地铁杂散电流对成品油管道牺牲阳极的影响及防护措施*

(中国石化销售股份有限公司华东分公司，上海 200050)

随着国内城镇建设的快速发展，城市轨道交通建设尤其是地铁建设出现快速发展的局面。由于地铁动力系统采用的是直流供电牵引模式，地铁投入运行之后产生的杂散电流对周围埋地钢质管线的影响也日趋严重，给管道的安全运行带来风险。在深圳、佛山、上海等地，由于受地铁杂散电流的影响，地铁附近管道阴极保护电位数据出现异常变化，有些区域的管道曾发生严重腐蚀[1-5]。

在以往地铁杂散电流对埋地管道干扰的研究中，已经发现地铁的杂散电流方向不断变化：在地铁加速运行时，附近的埋地管道电位相对于地铁轨道电位为负，杂散电流从地铁走行铁轨流出，经过土壤流入管道；在地铁减速运行时，附近的埋地管道电位相对于地铁走行铁轨电位为正，杂散电流从管道流出，经过土壤流入地铁轨道[6]。牺牲阳极是缓解埋地管道地铁杂散电流干扰的一种常用措施。

当地铁杂散电流从牺牲阳极流出时，阳极溶解加速，寿命减少；而当杂散电流流入牺牲阳极时，阳极表面发生极化反应而导致阳极出现极性逆转，牺牲阳极的电流效率下降，甚至可能加速管道的腐蚀。由于地铁杂散电流的这一双向特性，在对埋地管道采取牺牲阳极排流缓解措施时，通常采用极性排流器连接到阳极上,以避免杂散电流从地铁轨道通过牺牲阳极流入管道[7]。有必要研究在地铁干扰环境下极性排流器的采用对牺牲阳极排流效果的具体影响。

对中石化华东地区受地铁杂散电流影响管段的干扰情况进行了测量和评价，探讨在地铁杂散电流干扰环境下极性排流器的采用对牺牲阳极排流作用的影响。

1 研究对象和测试方法

该次研究的中石化华东地区受地铁杂散电流影响管段，位于5084号测试桩至5121号测试桩之间，全长约10 km。管道的直埋段防腐层采用加强级熔结环氧粉末，穿越段防腐层采用3PE。管道在5106号测试桩附近与当地地铁2号线交叉。在所测量的管段范围内，共埋设有5处浅埋式牺牲Mg阳极。

在浅埋式Mg阳极与排流桩之间接入极性排流器，并且在牺牲阳极或牺牲阳极+极性排流器与排流桩之间串联数据记录仪测量牺牲阳极的排流电流数值，其连接方法见图1，数据采集频率为1个数据/s。

图1 牺牲阳极排流电流测量接线示意

采用试片法对埋设牺牲阳极前后所研究管段的测试桩通断电电位数据进行了采集。在通断电电位测试时接线电路见图2。在埋地钢质油品管道测试桩上用导线接入带有信号断路器的数据记录仪，数据记录仪的一个端口与管道材质相同的试片相连接，另一个端口与Cu/饱和CuSO4参比电极相连接。将数据记录仪信号断路器的通断周期设置为5 s一个周期，每个周期断电1 s，数据采集频率设置为每秒采集1个数据。

图2 试片法通断电电位测量示意

2 结果与讨论

2.1 极性排流器的作用

为了充分了解地铁杂散电流干扰下管道与牺牲阳极电回路中电位及电流的情况，分别对石化油品管道与地铁交叉点附近管地电位和牺牲阳极输出电流进行了测量。

2014年11月9—11日管道与地铁交叉点附近5106号测试桩24 h管地通电电位和断电电位随时间变化曲线见图3。由图3可知，在每天晚上约23点至凌晨5点地铁停运的夜间，管地通电电位和断电电位保持平稳，基本不受杂散电流干扰；在地铁运行的其他时间段，由于受到地铁杂散电流的干扰，管地通电电位和断电电位与夜间通断电电位相比有非常明显的上下波动。

