電氣化鐵路對嘉興段天然氣管道的交流干擾及防護
2021-08-20 13:57:12
作者： 賀裕卓，季壽宏等 來源： 腐蝕與防護
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隨著我國能源和鐵路運輸的迅速發展，越來越多的天然氣管道和電氣化鐵路建成并投入使用，由于受到國土資源和環境的限制，加上二者路由選擇上的相似性，導致在“公共走廊”內常常出現長距離的并行和交叉穿越現象。
電氣化鐵路的牽引供電系統通常采用鋼軌和大地作為回流路徑，流入大地的雜散電流會以電阻耦合的方式對臨近的埋地金屬管道產生交流干擾，同時鐵路的牽引供電線會通過感性耦合的方式使管道上產生感應電流和電壓，導致管道防腐蝕層破損處易發生交流腐蝕，目前國內外已出現了多起相關案例。過高的交流電壓還會威脅操作人員的安全，影響管道附屬設備及陰保恒電位儀的正常工作。為降低管道上的交流干擾電位，保障管道的安全運行，定期檢測管道上的雜散電流并及時開展排流防護工作尤為重要。
以浙江省嘉興市內一段天然氣管道的交流干擾檢測與防護為例，該段管道受到高鐵和鐵路的共同干擾，具有特殊性，國內外尚無此方面的對比研究，因此，西南石油大學和浙江浙能天然氣運行有限公司的研究人員對比分析了高鐵和鐵路對管道交流干擾的特點，對該段管道的受干擾情況進行了詳細的調查與檢測，并根據檢測結果進行針對性的排流方案設計，方案實施后進行再次檢測及效果評價，以期為管道的交流干擾防護提供理論支撐。
管道與電氣化鐵路概況
杭州市至嘉興市天然氣輸氣管道（杭嘉線天然氣管道）全長84.44km，于2010年1月運營投產。嘉興段天然氣管道是其位于嘉興市內的一段管道，長約11.5km，由嘉興輸氣站輸往王店閥室。管道設計壓力6.3MPa，運行壓力5.5MPa，管徑為813mm，壁厚為11.9mm，材質為X65鋼，設計輸氣量為18.5×108 m3/a，管道采用三層PE外防腐蝕層和強制電流陰極保護的方式進行聯合防護。
滬杭高鐵于2010年10月正式通車，采用高架敷設，雙線運行，平均每3分鐘有一趟高鐵經過嘉興段管道。由于滬杭高鐵與杭嘉線天然氣管道存在長距離（約40km）短間距（平均間距250m）并行，高鐵通車后，對杭嘉線天然氣管道的交流干擾很大，雖然經過幾年的治理，略有成效，但本工作中的嘉興段管道未得到有效治理。滬杭鐵路于2006年并入滬昆鐵路，采用地面路基敷設，雙線運行，平均每15分鐘有一趟火車經過嘉興段管道，其嘉興站至海寧站間的軌道與嘉興段天然氣管道并行。
嘉興段天然氣管道與滬杭鐵路及滬杭高鐵均存在近距離并行及交叉穿越情況，管道與電氣化鐵路的示意圖見圖1。其中嘉興輸氣站至32號陰保測試樁間的管道與滬杭鐵路存在約6km的并行，平均間距為50m，在31~32號測試樁間離32號測試樁約190m 處與滬杭高鐵存在交越點；32號測試樁至王店閥室間的管段與滬杭高鐵存在約5.5km并行，平均間距為150m。嘉興段天然氣管道沿線地貌以平原為主，土壤類型為黏質土，管道上方多為農田，土壤電阻率較低。
圖1 管道與電氣化鐵路的示意圖
交流干擾測試
No.1測試方法
嘉興段天然氣管道共有12根陰保測試樁，平均間距約1km，樁位置分布見圖1。根據GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護技術標準》，利用Fluke17B+數字萬用表對測試樁的交流電位進行測試，測試時間為10min，極個別受干擾嚴重的測試樁利用具有數據遠傳功能的智能陰保監測終端進行48h監測，設備的交流電位量程為0~100V，采樣精度≤0.01V，采樣頻率為1次/s，參比電極采用飽和硫酸銅電極。利用METREL MI3123通用接地電阻測試儀測試管道沿線土壤電阻率，采用溫納四極法，測量深度為2m，將儀器的四個電極鋼釬以2m間隔等間距插入地表中，電極入土深度應不超過10cm，接線開機后按測試鍵可獲得土壤電阻率測試結果。
No.2判定指標
根據GB/T 50698-2011中的規定：當管道上的交流干擾電壓不高于4V 時，可不采取交流干擾防護措施；高于4V時，應采用交流電流密度進行評估，交流電流密度計算公式如下：
JAC =8V/ρπd （1）
式中：JAC為評估的交流電流密度，A/m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率，Ω·m；d為破損點直徑，m，取0.0113。
交流干擾程度的判斷指標
弱
交流電流密度<30A/m2
↓
可不采取交流干擾防護措施
