某管道杂散电流干扰影响及防护效果评价

李强林 杜 建 王 朋 钱文振 贾明贵 孙彩云 朱传涛

（1.山东省天然气管道有限责任公司，山东 济南 250032；2.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）

0 引言

电气化铁路和地铁在运行期间，会对埋地管道产生交直流杂散电流干扰[1-3]，其中轨道交通系统对临近埋地管道产生的交直流杂散电流干扰一般具有影响范围大、周期性强、干扰程度剧烈的特点[4,5]。本文以胶州-日照埋地天然气管道（简称某管道）为例，针对青岛地铁13号线、青连电气化铁路对某管道交直流杂散电流干扰的影响，通过现场检测管道电位的波动变化等，明确直流干扰的影响范围、程度，分析其干扰规律，并在现场开展缓解防护措施试验，制定相应的缓解治理方案，验证排流缓解措施的有效性。

1 概况

某管道起点为胶州站、终点为日照站，线路长度154km，管道采用3PE防腐层，强制电流阴极保护，沿线设3座线路阴保站。其中65～154#桩与青连铁路伴行90km，交叉2次；104～108#桩与青岛地铁13#线伴行约4km，伴行间距750～1.5km。管道自阴保系统投运以来运行平稳，2018年12月青岛地铁13号线投运以来，管道阴保电位波动频繁，2#、3#阴保站内恒电位仪设备受到干扰无法稳定输出。

2 杂散电流干扰检测评价

针对青岛地铁13号线、青连电气化铁路对管道的杂散电流干扰检测评估，主要包括：管道阴保系统运行有效性检测评估；管道交流/直流干扰影响的检测；在干扰严重位置设置腐蚀失重检查片监测腐蚀速率。

2.1 检测方法及监测点

针对管道交/直流干扰的长周期（≥24h）监测采用在监测点设置记录仪；短周期的检测采用万用表。阴保电位检测方法按照GB/T 21246-2020《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》执行。临时馈电试验采用具有恒通电、恒断电、恒电流模式的设备。

2.2 现场检测数据及腐蚀速率监测

现场检测评价数据

测试周期内，统计各监测点通断电电位的最大、最小和平均值，流经试片电流的流入、流出所占比例。管道沿线通电电位的最大值、最小值以及平均值曲线如图1所示。

图1 管道沿线通电电位曲线分布图

管道通电电位全线均存在波动，通电电位在与地铁距离最近的96～114#桩之间波动剧烈；在104#桩附近通电电位波动最为剧烈，波幅13.77V。

天然气管道沿线断电电位的最大值、最小值以及平均值曲线如图2所示。

图2 管道沿线断电电位曲线分布图

管道沿线的断电电位存在一定的波动，断电电位在与地铁距离较近的100～114#桩之间波动相对剧烈；在104#桩位置断电电位波动最为剧烈，波幅为0.548V。

天然气管道沿线交流干扰电压的最大值、最小值以及平均值曲线如图3所示。

图3 管道沿线交流干扰电压曲线分布图

管道沿线存在明显的交流干扰杂散电流的影响，主要集中与青连铁路伴行段，检测范围内管道交流干扰电压最大值为84#测试桩的25V，但交流干扰电压平均值波动范围为0.63～3.84V＜4V。

3 杂散电流干扰影响评估分析

3.1 直流杂散电流干扰的评估

3.1.1 直流干扰评估标准

根据国家标准GB 50991《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》第5章节对直流干扰的评估规定：

对已投运阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施。

澳大利亚国家标准《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS 2832.1-2004对受到杂散电流干扰的埋地管道防护效果检验指标也做了规定，对涂层性能良好的结构应遵循以下准则：

（1）电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的5%；

（2）电位正于保护准则+50mV的时间不应超过测试时间的2%；

（3）电位正于保护准则+100mV的时间不应超过测试时间的1%；

（4）电位正于保护准则+800mV的时间不应超过测试时间的0.2%。

3.1.2 直流干扰影响程度及规律

根据现场检测数据分析，管道沿线监测点位置直流电位的波动，不论是正向还是负向，均存在一定规律的周期性，一般在夜间11:30～凌晨5:30左右波动较小，白天波动剧烈，波动周期与地铁运行时间保持一致，如图4所示。

从管道直流电位波动的周期性规律和管理单位反馈各阴保站恒电位仪设备输出受到干扰影响的开始时间与地铁投运的时间基本一致等信息分析：青岛地铁13#线是该管道的直流干扰源。

管道47#桩—终点段管道受到青岛地铁13#线的直流干扰影响，直流电位的偏移整体可分为三段：47～77#桩约30km管道电位负向偏移；77～123#桩约45km管道电位正向偏移；123#-终点约30km管道电位负向偏移。同时直流干扰影响2#、3#线路阴保系统恒电位仪设备的输出。

