整体正向偏移。

(4) 受地铁杂散电流干扰的管道不同位置之间互为流入、流出位置，同一位置杂散电流的流入、流出特性随时间变化。