地铁干扰下管道阴极保护有效性测试方法的探究

吴桐宇

（中航油石化管道有限公司，北京 101318）

0 引言

地铁牵引用电一般采用直流电，如图1所示，地铁牵引电流IL自变电所流出经过接触网和电车用电系统后，本应利用铁轨彻底回收，但由于铁轨无法做到对地的完全绝缘，一部分电流会释放到大地，流经埋地的金属构筑物的电流Is会在构筑物上产生严重的动态直流干扰。整个地铁线路有多个变电所为机车供电，且每个供电区间至少是双边供电，机车在运行期间的发车频次和单车负荷也是变化的，机车行进过程中铁轨泄漏电流处对地的接地电阻也会发生变化，诸多上述不确定的因素导致地铁杂散电流干扰下管道的管地电位呈现动态波动特征。

图1 地铁供电系统典型杂散电流回路[1]

目前，极化试片法作为测试管道极化电位的常规手段，广泛应用于现场阴极保护参数获取，由于中断动态直流杂干扰效果良好，该方法也普遍应用于受地铁干扰段的阴极保护有效性测试项目中。

极化试片法基于试片与被保护金属结构断开，从而消除任意电流源造成的IR降，测得的试片断电电位非常接近于真实的极化电位。其具体做法如图2所示，在测试桩位置埋设与管道相同材质的钢片，与管道同深埋设，试片通过测试桩与管道直接相连并保证充分极化，测试时将具有通断功能的数据记录仪（如uDL2）串联入管道与试片间的回路，参比电极放置在试片正上方，为排除地电场对参比电极的干扰，参比电极应安装在PVC材质的参比管内。

图2 极化试片法测试管道极化电位示意图

1 极化试片法测试阴极保护参数过程中存在的问题

在某管道测试桩处采集到的极化试片电位曲线如图3所示，在现场测试过程中首先要保证试片的充分极化，根据澳大利亚AS 2832.1-2015 Cathodic protection of metals Part 1: Pipes and cables[2]，对极化试片法测试得到的结果进行统计：记录足够长时间下的管道的阴极极化电位，按照埋地金属受杂散电流极化时间的长短，将埋地金属分为短时间极化构筑物和长时间极化构筑物。对短时间极化、涂层性能良好的金属构筑物而言，电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的5%；正于保护准则+50mV的时间不应超过测试时间的2%；正于保护准则+100 mV的时间不应超过测试时间的1%；正于保护准则+850mV的时间不应超过测试时间的0.2%。对于长时间受杂散电流极化作用、涂层质量不好的埋地金属构筑物，规定其电位正于保护准则的时间不应超过时间的5%。该方法在对现场操作人员而言，存在采集时间长，统计数据工作量大，实施难度高等缺点。在使用极化试片法实践过程中，还存在很多不确定的因素，导致极化试片法测得的结果并不能真实反映管道的保护状态。

图3 极化试片电位曲线图

（1）NACE SP0104-2020 The Use of Coupons for Cathodic Protection Monitoring Applications和SY/T 0029-2012《埋地钢质检查片应用技术规范》规定，用于测量电位的试片面积宜为6.5～100cm2，3PE防腐层管道宜取下限[2,3]。测试人员在采集管道极化电位过程中，通常采用6.5～10cm2的试片，测得的结果过于保守，只能反映测试位置类似试片表面积缺陷的阴极保护状态，而试片面积选择过大则有可能改变附近管道的阴极保护状态导致结果错误，应根据管道实际防腐层缺陷的大小选择试片，这样做将增加测试难度；

（2）采用极化试片法进行电位测试时，通常有两种埋设试片的方法，一种是长期永久埋设，该方法能够保证试片状态与管道保持一致，但试片埋设环境若存在Ca2+、Mg2+时，受阴极保护的共同作用，久而久之，试片表面会形成Ca（OH）2、Mg（OH）2沉积物，试片测试电位偏正，导致阴极保护效果误判。另一种方法是在测试桩附近临时埋设试片，经过一段时间极化后，测试试片的极化水平，测试完成后将极化试片取出，这种方法的缺点是试片埋设深度往往较浅，试片和管道所处环境不同，每处测试点都要埋设试片，工作量较大，试片极化时间不确定，等待试片完全极化的过程较长，工作效 率低；

（3）试片的极化水平受到土壤含氧量及试片与土壤接触状态的影响较大，含氧量高和土壤电阻率高的沙土环境下，试片的表面难以实现极化，测得的断电电位偏正。临时埋设的试片周围土壤结构疏松，导致试片与土壤的实际接触面积减小，试片接受阴极保护电流的有效面积减小，平均电流密度降低，测得的极化电位偏正；