3.2 交流杂散电流干扰的评估

3.2.1 交流干扰评估准则

为保证人体安全，减轻管道受高压输电线路的交流干扰腐蚀危害，根据相关标准的要求，管道感应电压及交流电流密度评估指标规定如下：

（1）根据GB/T 3805的规定，稳态情况下，人体可接触的安全电压限值为33V；

（2）根据GB/T 50698-2011的规定，当管道上的交流干扰电压≤4V时，可不采取交流干扰防护措施，＞4V时，应采用交流电流密度进行评估。交流电流密度可按下式计算；

式中：

JAC：评估的交流电流密度（A/m2）；

V：交流干扰电压有效值的平均值（V）；

ρ：土壤电阻率（Ω·m）；

d：破损点直径（m），取0.0113。

（3）根据GB/T 50698-2011的规定，管道受交流干扰的程度可按照表1的指标判定。

表1 交流干扰程度的判断指标

3.2.2 交流干扰影响程度及规律

根据现场检测数据分析，84#桩交流干扰电压最大值26V＜33V的安全电压。管道47#测试桩—日照站段管道交流干扰电压平均值波动范围为0.63～3.84V，管道交流干扰电压平均值整体＜4V，交流干扰程度判定为弱，暂不采取排流措施。

4 缓解防护措施

针对直流地铁对管道的干扰可采取的缓解措施有排流法、屏蔽法、绝缘分割法等[10]。结合现场检测情况，应首先通过调整现有阴极保护输出和分段绝缘措施来抑制其干扰影响，然后考虑在干扰严重的区域通过增设阴保站、补充牺牲阳极等方法进行缓解防护。

4.1 分段绝缘

将管道沿线站场、阀室的跨接电缆断开，将管道分为3段保护。

4.2 调整阴保系统

结合管道电位偏移分布和现场馈电实验的情况在泊里站增设线路1座阴保站，同时对现有的阴极保护系统进行改造，将恒电位仪长效参比电极更换为抗干扰极化探头[11]。抗干扰极性探头可为恒电位仪提供一个消除IR降之后相对稳定的电位信号，降低恒电位仪输出电流的波动，提高恒电位仪的阴极保护效率。

4.3 排流防护

在管道84～122#桩正向偏移的阳极影响区段增设14处锌合金牺牲阳极组进行排流防护。排流装置主要包括极性排流器、锌合金牺牲阳极接地材料、连接电缆、测试桩等。

5 防护效果评价

针对某管道杂散电流干扰的防护措施现场实施完成后，开展管道线路阴保系统运行情况和线路管道阴保电位的长周期检测对防护效果进行评价。

5.1 线路阴保系统运行情况

线路阴保站恒电位仪设备对应的参比电极调整为抗干扰极化探头后，线路阴保系统恒电位仪运行情况如表2所示。

表2 线路阴保系统恒电位仪运行数据表

针对3#站恒电位仪设备电位波动的情况，将设备调整为恒电流模式运行，结合站外线路管道断电电位监测数据，将设备输电电流设置在0.75A。

5.2 管道电位检测分析

某管道在采取分段绝缘、增设阴保站、调整阴保系统输出、设置排流装置后，重新对管道沿线部分干扰段进行电位的长周期检测，并对排流效果进行分析。

5.2.1 直流干扰防护效果

根据前期线路管道电位的测试情况，对管道部分干扰严重位置进行长周期监测测试，管道部分测试桩通断电测试数据如表3所示；管道部分测试桩断电电位偏移及占比如表4所示。

表3 管道长周期测试数据统计表

表4 管道电位偏移及占比时间数据统计表

根据现场长周期检测结果，在采取缓解防护措施后，管道电位偏移及占比满足《Cathodic protection of metals Part 1:Pipes and cables》AS 2832.1中埋地管道直流干扰防护效果检验指标。

5.2.2 交流干扰防护效果

根据在采取缓解措施后，管道部分测试桩交流干扰电压、交流电流密度等数据如表5所示。

表5 管道交流干扰检测数据统计表

在采取缓解措施后，管道沿线交流干扰电压峰值均满足GB/T 3805《特低电压（ELV限值）》规定的33V的安全电压限值，同时在管道沿线的土壤电阻率≤25Ω·m的位置，交流干扰电压平均值＜4V；在管道沿线的土壤电阻率＞25Ω·m的位置，交流电流密度均＜60A/m2，满足GB/T 50698《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中交流腐蚀限值的要求。

6 结论及建议

通过开展相关的杂散电流干扰检测和缓解措施验证检测工作，基本明确了青连电气化铁路、青岛地铁13#线作为干扰源对某管道的干扰影响范围、影响程度、周期性变化以及电位偏移等规律，提出并验证了分段绝缘、增设阴保站、增设极性排流器和更换抗干扰极化探头等措施的有效性，对电气化铁路、地铁等干扰源对油气管道产生杂散电流干扰的治理方面提供的实践参考。