埋地钢质管道直流杂散电流干扰研究综述

李晓龙 杨绪运 李长春 罗艳龙 何仁洋

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

近年来,我国高压直流电力输送系统、轨道交通系统、石油天然气管道等建设得到大力发展。在“十三五”和“一带一路”等国家战略中提出了更多高压直流输送（HVDC）线路规划[1]。到2020年,国家电网将建成“五纵五横”特高压交流骨干网架和27条特高压直流输电工程[2]。地铁等轨道交通是国民经济和社会发展的重要基础产业部门,截至2019年底全国城市轨道交通运营线路达6 426.84 km,拥有地铁运营线路的城市有38个[3]。由于线路建设的“择优原则”,高压电线、走行轨线路会与埋地管道在“公共走廊”小间距长距离的并行或交叉[4]。泄漏到土壤中的杂散电流会对埋地钢质管道产生严重的电化学腐蚀,管道腐蚀是油气管线所面临的诸多风险中最危险风险之一,70%～90%的管道安全事故由管道腐蚀引发[5]。其中直流杂散电流的干扰更为严重,腐蚀速率快,事故发生频繁[6]。

国内外研究人员对于直流杂散电流的腐蚀干扰问题进行了大量研究。本文主要整理了直流杂散电流来源及腐蚀机理、直流杂散电流干扰因素研究进展,总结了目前现场评价标准、检测防护技术,并提出了目前应用中存在的问题,对未来的直流杂散电流研究进行了展望。

1 直流杂散电流来源及腐蚀机理

杂散电流是指泄漏在土壤中设计或者规定回路以外流动的电流,也被称为“迷流”。杂散电流按照来源可分为直流杂散电流和交流杂散电流,其中直流杂散电流导致电化学腐蚀程度更为严重。根据Faraday电解第一定律可得到阳极流出1 A电流时,一年能够腐蚀掉9.1 kg的铁。直流干扰严重的地区管道上的杂散电流能够达到几十安培甚至上百安培,管道穿孔速度非常快,导致经济损失和人员设备安全问题严重[7]。直流杂散电流还会导致管道上阴极保护电位发生波动,导致阴极保护系统失效。

直流杂散电流主要来源于城市轨道交通直流牵引系统、高压直流输电线路、其他管道外加的阴极保护系统、直流电解系统、直流电焊系统等。其中城市轨道交通、高压直流输电系统是产生直流杂散电流的主要来源。

1.1 直流杂散电流来源

1）城市轨道交通直流牵引系统。地铁、有轨电车经直流牵引系统单边供电或者双边供电方式供电运行,牵引电流将走行轨作为回流线,而走行轨电阻实际情况下不可能为0,对大地的泄漏电阻也不会无穷大,在雨雪天气等情况下,不可避免地导致部分电流从走行轨泄漏到土壤中成为干扰管道的杂散电流。直流牵引系统产生的杂散电流干扰与地铁、有轨电车的运行情况相关,属于动态杂散电流,波动较大,干扰规律较复杂[8]。

2）高压直流输电系统。高压直流输电系统有2种常见运行工况：单极大地回路运行方式和双极运行方式。正常运行情况下采用双极对称运行方式,2条直流线路之间的不平衡电流经过接地极流入大地,这部分直流电流一般不超过额定输电电流的1%,由于连续运行持续干扰,属于静态杂散电流,对金属管道的腐蚀干扰不容忽视[9]。在高压直流输电系统建设初期和特殊情况时采用单极运行,接地极会产生大量的直流杂散电流,产生严重的干扰。

3）其他直流系统。其他管道的外加电流阴极保护系统会通过管道上防腐层破损点泄漏到土壤中,同样的,直流电解系统、直流电焊系统等都是在工作时电流泄漏到土壤中,产生了直流杂散电流,对埋地钢质管道造成腐蚀。

1.2 直流杂散电流腐蚀机理

轨道交通系统由于走行轨泄漏到大地中的直流杂散电流以及高压直流接地极流入大地的直流杂散电流,对埋地钢质管道的腐蚀均为电化学腐蚀。电化学腐蚀能够形成的4个条件：金属材料为阳极,另一金属材料为阴极,阴阳极间存在电解质,阴阳极间存在电子流动路径。泄漏进大地的杂散电流通过较近防腐层破损点流入管道,这一区域成为阴极,带负电,阴极区一般不会产生杂散电流腐蚀,但如果阴极区电位过负时表面会析出氢气,造成防腐层剥离严重。电流从远端防腐层破损处流出,成为阳极区,带正电,金属管道失离子发生电化学腐蚀,其发生了如下反应过程。

