轨交杂散电流干扰区燃气管道内套管防腐系统优化

同济大学机械与能源工程学院 林骁隽 秦朝葵 吴意彬

在目前的城镇燃气管网系统中，多采用牺牲阳极的方法作为管道阴极保护，通过多年来的运行发现，阴极保护系统在套管段会受到不同程度的干扰，这种干扰会使管道的受保护状态变得不确定。当套管段位于存在轨交杂散电流干扰处时，这种不确定性会加大，使得管道的阴极保护系统几乎失效，从而加大管道的腐蚀风险。由于套管的使用在燃气管道工程中是不可避免的，因此对套管段燃气管道的阴极保护系统进行有效的监测以及优化防腐设计尤为重要。此外，只有掌握了有效的阴极保护系统数据，才能对管道受保护程度以及运行寿命做出可靠的判断，以确保管道运行的安全。

1 套管使用的必要性

在国内城镇燃气工程中，套管的应用非常广泛，通过对各管道运营企业的调研发现长久以来对使用套管的原因如下：

(1)运营维护的需要。对于某些管道投运后不便于再度开挖进行维护的地方，设置套管可以在将来需要更换芯管时通过在两端条件允许处开挖，将芯管抽出并替换；

(2)保留管位的需要。当管道建设程序滞后于道路建设程序时，为保留管位，避免建设工程造成路面反复开挖影响市容，一般会预留套管，待管道具备施工条件时在其内部穿管即可；

(3)相关法律、法规及规范的规定。CJJ/T 250－2016《城镇燃气管道穿跨越工程技术规程》第4.1.2条提出：“燃气管道穿越铁路、高速公路时，应加设套管”；GB 50423－2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第7.1.3条提出：“穿越铁路或二级及以上公路时，应采用顶进套管、顶进箱涵或水平定向钻穿越方式”。诸如此类的规定，使燃气管道工程中存在许多设置套管的情况。

为避免套管在使用过程中发生腐蚀，从而丧失套管的功能作用，需要对其采取阴极保护措施。对已建成的套管段，尚无成熟的办法。据美国腐蚀工程师协会访华团介绍，美国的现行做法是加厚管壁(壁厚=10～16 mm)而不设计套管。美国采用套管内填充密封性材料(如石蜡等)的方法，利用这些材料隔离腐蚀介质，以减缓腐蚀速度。典型的穿越套管见图 1，图中包括放散管、端面密封和绝缘支架，其中测试桩仅需设置在便于检修的一端。

使用套管后，套管内部穿越段主管道与套管之间可能存在多种情况，如部分充满电解质(水)、全部充满电解质(水或土壤)、电气绝缘、电气短路等。不同情况下的套管与管芯，如图2所示。其中情况(a)中套管与芯管之间隔离，环形空间内干燥或水面很低，没有阴极保护电流到达芯管表面；情况(b)中套管与芯管之间短路，同样没有阴极保护电流到达芯管表面；情况(c)中套管与芯管之间隔离，环形空间部分充满电解质，与电解质接触的防腐层缺陷可能接受到阴极保护电流；情况(d)中套管与芯管之间短路，环形空间部分充满电解质，芯管上的防腐层缺陷不能接受阴极保护电流；情况(e)中套管与芯管之间隔离，环形空间充满了电解质，所有的防腐层缺陷都能接受到阴极保护电流(未屏蔽状态下)；情况(f)中套管与芯管之间短路，环形空间内充满电解质，防腐层缺陷处接受不到阴极保护电流。可以发现无论在何种情况下，均不能保证芯管处于有效的阴极保护状态。

图1 美国套管安装的标准做法

图2 套管与芯管之间各种情况示意

2 常规的阴极保护系统监测方法

常规的阴极保护系统监测，主要目的是通过测试桩处测得管道的阴极保护电位，判断管道的受保护情况。通过多年的运行成果及研究，目前已逐步使用断电电位测试法替代通电电位测试法，以消除IR降对测试结果的影响。此外，将块状镁阳极通过测试桩与管道连接，从而避免早期镁阳极直接与管道连接可能带来的保护电流倒流以及不便于控制等弊端。常规测试桩、镁牺牲阳极、测试片布置，如图3所示。