（4）通常采用的临时试片表面都比较平整，边界相对较规则，而防腐层缺陷形状、大小不一，这导致两者的腐蚀表面并非等效，另外沿管道表面和周边的电流密度并非是均匀分布的，单个试片只能反映测试点位置的的阴极保护水平；

（5）即便每公里逐桩测试极化试片的断电电位，仍不能确定远离测试点位置管道的阴极保护 程度；

（6）不同尺寸和形状的试片对地电阻不同，即使对于相同裸露表面积的试片，相对于被保护结构物的位置和方向不同仍可以极化到不同水平，测得的结果存在差异。

2 简化获取管道极化电位测试方法的探究

在日常维护工作中采用极化试片法测量管道极化电位，要求测试人员具备较高的阴极保护专业技能，测试过程中工作量大，规模开展存在一定难度。

GPS同步中断法是在为管道提供阴极保护电流的恒电位仪上加装GPS同步控制的中断器，同步通断恒电位仪输出，达到消除测量回路中阴极保护电流产生的IR降获取断电电位的一种方法。因为中断器不对杂散电流源产生作用，测得的断电电位无法排除杂散电流干扰的因素，所以这种方法被普遍认为适用于直流杂散电流干扰较轻或不受到直流杂散电流的管道。

通过仿真验证,在添加了卡尔曼滤波程序后,极大地改善了锁相环的输出,且扩展了锁相环可跟踪的信噪比范围。通过仿真验证,本文的算法最大可提取信噪比在-20 dB左右的信号。

国外学者的研究结果指出，虽然试片的断电电位不能够代表管道的瞬间断电电位，两者之间存在分散性，但是如图4所示两者相关性较强[4]。鉴于此，为了给阴极保护日常维护工作减负，通过选取济南、青岛、武汉三条受地铁直流杂散电流干扰程度不同的航油管道作为研究对象，并根据干扰的分布情况选取多处测试位置，开展同步通断法和极化试片法的测试，比较管道在不受地铁干扰状况下采用GPS同步中断法采集的断电电位、管道受动态直流干扰条件下采用GPS同步中断法获取断电电位在多个测试周期的平均值和极化试片法测得的试片极化电位，以期找到能够简化日常维护测试管道极化电位的方法。

图4 管道与试片的断电电位比较[4]

图5为地铁干扰状况下采用GPS同步中断法在某测试桩处测得的24h通断电位曲线，从连续记录的管地电位动态变化趋势看，在地铁运行的时间段，电位均波动剧烈；当地铁停运时，电位均趋于稳定。

图5 地铁干扰状况下采用GPS同步中断法某测试桩处通断电位曲线图

对白天使用GPS同步中断法采集的断电电位多个周期的平均值和夜间采集的断电电位与断电试片法采集的断电电位进行对比，三者趋于一致的结果表明：当管道受到动态直流干扰且正向偏移量与负向偏移量相近时，白天地铁运行状态下采集的管地断电电位多个周期的平均值可以作为评价管道阴极保护有效性的依据。

近年国内学者研究结果表明地铁杂散电流干扰下管道的管地电位呈周期性波动，受地铁杂散电流干扰引起的管地通电电位波动周期为0～300s；在地铁运行时间段，管地通电电位以50～200s时长发生周期性波动，其中时长为50～150s的周期最多，由于各地环境与地铁运营存在差异，各地占总时间比例较大的周期及其具体的占比略有不同[5]。在使用同步中断法日常测试管道断电电位过程中计数时间选取最大周期2倍（大于10min）。

3 地铁及多重干扰环境下管道阴极保护有效性测试方法的探究

我国现代化建设步伐逐渐加快，公共走廊内交叉、并行的基础设施逐渐增多，埋地管道受到的干扰也逐渐增多，不能仅依靠测试桩位置的极化电位水平来评价管道阴极保护的有效性，否则测试桩之间的管道极容易出现漏测、难以进行有效性评价的情况。在这种背景下，基于GPS同步中断法的密间隔电位（以下简称CIPS）测试结果评价远离测试桩位置管道的阴极保护水平有着特殊的优势，在识别干扰源、判定杂散电流流入流出区间等问题也能凸显作用。

表1 地铁干扰下管道同步通断法和试片法电位统计结果

图6 GPS同步中断法条件下对管道进行CIPS示意图

对于长输管道而言，至少在连续的4个阴极保护站安装GPS同步断流器，保证3个站间距内管线实现同步中断，然后对中间站间距管段开展检测。检测前，首先确定断流器通断周期，在确保在通断状态下阴极保护电源能够正常工作，在此过程中，应在恒电位仪的输出回路测试电压的波形曲线，在反馈回路测试通电点位置管地电位的波形曲线，如图7所示，通过波形判断选取的检测周期和延迟时间的合理性。同步监测阴极保护系统通电点电位及恒电位仪输出电流的同时，每2～3米间隔测量管道的管地通断（On/Off）电位，每个测试桩处测量管道的通/断电位波形，完成对全线的测量后，评价埋地管道受保护程度，对阴极保护不足管道进行原因分析，并提出解决办法。