1）析氢腐蚀：

阳极反应：2 Fe →2 Fe2++4e-

阴极反应：4 H++4 e-→ 2 H2↑ （无氧酸性环境）

4 H2O + 4 e-→ 4OH-+2H2↑（无氧中性、碱性环境）

2）吸氧腐蚀：

阳极反应：2 Fe →2 Fe2++4e-

阴极反应：O2+4 H++4e-→ 2H2O（ 有氧酸性环境）

O2+2 H2O + 4e-→ 4OH-（有氧中性、碱性环境）

1.3 直流杂散电流干扰规律

直流杂散电流干扰来源众多,轨道交通直流牵引系统、高压直流输电系统等不同来源产生的直流杂散电流干扰规律不尽相同,国内外针对各干扰来源的不同影响因素的干扰情况进行了研究。

●1.3.1 轨道交通直流牵引系统

轨道交通直流牵引系统产生了动态直流杂散电流干扰,杂散电流的大小和方向不断发生变化,严重时导致管道电位波动剧烈[10]。轨道交通产生的杂散电流大小程度、分布情况与以下因素相关：地铁轨地过渡电阻值、走行轨阻抗大小、机车运行的牵引电流大小、供电区间距离、土壤潮湿度等。研究表明：地铁轨地过渡电阻及走行轨阻抗是影响杂散电流强弱的最为重要的因素[11]。直流杂散电流干扰规律及影响因素的研究方法主要有室内试验、现场检测、模拟计算等方法。

张玉星[12]等人通过室内模拟实验研究了动态直流杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀干扰规律,发现外界干扰电压与腐蚀速率呈正比关系；动态杂散电流的腐蚀速率相对较小但由于持续的时间累积,其造成的腐蚀程度仍然严重；地铁运行快慢,入地杂散电流大小与频率,每周期持续干扰的时间等都会对杂散电流的干扰程度产生影响。

Xu S[13]等人对南京地铁1号线工程进行了现场实验和数值模拟,发现车辆运行模式是导致钢轨电位升高的原因,在加速和制动模式下钢轨电位明显升高,并且两者方向相反。Allahkaram[14]等人通过对现场管道进行同步电位测量,确定了地铁动态杂散电流在平行和交叉管道上的影响,随着距离的增加干扰强度明显减小,并通过法拉第定律计算腐蚀速率和使用腐蚀试件的失重计算腐蚀速率。

研究人员通过模拟计算等方法建立了地铁产生杂散电流分布模型。W.V.贝克曼[15]等人通过建立由牵引电流、走行轨电阻、轨地过渡电阻等组成的模型,研究了走行轨电流、电压和杂散电流分布情况的计算模型。尽管将其他干扰因素理想化后,有助于解释杂散电流干扰规律,但对现场应用的指导意义不大。Pham K D[16]等人建立了半球形电极电场模型,能够计算出泄漏到土壤中的电场分布情况。庞原冰[7,17-18]等人利用同样的方法,推导出埋地钢质管道的电流大小与腐蚀速率的计算方法。胡云进[19]等人对地铁隧道建立了二维有限元模型,分析了杂散电流干扰而引起的地下不同位置处的电位情况。Zaboli A[8]等人对牵引变电所、走行轨和第三轨的电动列车进行了仿真,模型中对不同土壤类型中的杂散电流大小进行了比较,采用有限元法（FEM）对不同土壤类型的杂散电流控制方法下的杂散电流大小进行了计算,结果表明直流牵引电流中约有5%泄漏到土壤中成为直流杂散电流。

通过国内外的研究,对直流杂散电流的腐蚀机理和干扰因素有了一定的认识。但是由于地铁动态直流杂散电流波动情况复杂,干扰因素众多,动态直流杂散电流与阴极保护相互作用机理不清晰,对阴保管道的杂散电流检测与防护带来了很大困难[12]。因此对动态直流杂散电流的干扰行为需要做进一步的研究。