图3 常规阴极保护系统监测安装示意

常规的阴极保护系统监测方法无法满足处于轨交杂散电流干扰区域内的套管段燃气管道的复杂情况，如前所述，加设套管后，套管与芯管之间各种不同的情况往往会使管道阴极保护失效，或监测数据无法反应真实保护状况等。针对这种复杂的情况，需要对管道防腐系统及阴极保护监测系统做出有效的完善措施。

3 现场测试实例

本次测试的管道位于共和新路南北高架下，穿越电气化铁路和轨交3、4号线。其中套管直径1 m；套管是否有外防腐层、套管与芯管之间的固定结构与填充物如何均不详；芯管为3PE防腐层；穿越段位于城际铁路末端调头区域即轨交线路正下方约 5 m处；为便于施工组织与管理，在南、北侧各设置一个钢筋混凝土阀井，较大的南侧阀井位于工务所的杂物堆放仓库，较小的北侧阀井位于铁路围墙的外侧道路。

针对同时受到轨交杂散电流和套管对管道自身阴极保护系统双重干扰的管道，常规的管道防腐设计及阴极保护系统监测方法无法满足管道运行的要求，故拟采取下列措施使得管道的防腐效果及阴极保护监测工作更为有效与可靠。

3.1 使用新型防腐涂层

对套管内的芯管采用一种新型防腐层材料-环氧双组分涂料。常规使用的3PE防腐层长期处于积水中可能出现剥落、短路等情况。新型的环氧双组分涂料通过车间预制，于现场进行接头喷砂、涂覆，能在水中能保持良好完整性。

3.2 芯管及套管的牺牲阳极设置

GB 50423－2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第7.1.4条提出：“采用套管穿越公路的管段，对管道阴极保护形成屏蔽作用时，应增加牺牲阳极保护”，本次优化措施为在套管内的芯管外部缠绕带状锌阳极。在套管外两侧各埋设一组块状镁阳极，主要用于保护套管，同时埋设两组试片和两组参比电极。

3.3 加设绝缘接头

GB/T 21448－2017《埋地钢制管道阴极保护技术规范》第4.2.1.1节提出：“阴极保护管道在杂散电流干扰影响区可安装电绝缘装置分段隔离”。故本次优化措施在受干扰管道两侧各布置一个绝缘接头，避免主管道受到的干扰向外部管道的扩散。绝缘接头与主管道焊接前后，使用万用表测量其阻值，以确保焊接过程中温度控制合理，未导致绝缘接头的阻值下降。为避免地下水位升高造成绝缘接头性能下降，将绝缘接头布置在较高位置处。通过分别测试芯管导通和断开的两种情况，可以验证绝缘接头对杂散电流干扰段管道是否起到保护作用。

此外，考虑到绝缘接头两边存在较多的接线点，且常规铝热焊施工工艺存在下列缺陷：增加了管道防腐层漏点的风险；高温施工时绝缘接头的绝缘性能存在失效风险。因此推荐使用一种在工厂内预制的，两侧带接线柱的绝缘接头，同时由于采用了方便现场施工喷涂的新型防腐层材料对绝缘接头进行外防腐，本措施较常规的绝缘接头优势在于：

(1)工厂预制件，接线柱的防腐质量明显优于现场铝热焊；

(2)采用新型防腐层材料可现场喷涂施工，质量优于常用于3PE管道上的铝热焊工艺；

(3)绝缘接头与两侧采用常规 3PE防腐层管道的焊接补口便于处理。

3.4 液位与泄漏报警及无线远传系统

为监测套管与芯管之间的空间介质情况，在套管内壁安装具备无线远传功能的报警系统，该系统可探测甲烷浓度和液位高度，并将出现的水位超高、管道泄漏等信息通过无线远传系统及时发送到指定的手机终端，增强时效性的同时也达到了减少人工巡线造成的繁琐工作量的目的。

3.5 优化套管段阴极保护监测仪表系统的优化

为实现管道检测的自动化，设计了比较复杂的现场检测系统，记录芯管-地、套管-地等电位数据，以及绝缘接头跨接情况下的电流、镁阳极的保护电流、锌阳极的保护电流等电流数据。接线板连接方案见图 4，套管另一侧的测点及编号一致。单侧的测试系统及管道布置，如图5所示。

