近年來我國地鐵的建設(shè)如火如荼。據(jù)統(tǒng)計，截止2017年12月，我國開通地鐵的城市達(dá)到了33個，全國地鐵運(yùn)行總里程達(dá)4599 km。由于城市地理位置的限制，埋地油氣管道不可避免地與地鐵系統(tǒng)臨近鋪設(shè)。埋地管道遭受的地鐵干擾越來越嚴(yán)重。據(jù)報道，我國已在多個城市發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的地鐵雜散電流干擾問題,其中干擾較嚴(yán)重的管道干擾電位高達(dá)±20 VCSE左右。地鐵雜散電流干擾會直接加速管道腐蝕穿孔，甚至泄露,同時也會造成管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的紊亂。埋地金屬管道地鐵雜散電流干擾的防護(hù)刻不容緩。

目前埋地金屬管道地鐵雜散電流干擾的防護(hù)主要采用犧牲陽極排流和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)措施。圍繞這些方法已開展了部分研究。然而，目前報道的相關(guān)工作多為工程應(yīng)用,其排流設(shè)計方面的研究較少。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)排流設(shè)計時可以參考饋電試驗方法進(jìn)行,而犧牲陽極排流的設(shè)計目前缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時可參考的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)也非常有限,工程應(yīng)用時往往依靠實際經(jīng)驗，影響了其緩解效果。為此，本文開展了地鐵雜散電流干擾下埋地金屬管道犧牲陽極排流的現(xiàn)場試驗研究，基于實驗結(jié)果對不同干擾水平下犧牲陽極的有效保護(hù)范圍進(jìn)行了分析，其研究結(jié)果可為地鐵雜散電流干擾的防護(hù)設(shè)計提供參考。

1 實驗方法

某埋地金屬管道長45 km,管徑Φ711 mm,3PE防腐涂層，兩端各有一個絕緣法蘭，在2 km處和46 km處各有一個外加電流陰極保護(hù)站，向管道提供陰極保護(hù)。管道在9 km處與一地鐵垂直交叉后遠(yuǎn)離地鐵。選取該段進(jìn)行鎂合金犧牲陽極排流試驗。實驗開始前，關(guān)閉2個陰極保護(hù)站恒電位儀，同時斷開管道沿線所有排流地床。待管道去極化24h后，用uDL-1數(shù)據(jù)記錄儀測試實驗管段干擾電位，測試時間為24 h。

待管道干擾電位測試完畢后，在里程2 km測試樁處埋設(shè)4支14 kg鎂合金犧牲陽極，埋設(shè)深度為1.5 m左右，與管道同深，鎂陽極與管道垂直間距為5 m左右。鎂陽極埋設(shè)完畢后用接地電阻測試儀測試鎂陽極組的接地電阻。為了測試鎂陽極排流量，在鎂陽極與管道之間串聯(lián)一個0.1 Ω的定值電阻，然后用uDL-1數(shù)據(jù)記錄儀測試定值電阻兩端的電壓。

為了評價鎂陽極的排流效果，以鎂犧牲陽極為中心，沿著管道上下游方向每隔10 m埋設(shè)一個6.5 cm2的極化試片。極化試片埋深0.5 m左右。然后用一根長電纜將10個極化試片并聯(lián)起來后與管道并聯(lián)，同時在每個極化試片位置埋設(shè)一個參比電極，備用。

待試片極化24 h后，用uDL-2數(shù)據(jù)記錄儀同步記錄10個檢查片的通/斷電電位，通12 s,斷3 s,斷電電位讀取延遲時間為300 ms,測試時間為24 h。

在鎂陽極和管道之間增加一個極性排流器。極性排流器的性能為：通態(tài)壓降<0.3 V,穩(wěn)態(tài)電流10 A,瞬態(tài)電流150 A,電化學(xué)阻抗<0.5 Ω。實驗過程與鎂陽極直接排流實驗相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

2.1.1 鎂陽極直接排流試驗結(jié)果 圖1顯示了里程2 km處管道干擾電位24 h監(jiān)測結(jié)果。可以看出，白天地鐵運(yùn)行時管道干擾電位在-3~+0.5 VCSE之間波動。晚上地鐵停運(yùn)時管道電位相對較為平穩(wěn)，其部分波動可能是由于地鐵列車夜間的檢修引起的 （里程2 km處附近有一個地鐵檢修場）。

圖2顯示了鎂陽極直接排流前后試驗點(diǎn)附近管道極化電位測試結(jié)果。可以看出，排流前管道干擾電位波動區(qū)間為-3~+0.5 VCSE,波動較大，一旦采用4支14 kg鎂陽極排流后，其附近管道干擾水平急劇降低，大部分管道極化電位正向不超過-0.7 VCSE,負(fù)向不超過-1.3 VCSE,為了進(jìn)一步弄清鎂陽極的排流效果，將測試的管道極化電位按照國標(biāo)GB/T 21448-2014的要求進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，鎂陽極直接排流后，在鎂陽極鋪設(shè)范圍內(nèi) （0~10 m之間），管道極化電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)的要求，此外在鎂陽極地床一側(cè)60 m范圍和另一側(cè)10 m范圍內(nèi)，管道極化電位也低于國標(biāo)的要求，表明在該干擾水平 （-3~+0.5 VCSE） 下，4支鎂陽極可以將其附近管道的干擾水平降低至可接受的水平，且其有效緩解范圍至少可達(dá)70 m。