●1.3.2 高压直流输电系统

高压直流输电系统直流杂散电流干扰主要是由于接地极泄漏到土壤中,其中单极运行时导致的直流杂散电流干扰更为严重[20]。高压直流接地极对埋地钢质管道的直流杂散电流干扰规律受众多干扰因素影响,包括接地极类型、接地极与管道位置关系、高压直流系统流入接地极电流大小、土壤环境情况等。研究人员通过实验与模拟仿真等方法对此展开了研究。

Qin R Z[21]等人通过现场测试发现高压直流入地电流在3 200 A时,泄漏电流对埋地钢质管道的腐蚀速率高达0.55 mm/d；并且瞬间高电流对引压管和绝缘卡套造成严重干扰,甚至会烧毁管道恒电位仪。Nicholson P[22]和李振军[23]通过现场测试的方式针对直流接地极对埋地管道的影响规律与干扰程度进行了分析。Lagace P J[24]等人针对圆环接地极在4层土壤模型中的电位分布进行了相关理论计算,推导出了埋地钢质管道管内电流、管道电位的计算公式,并与现场测试结果进行了验证。李丹丹[25]利用ANSYS软件针对防腐层电阻、土壤电阻率、换流站与被干扰管道的距离、换流站电流、管道电阻这5个因素影响下的直流杂散电流干扰规律进行研究,表明干扰强度随防腐层电阻增大呈指数增加,随接地极入地电流和土壤电阻率增大呈线性增加,随接地极与管道距离的增加呈指数降低,随管道电阻增大呈二次函数规律降低。赵雅蕾[26]等人利用边界元软件计算了不同防腐层破损率、接地极与管道不同距离等因素下的直流杂散电流干扰程度,得到防腐层均匀破损率越小,干扰电流反而越集中,局部腐蚀风险更高；而随着距离的增大,管地电位和管内电流密度均快速减小,因此对于管道铺设首要避开干扰源。除此之外提出了管道直流杂散电流干扰的综合防护措施,对现场应用提供了新思路。

高压直流接地极产生的杂散电流涉及范围较广、干扰因素复杂,探究各干扰因素的影响规律从而为管道防护找到更经济有效的方式,是高压直流接地极杂散电流研究的重点。并且针对接地极附近不同的金属构筑物不能一概而论,必须具体问题具体分析,室内试验与现场测试相结合,长时间的调查与实践经验才能对干扰规律有更加清晰精确的理解[27]。

●1.3.3 其他直流系统

直流电解系统、直流电焊系统以及其他管道的阴极保护系统等均会产生直流杂散电流干扰。张丽春[28]对电焊过程中的杂散电流大小、电位的分布规律进行了模拟计算,并且验证了距离、焊机数量等干扰因素对电位分布的影响情况,提出了综合排流保护的系统方案。这类直流系统的干扰相对较小,但仍然不能忽略,在干扰复杂的环境中需单独考虑,综合防护。

2 评价标准

目前我国埋地钢质管道受直流杂散电流干扰的评价指标主要是针对稳态直流杂散电流提出的,但是地铁等轨道交通引起的动态直流杂散电流波动较大、干扰复杂,缺乏判断指标[3]。现行的直流杂散电流评价指标主要针对管地电位偏移、土壤电位梯度和管道中的电流大小等指标进行判断。

表1所示为我国现行GB 50991ü2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》的要求[29],其中规定了直流杂散电流干扰程度的判别准则,一是针对无阴保管道,通过在距离管道20 m范围内的土壤电位梯度指标进行评价,或者通过管地电位正向偏移程度进行评价；二是针对有阴保管道,当管地电位不满足最小保护电位时采取防护措施。需要采取适当的消除IR降的方法进行管地电位的测试,相关指标未考虑动态直流杂散电流干扰问题。

表1 GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》

表2所示为澳大利亚标准AS 2832.1:2015的要求[30],其中针对地铁牵引电流产生的直流杂散电流干扰评价做出了规定：针对动态杂散电流干扰必须记录足够长时间的电位,以确保包含最大限度地杂散电流干扰,并且从管道极化电位正于保护电位时间范围角度进行评估。我国目前实践中借鉴于此,但应注意我国地铁直流杂散电流干扰电位波动更为剧烈,可否直接适用于我国情况需评估后使用[31]。