图7 GPS同步高频测试输出电压和管地电位波形曲线

图8 CIPS测试使用补偿动态电流干扰管地电位测量方法[1]

若管线受到其他阴极保护站的干扰，为了获得真正的阴极保护电位数据，必须在干扰源的阴极保护系统上分别安装断流器，并进行同步设置，以确保CIPS/DCVG测量数据的有效性和真实性。线路与站场处于联保状态时， 区域阴极保护电流源上也应安装同步断流器。

对于阴极保护不足或过保护管道，对恒电位仪输出参数进行相应的调整，确保受检测的管段阴极保护处于最佳状态。对于受到干扰的管段，详细调查数据出现偏离的原因，进而确定干扰源位置和管道受干扰程度。

笔者在检测某管道期间，发现一段管道受到多重干扰，开挖结果如图9～图11所示，54#测试桩附近存在严重的管体腐蚀，腐蚀坑面积为3×4cm，腐蚀深度达到6.4mm，在管道附近位置埋设ER腐蚀探头（图12），2个月后，ER腐蚀探头消耗殆尽。

图9 测试桩附近缺陷点腐蚀

图10 缺陷点处防腐层

图11 缺陷点管道腐蚀

图12 附近ER腐蚀探头消耗殆尽

为详查腐蚀原因并确定管道欠保护管段具体位置，采用基于GPS同步中断法的CIPS法采集该段管道沿 线的断电 电位，由于管道受到地铁干扰，测得的断电电位曲线呈较大幅度的波动，无法使用该数据进行阴极保护有效性评价，在测试管段附近设置固定设备连续测试管道的通断电位，并对CIPS测试结果进行数据校准，校准后的CIPS结果如图14所示，校准后结果可以确定欠保护管段的范围和欠保护程度，检测结果可以和开挖结果相互验证，该实例证明即使在地铁干扰下，CIPS测试仍然可以有效识别出管道阴极保护不足的区间。图中红色的圆点为极化试片法在测试桩位置获取的管道极化电位，该数据不能够确定欠保护区段的范围，只能显示测试桩位置是否达到保护标准，不能为后续排流治理提供有效数据支撑。

图13 某管道53～59#测试桩CIPS原始数据曲线图

图14 某管道53～59#测试桩CIPS校准后数据曲线图

在地铁干扰环境下正确使用CIPS评价阴极保护有效性应注意如下事项：

（1）同步中断时，恒电位仪不同的工作模式对其运行状况存在显著影响，在测试期间，为保证恒电位仪工作的稳定性和测得管道断电电位的准确性，应根据实际情况调整恒电位仪的工作模式；

（2）通断周期的选取对同步通断测试测得数据的准确性有较大的影响，断电时间过短，设置采集断电电位的延迟时间不能有效避让电压尖峰，过长则会影响恒电位仪断电后恢复正常工作时的启动时间；

（3）通过高频数据记录仪采集恒电位仪输出电压和管地电位的波形可以分析阴极保护电源强制中断时工作的稳定性和采集通断电位数据的延时时间，识别恒电位仪通断对采集数据准确性的影响；

（4）根据固定数据记录仪采集的数据对CIPS数据进行校准，尽量排除人为因素和动态直流干扰的影响，可以使数据更具可读性。

4 结语

（1）极化试片法对现场操作人员而言，由于需要等待试片充分极化，存在采集时间长，统计数据工作量大，实施难度高等弊端，在使用实践过程中，存在诸多不确定的因素，可能导致测试结果不能真实反映管道的保护状态，且试片法结果只能显示测试桩位置阴极保护水平是否达标，不能确定欠保护和杂散电流干扰区间；

（2）当管道受到动态直流干扰且正向偏移量与负向偏移量相同时，白天地铁干扰状态下采集的管地断电电位正于保护准则的时间占比可以作为评价管道阴极保护有效性的依据；

（3）对于只受到动态直流干扰且正向偏移量与负向偏移量相同的管道，GPS同步中断法可以简化极化试片法测试管道极化电位的过程，该方法对同等条件下的管道具有普遍适用性，测试结果可用于指导管道阴极保护日常维护管理；

（4）CIPS测试结果在确定欠保护和杂散电流干扰区管段时，值得借鉴，能为后续采取直流排流设施提供有效数据支撑。