图4 接线板连接方案

图5 测试系统及管道布置

为了便于整个测试系统的远程控制和数据采集，测试接线全汇集到测试箱中。南北两侧的测试接线数目均为15个，分别是2个牺牲阳极、2个试片、2个参比电极、1个套管接线、5个芯管接线、1个锌带接线和2个预留接线。

上述所有接线点汇集到定制的测试箱里，通过测试仪器和设备检测管地电位和管中电流等数据，接线箱共两个，分别位于套管两侧便于安装的墙上。

4 测试结果分析

4.1 绝缘接头的效果

为检验采取上述措施后是否能降低杂散电流对管道阴极保护的影响，对某处受到轨交杂散电流干扰的套管段燃气管道进行了绝缘接头两侧断开和连通两种工况的测试。

测试 1：绝缘接头两侧断开；测试 2：绝缘接头两侧连通。三个测试时间段分别为 8:00～8:30，12:00～12:30，14:00～14:30。

为判断芯管绝缘接头通断对管道管地电位的影响，统计测试1和测试2的结果见表1。

表1 绝缘接头通断情况下管道管地电位的测试结果

从表1中的数据可知，相同条件下，测试1(绝缘接头两侧断开)时管地电位负值更大，说明此时管道阴极保护的保护状态比绝缘接头导通时要好。

4.2 牺牲阳极对芯管及套管的保护作用

金属的标准电极电位镁为－2.38 V，锌为－0.76 V，铁为－0.44 V。镁与铁的电位差为1.94 V，锌与铁的电位差为0.32 V，镁与锌的电位差为1.62 V。对于已安装锌带的芯管，与附近埋设的镁阳极的电位更高。因此，镁阳极的通/断不仅是常规意义上的阴极保护系统工作与否，更可以像是个外部电源改变管道内的电流流动方向。

本次电流测试采用了以下三种组合方式：

(1)在南北两侧绝缘接头全部断开、套管也断开的情况下，穿越段的套管、内管分别连接镁阳极；

(2)在南北两侧绝缘接头全部断开、套管也断开的情况下，非穿越段的内管连接镁阳极；

(3)在南北两侧绝缘接头全部导通、套管也导通的情况下，穿越段的内管连接镁阳极。

通过将镁阳极与芯管接通后分别对套管与芯管管地电位进行测试，与芯管和套管均未连接牺牲阳极的情况对比，发现对于芯管而言，镁阳极总是输出电流，管道能到得到较好的保护；对套管而言，当与芯管之间存在积水或者其他某种形式的短路时，套管的平均电位明显比未连接牺牲阳极时负值更大，说明镁阳极在保护芯管的同时也保护了套管。

无论哪种情况，锌带电流始终为正，电流流向为由锌带流入芯管管道，说明锌带并未对管道起到保护作用。但同时，锌带存在另外两个方面的作用：一是其作用相当于一根铜线，维持电流的完整回路，正常情况下，电流通过锌带释放、在防腐层缺陷处返回管道；二是在套管与芯管之间充满水的情况下，芯管-水-锌带形成了一个新的保护电流回路，对管道产生保护作用。

通过测试，无论是与套管连接的镁阳极还是与芯管连接的锌阳极都能够起到一定的保护作用，因此相关设置都是有必要的。

5 结语

通过现场测试验证了以下两个方面的优化措施能够有效提高套管段燃气管道抵抗轨交杂散电流干扰的能力：

(1)受轨交杂散电流干扰的套管段燃气管道两端应使用新型防腐涂层，芯管及套管分别设置牺牲阳极、加设工厂预制绝缘接头以及无线远传系统等措施来提高管道系统自身的防腐水平。

(2)采用本文所述的阴极保护监测仪表与系统，较常规的阴极保护系统监测方法，能够更有效地测得芯管-地电位、套管-地电位、及绝缘接头跨接情况下的电流、埋地牺牲阳极的保护电流、缠绕锌阳极的输出电流等数据，从而对同时处于套管段和轨交杂散电流干扰区域管道的运行情况能够有更全面可靠的掌握。

综上所述，通过加强处于轨交杂散电流干扰的套管段燃气管道的自身防腐及优化阴极保护监测仪表与系统的方法，可大大提高轨交附近燃气管道的安全性。