表2 澳大利亚标准 AS 2832.1:2015 Cathodic protection of metals Part 1: Pipes and cables

表3和表4所示为英国和欧洲标准BS EN 50162:2004《直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护》的要求[32],其中规定了有无阴极保护的金属结构允许的管地电位偏移值,将不同金属构筑物的电阻率进行细分,较为精确。同时还从管道电流大小的角度提出了阴极保护构筑物上的杂散电流干扰评价指标。但是电流探针指标数据是基于长时间现场实践经验获得,对于不同地点、不同现场工况下的适用性仍待验证。

表3 BS EN 50162:2004 标准中无阴极保护埋地或浸没金属结构的可接受电位正向偏移

表4 BS EN 50162:2004 标准中受直流杂散电流干扰的探针电流的评判指标

地铁运营方针对轨道交通系统的杂散电流检测评价也提出了一些评判准则,包括GB/T 28026.2—2018《轨道交通 地面装置 电气安全、接地和回流 第2部分：直流牵引供电系统杂散电流的防护措施》[33],CJJ 49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》[34],CJJ/T 49ü2020《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》[35],GB/T 10411ü2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》[36]等。但是轨道交通系统的杂散电流防护、检测评价标准是针对其内部自身金属结构,不但未考虑外部埋地钢质管道,部分标准的指标还会对埋地钢质管道的腐蚀防护产生不利影响。因此对于杂散电流的干扰评价准则的建立并不是某个行业的问题,而是需要轨道交通行业、管道行业、电力输送行业等开展跨行业沟通协作,协同考虑建立通用型直流杂散电流评价标准,不仅从源头侧减少杂散电流的产生,还有助于埋地钢质管道等金属构筑物的检测评价,采取防护措施。

3 检测防护技术

3.1 检测技术

直流杂散电流检测参数、方法、设备如图1所示。

图1 直流杂散电流检测参数、方法、设备

目前工程中通过测量管地电位偏移程度、地表电位梯度、检查片腐蚀状态、土壤电流大小、管道电流大小等参数来确定埋地管道受直流杂散电流干扰情况。相关标准中提到的检测方法依然是延续传统的检测方式,包括管地电位测量法、地电位梯度测量法、密间隔电位法（CIPS）、探针测试法以及腐蚀试片测量等[37]。BS EN 50162:2004推荐了一种杂散电流干扰探针测试法,用探针裸露面积代替涂层缺陷的钢质表面,可用来测定管道上杂散电流的大小和流向。随着管道现场干扰情况愈加复杂,对杂散电流的流入流出点及干扰强度大小的检测越来越困难,对杂散电流检测设备的智能化、精确性提出了更高要求,杂散电流检测仪以及集成分布式检测系统等都得到了广泛应用[38]。杂散电流检测仪（Stray Current Mapper,SCM）可以对杂散电流的流入流出点、流动方向以及干扰强度大小进行精确测量[39],但是设备携带不便,并且较为依靠国外进口,成本花费较高。

针对地铁引起的动态直流杂散电流干扰,通常需要对管道或者干扰源杂散电流情况进行监测[23]。监测的时间段中尽量包含最大干扰程度时间来判断管道总体受杂散电流干扰情况。针对管道的管地电位变化情况进行实时测量和记录,一方面判断管道受干扰程度,另一方面为管道防护方法的选用提供判断依据[40]。Zakowski[41]对管道电位以及列车轨道电压进行监测测量,并测算了相关斜率,由此判断出列车轨道上的泄漏点数量。Brenna[42]等人通过使用内部参比电极组成的电流探针来监测管道中的电流,能够判断出管道受杂散电流干扰程度,以此来调整阴极保护电位,保证阴极保护的有效性,是一种新的杂散电流干扰防护方法。杂散电流监测系统能够弥补检测方式的不足,对杂散电流干扰程度的测量以及防护方法的研究都能够提供有力支持。

目前先进的杂散电流检测设备基本是从国外进口,成本高并且对专业人员的依赖程度较高；而国产设备在现场应用时有时抗干扰能力不足,导致其检测精度以及可靠度降低。精细化的智能检测设备加上集成化监测系统仍然是杂散电流检测的技术发展趋势。