圖3顯示了鎂陽極直接排流的排流量。可以看出，此時鎂陽極直接排流的排流量正向最大可達(dá)2.5 A,負(fù)向最大可達(dá)-1.5 A。

2.1.2 鎂陽極極性排流實驗及效果評價 為了對比極性排流的效果，在相同位置，利用相同的鎂陽極地床進(jìn)行了鎂陽極極性排流實驗。圖4顯示了極性排流后，鎂陽極排流地床附近管道極化電位測試結(jié)果。與鎂陽極直接排流類似，鎂陽極極性排流的存在很大程度上降低了其附近管道的干擾水平，大部分管道極化電位正向不超過-0.6 VCSE,負(fù)向不超過-1.25 VCSE,相對于直接排流時負(fù)向波動幅值較小，這是由于極性排流的存在避免了雜散電流流入管道導(dǎo)致的。為了弄清鎂陽極極性排流的效果，將測得的極化電位按照國標(biāo)GB/T 21448-2014的要求進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表2可知，鎂陽極極性排流后，在鎂陽極鋪設(shè)范圍內(nèi) （0~10 m之間），管道極化電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)的要求。此外在鎂陽極地床兩側(cè)管道極化電位也得到了明顯的控制，其中一側(cè)的有效保護(hù)范圍 （即管道極化電位滿足國標(biāo)的要求） 為40 m,另一側(cè)的保護(hù)范圍至少為10 m。表明，在該干擾水平 （-3~+0.5 VCSE） 下，4支鎂陽極極性排流可以將其附近管道的干擾水平降低至可接受的水平，且其有效緩解范圍至少可達(dá)50 m,較鎂陽極直接排流的有效保護(hù)范圍 （70 m） 小。同時，結(jié)合表1和表2可知，在該位置直接排流的效果較極性排流的效果更好，這可能是因為該處并不是明顯的雜散電流流入點(diǎn)，管道電位正向波動和負(fù)向波動差異并不明顯，如圖1所示。

圖5顯示了鎂陽極極性排流時排流地床的排流量。可以看出，增加極性排流器后，地床的排流電流均為正值，表明只有電流通過鎂陽極地床流出管道，并沒有電流經(jīng)過鎂陽極地床流入管道。此時鎂陽極地床的排流量范圍在0~2.25 A左右，最大值比直接排流的排流量略小，其原因是由于極性排流器在一定程度上增加了回路電阻導(dǎo)致的。也正如此，鎂陽極極性排流的有效保護(hù)范圍較直接排流有效保護(hù)范圍小。

做完里程2 km處的鎂陽極排流試驗后，在管段其他不同干擾水平位置進(jìn)行了相同的實驗，試驗結(jié)果如表3所示。其中管道電位正向最大值代表了不同的管道干擾水平。可以看出，當(dāng)管道電位正向不超過+1.5 VCSE時，4支14 kg鎂陽極的有效保護(hù)距離均在幾十米至150 m范圍內(nèi)，非常有限，且隨著管道干擾的增強(qiáng)，其有效保護(hù)距離明顯減小。此外，在本管道的干擾情況下，鎂陽極直流排流的效果略比極性排流效果要好。

2.2 分析與討論

為了給鎂陽極排流的設(shè)計提供參考，下面將對鎂陽極的有效保護(hù)范圍進(jìn)行進(jìn)一步的研究。考慮到鎂陽極排流的有效保護(hù)范圍受到眾多因素的影響，如當(dāng)?shù)赝寥离娮杪省㈥枠O組內(nèi)陽極的型號、數(shù)量、陽極布置方式、管道干擾水平、陽極組接地電阻、排流量等，為了使得后續(xù)的研究更加實際可行，需要將上述影響因素進(jìn)行歸納處理，找出影響鎂陽極排流有效保護(hù)范圍的關(guān)鍵因素，然后針對其關(guān)鍵影響因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。由于管道當(dāng)?shù)赝寥离娮杪省㈥枠O組內(nèi)陽極的型號、數(shù)量、陽極布置方式均會反映到陽極組的接地電阻之中，所以可以將這幾個影響因素與陽極組接地電阻合并處理。至于陽極組的排流量，除了受陽極組接地電阻影響外，還會受管道干擾水平的影響，同時也會直接影響到有效保護(hù)范圍，因此，陽極組的排流量也是影響其有效保護(hù)范圍的關(guān)鍵因素之一。類似的，管道干擾水平也會直接決定犧牲陽極的有效保護(hù)范圍。

基于以上分析，初步獲得了影響犧牲陽極排流有效保護(hù)范圍三個關(guān)鍵因素，即陽極接地電阻、陽極排流量以及管道干擾水平。這三個關(guān)鍵參數(shù)中，管道干擾水平往往在設(shè)計時已知，鎂陽極排流設(shè)計只能決定鎂陽極接地電阻和鎂陽極排流量。從表3中總結(jié)出這三個關(guān)鍵因素以及對應(yīng)有效保護(hù)范圍，如表4所示。