2015年3月24—26日安装极性排流器前后牺牲阳极电流的变化见图4。由图4可知，在加入极性排流器之前，阳极输出电流表现出了与图3中管地电位类似的变化规律：在地铁停运的夜间时间段，阳极输出电流基本保持平稳；在地铁运行的白天时间段，阳极输出电流存在剧烈的正负波动，其正向电流最大达到 1.29 A，负向电流最小至-0.86 A。加入极性排流器之后，从阳极流入管道的负向电流为0，表明电流通过牺牲阳极流入管道的问题得到了有效解决。可以看到极性排流器的引入使阳极正向输出电流有明显地降低。极性排流器安装后，白天牺牲阳极正向电流最大值从1.29 A降低至0.89 A，夜间正向电流也从0.194 A降低至0.038 A，仅为未加排流器时阳极输出电流的1/5。

图3 通断电电电位随时间变化曲线

图4 排流器安装前后阳极电流变化情况

2015年3月27日对极性排流器两端电压差和管地通电电位进行同步监测，监测结果见图5。从图5可以看出：当管地通电电位往负向偏移时，极性排流器两端电压差随管地电位同步变化；当管地通电电位正向偏移时，极性排流器两端电压差在0.3 V附近略有波动。由于排流器的单向导通和器件本身的开启特性，管道在杂散电流流入和流出时，排流器在管道与牺牲阳极电回路中起到截然不同的作用。当管道处于杂散电流流入时，管地电位负向偏移，排流器处于断路状态，牺牲阳极输出电流为0,排流器两端电位为受干扰管道通电电位与牺牲阳极接地电位的差，因而排流器两端电位随着通电电位同步变化。当管道处于杂散电流流出状态时，管道的通电电位正向偏移，管道与阳极导通，极性排流器两端的电压差等于其器件PN结自身的开启电压(约0.3 V)，此电压随管地电位的变化较小。由于极性排流器本身0.3 V左右开启电压的存在，当牺牲阳极起到排流作用时，牺牲阳极与管道之间的电阻有所增加，因而当排流器引入后牺牲阳极正向输出电流有所下降(见图4)。

图5 通电电位与排流器二端电压差变化

2.2 排流器对牺牲阳极排流效果的影响

为了研究极性排流器对牺牲阳极排流效果的影响，对排流器安装前后不同排流桩或测试桩处管道监测通电电位的最大值、最小值、平均值和夜间电位的测试结果进行统计，统计结果见图6和表1。由图6和表1可知，在排流器安装后，管道的通断电电位波动范围及平均值均呈现增大的趋势。对于管道的通电电位来说，排流器安装后管道通电电位最小值的负向偏移值，要远大于管道电位最大值的正向偏移值。显然，极性排流器对牺牲阳极排流效果的影响可以分成两个方面：一方面，在管道通断电电位处于最小值附近，电位受到干扰负向偏移，由于极性排流器此时不导通，从牺牲阳极引入电流提高管道电位的作用被遏止，有利于通断电电位维持在较低的水平；另一方面，在管道通断电电位最大值附近，电位受到干扰正向偏移，由于极性排流器具有一定的内阻，使得从牺牲阳极流出电流降低管道电位的效果略有降低，有利于通断电电位维持在较高的水平。安装排流器前后，管道的通断电电位平均值有所增加，表明管道受干扰电位正向偏移的概率较受干扰电位负向偏移的概率更大。

图6 排流前后某段管道通电电位的变化

在直流电牵引的地铁等产生的杂散电流干扰情况下，根据澳大利亚相关标准可判断杂散电流干扰是否在可接受的范围内。对管道断电电位进行统计分析，结果见表2。

表1 排流前后管道通电电位 V

表2 排流前后管道断电电位统计分布

由表2可知，在排流器安装后，除5106+132号排流桩外，其他排流桩或测试桩处管道断电电位均有所增加，排流器的安装在一定程度上降低了牺牲阳极对杂散电流的排流效果。由于极性排流器抑制了经牺牲阳极引入的杂散电流，一定程度上减少了管中总体流入的杂散电流总量。

3 结 语

(1)采用牺牲阳极+极性排流器的方式对管道进行地铁杂散电流排流保护时，排流效果与管道电位的波动特点和阳极的排流量有关。

(2)极性排流器能够有效抑制从牺牲阳极引入管道的负向电流。极性排流器会在牺牲阳极与管道之间造成0.3 V左右的电位降，牺牲阳极流向大地的正向电流大大减小。

(3)极性排流器安装之后，一方面，降低了牺牲阳极的排流效果，造成管道的通电电位和断电电位波动幅度增加，大部分管段断电电位超出标准规定的百分比例有所增加；另一方面，降低了从牺牲阳极引入的杂散电流，导致少数管段断电电位不变或者降低。