3.2 防护技术

对管道杂散电流干扰的防护一般采取“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的综合防护措施。首先是防,一是在地铁、高压直流接地极等干扰源头侧控制杂散电流的泄漏；二是从管道方在铺设之初就要做好各类阻断杂散电流干扰的预防措施,例如：避开地铁走行轨线路、高压输电线路接地极等干扰源,选用耐腐蚀管材,管道表面涂层选用高阻值防腐层,安装绝缘接头将管道分成电位接近的等势体,提前设置阴极保护设施等。其次是排,针对已经检测到杂散电流干扰的管道,必须采用相应的排流措施来进行防护[43]。

我国的GB 50991—2014提出了直流杂散电流干扰常见的4种排流保护方法[44],见表5,其中针对各种排流方式优缺点进行了比较[45],由于不同环境下的管道所受到的直流杂散电流干扰情况十分复杂,因此要根据杂散电流检测结果、管地电位偏移程度、管道与干扰源位置关系等因素,并结合各种排流方式的适用范围进行选择[46]。汤丁[47]等人针对不同排流法开展实验,结果表明4种排流措施中强制排流法的效果最好。目前直流杂散电流干扰情况愈加复杂,单一排流方式已经不能有效地对埋地钢质管道进行防护。高博[48]等人同样认为要达到良好的排流效果需要其他辅助措施配合使用,但并没有提出具体用什么方式、怎样配合。夏慧芳[49]等人提出了智能控制接地排流和强制排流技术,通过智能控制器采集单元实时监测管道管地电位变化,一种是通过与不同接地材料连接,另一种是通过大功率电源对管道进行电流补偿和吸收,从而实现智能控制排流。这是一种全新的杂散电流排流方式,但是并没有提供能够证明现场适用的数据结论,因此在应用上还有待继续验证改进。

表5 排流保护方法及其优缺点

近年来国内研究人员通过长期的实践经验提出“综合治理、共同防护”的杂散电流防护方法。“综合治理”是指在干扰源头侧和受干扰管道侧同时采取预防措施,减少杂散电流产生,阻断杂散电流通路。“共同防护”是指将轨道交通线路、高压输电线路、管道线路等共同有杂散电流干扰的区段当成一个系统进行防护,多单位沟通联动,建立统一的排流防护系统,以避免一方排流对另一方产生重复干扰。

国内已有管道公司同地铁方开展了联合排流的测试工作,将管道通过二极管与地铁牵引变电所负极连接,称为管轨极性排流,但在工程应用中还存在诸多问题,首先测试结果表明该联合方法会加剧杂散电流对地铁走行轨的腐蚀,违背“共同防护”的初衷；其次国内缺少成熟的极性排流设备,可能导致逆流问题严重。综上所述,“共同防护”的排流目标仍然在探索阶段,需要不断深入研究。

4 结束语

综上所述,直流杂散电流引起管道腐蚀的机理已经取得广泛共识,针对不同干扰因素影响下的直流杂散电流干扰规律已经开展了大量研究,但是在实验研究时普遍将其他干扰因素理想化,与现场情况有所差别。因此,如何对干扰源的干扰影响规律进行准确的评价,并寻求对管道的有效防护是目前研究的重点。另外,现场检测方式较为传统,更新较慢,而国外高端设备的进口费用较高,人员依赖度高。直流杂散电流干扰源与金属构筑物的运营企业所采取的排流防护措施存在相互干扰,地铁、管道、输电系统运营企业间的沟通联动少,影响了排流效果。在以下几个方面需进一步开展研究工作：

1）通过现场测试、室内试验、模拟仿真相结合,试验结论与现场数据相互论证,为现场工程应用提供切实可靠的依据。

2）提升国产设备的抗干扰性、精确性；研发集成化监测系统,利用计算机模拟软件对动态直流干扰过程进行连续模拟,实时监测,智能调节阴极保护系统。

3）针对动态直流干扰规律更新评价指标,更有针对性的检测防护。

4）地铁、管道以及输电系统运营企业要针对杂散电流干扰严重区域联防联动,加强沟通,采用切实有效的防护方式共同防护,使排流防护更经济、有效。