從表4中可以看出，在本文研究的5個案例中，鎂陽極接地電阻相差不大，均在2~3 Ω左右，若可近似認(rèn)為其不變，那么只需確定管道排流量對犧牲陽極有效保護(hù)范圍的影響。該想法可通過下面的分析進(jìn)行驗證。

鎂陽極組的排流量 （I ） 可以通過下面的公式進(jìn)行計算：

其中，Emg為鎂陽極開路電位；Epipe為管道干擾水平，即管道斷電電位最正值；RAMg接地為鎂陽極組的接地電阻；Rpipe為管道接地電阻。

由于鎂陽極開路電位一般為-1.57~-1.7 VCSE左右，對于特定型號為固定值，管道接地電阻一般低于1 Ω，可忽略不計，若鎂陽極組的排流量與管道干擾水平 （Epipe） 呈近似正比例關(guān)系，則說明可將表4中5種情況陽極組的接地電阻近似看為定值。為了驗證該想法，將表4鎂陽極組排流量與管道干擾水平進(jìn)行擬合分析，如圖6所示。可以看出，兩者確實呈近似正比例關(guān)系。故而，只需明確管道排流量對犧牲陽極有效保護(hù)范圍的影響，則可確定犧牲陽極的有效保護(hù)范圍。

為了達(dá)到該目標(biāo)，進(jìn)行了犧牲陽極有效保護(hù)范圍與其排流量的擬合分析，如圖7所示，得到了下面的非線性關(guān)系式：

其中，L為犧牲陽極有效保護(hù)范圍；B1和B2為系數(shù)，由干擾系統(tǒng)決定，對于防腐層相同的同一條管道可近似認(rèn)為不變，A=313.4,B1=-195.8,B2=37.7;I為犧牲陽極排流量。

需要指出的是，從圖7看，鎂陽極有效保護(hù)范圍與其排流量呈反向關(guān)系：即鎂陽極排流量越大，其保護(hù)距離越小，這似乎與我們之前的認(rèn)識相反，其實不然。通常情況下，鎂陽極排流量越大，其保護(hù)距離越大，這種認(rèn)識是基于相同管道干擾水平。但實際上，管道干擾水平是變值。從圖6可以看出，管道干擾水平越大，相同鎂陽極組，其排流量也越大；而管道干擾水平越大，相同鎂陽極組，其有效保護(hù)范圍會越小。換句話說，管道干擾水平對于犧牲陽極有效保護(hù)范圍有雙重影響：一方面可以增大鎂陽極組的排流量，間接增大犧牲陽極有效保護(hù)范圍；另一方面會直接減小犧牲陽極的有效保護(hù)范圍。最終表現(xiàn)的結(jié)果是，對于不同管道干擾水平，隨著鎂陽極排流量的增大，其有效保護(hù)范圍減小。

類似地，從表3中總結(jié)出鎂陽極極性排流有效保護(hù)范圍以及對應(yīng)的鎂陽極組接地電阻、排流量、管道干擾水平，如表5所示。按照該數(shù)據(jù)，將鎂陽極極性排流有效保護(hù)范圍與其排流量進(jìn)行擬合分析，得到了與鎂陽極直接排流類似的非線性關(guān)系式，如圖8所示。表明鎂陽極直接排流和極性排流的有效保護(hù)范圍均與其排流量呈現(xiàn)出二次關(guān)系式。

弄清了鎂陽極排流量與其有效保護(hù)范圍的關(guān)系后，結(jié)合電化學(xué)理論建立鎂陽極排流有效保護(hù)范圍的預(yù)測模型。

3 結(jié)論

（1） 犧牲陽極排流技術(shù)可以有效抑制埋地金屬管道地鐵雜散電流干擾，但其有效保護(hù)范圍有限。干擾狀態(tài)下當(dāng)管道電位正向不超過+1.5 VCSE時，其有效保護(hù)范圍在幾十米至一兩百米之間，且隨著管道干擾水平的增大而逐漸減小。

（2） 地鐵雜散電流干擾下鎂合金犧牲陽極排流量是決定其有效保護(hù)范圍的關(guān)鍵因素。對于干擾水平相同的管道，增大鎂陽極排流量可以增加其有效保護(hù)范圍；對于干擾水平不同的管道，相同數(shù)量鎂陽極的有效保護(hù)效果與排流量呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，其原因是由于干擾水平的“雙重作用”引起的：一方面干擾水平的增強(qiáng)會減小鎂陽極的有效保護(hù)范圍，另一方面干擾水平的增強(qiáng)會增大鎂陽極的排流量進(jìn)而可以增大其有效保護(hù)范圍。其解決方法是可以適當(dāng)增加鎂陽極數(shù)量。基于以上的結(jié)果，同時結(jié)合理論分析，初步建立了地鐵雜散電流干擾鎂陽極排流有效保護(hù)范圍的預(yù)測模型。