中
交流電流密度30~100A/m2
↓
宜采取交流干擾防護措施
強
交流電流密度>100A/m2
↓
應采取交流干擾防護措施
No.3測試結果
嘉興站至29號測試樁段的管道交流電位最大值為4.31V，平均值均低于4V，交流干擾程度較弱，主要受滬杭鐵路的交流干擾；29~32號測試段的管道交流干擾程度主要為中偏強，其中32號測試樁受交流干擾最嚴重，最大交流電位31.81V，平均交流電位12.67V，由式（1）計算得最大交流電流密度363.92A/m2，平均交流電流密度144.93A/m2，管道受到滬杭鐵路和滬杭高鐵的共同干擾；33號測試樁至王店閥室間管段的交流干擾程度為中等，主要受到滬杭高鐵的交流干擾。
在鐵路和高鐵距管道都是40m的情況下，32號測試樁交流電位最大值是29測試樁的7.57倍，且去除鐵路的影響后，仍然是29號測試樁的6倍多。26和37號測試樁的交流電位最大值和平均值都相差很小，說明距37號測試樁250m遠的高鐵和距26號測試樁35m遠的鐵路對管道造成的交流干擾程度相當。由此可知：在高鐵和鐵路距管道等距離情況下，高鐵對管道的交流干擾明顯強于鐵路的干擾，其對管道的交流干擾約為鐵路的4~6倍大。
因30，32，36號測試樁處管道埋設的土壤電阻率低于20Ω·m，且受到的交流干擾很大，在較負的陰保電位條件下，利用公式（1）計算得到的交流電流密度可能不準確。因此，在這三根測試樁位置處增設了裸露面積為1cm2的試片以測試管道的交流電流密度，經過24h極化后對試片進行測試，測試時間10min，測試結果如下：
30號 測試樁處
試片交流電流密度最大值：123.41A/m2
公式計算結果：255.86A/m2
平均值：61.28A/m2
計算值：95.96A/m2
32號 測試樁處
試片交流電流密度最大值：197.02A/m2
公式計算結果：363.92A/m2
平均值：104.25A/m2
計算值：144.93A/m2
36號 測試樁處
試片交流電流密度最大值：183.09A/m2
公式計算結果：266.93A/m2
平均值：84.59A/m2
計算值：93.00A/m2
可以發現試片法測得的交流電流密度值比公式計算得到的小得多，這可能與土壤電阻率及測試時間段高鐵造成的交流干擾大小不同有關。根據上文中的判定指標，嘉興段天然氣管道交流干擾程度判定為“強”的測試樁有1處，判定為“中”的測試樁有7處，判定為“弱”的測試樁有4處。
圖2 嘉興段管道的交流電位測量結果
圖3 嘉興段管道的交流電流密度測量結果
由圖2和圖3可見，受滬杭鐵路干擾的管段，其交流電位曲線和電流密度曲線表現較為平穩，交流電位較小，說明火車經過各測試樁時造成的交流干擾較小且較穩定；而受滬杭高鐵干擾的管段，其交流電位曲線和電流密度曲線波動起伏劇烈，交流電位較大，數值是前面的幾倍，說明高鐵經過各測試樁時造成的交流干擾與管道和高鐵之間的距離關系很大，距離越近，管道的交流電位越大，受干擾越嚴重。
對受交流干擾程度較強的30號和32號測試樁進行了48h交流電位測試，結果如圖4所示。可見每天23∶00~3∶00間，除去00∶30有一處峰值，管道的交流電位基本穩定在1V左右，交流電位曲線平穩無大波動，說明此時間段內除00∶30有一趟高鐵經過外，其他時間無高鐵經過，交流電位與白天現場測試無高鐵經過時的結果基本一致；而在其他時間段，交流電位曲線震蕩起伏劇烈，波動幅度較大，有許多明顯的尖峰，管道受到的交流干擾有明顯的時段性和高頻次性，屬于動態交流干擾。
（a） 30號
（b） 32號
圖4 排流前30號和32號測試樁處的交流電位測試結果
管道受干擾的時間段與滬杭高鐵經過嘉興段管道的時間段吻合，說明造成兩處測試樁交流電位劇烈波動的干擾源為滬杭高鐵，針對這種隨時間變化的動態交流干擾，需要利用帶有數據遠傳或存儲功能的電位數據記錄儀進行長時間監測才能清楚了解管道的受干擾情況。
排流設計
根據上述測試結果，并考慮管道受交流干擾程度、土壤電阻率、現場施工環境等因素的影響，以高效低成本為原則，采用國內常用的“固態去耦合器+接地銅纜”的排流方式進行排流。
固態去耦合器具有通交隔直、過度電壓保護及去耦合功能，標準配置閾值為-2V/+2V，當直流電壓低于閾值時，隔斷直流電流只放行交流電流；當直流電壓高于閾值時，允許所有電流通過。管道的陰保電位為-0.85~-1.2V，處于標準閾值范圍，故采用“固態去耦合器+接地銅纜”進行排流可實現管道上交流電流的排放并保證管道上的陰保電流不流失。
根據前期的詳細測試結果，在三個受交流干擾最嚴重的測試樁位置安裝3個DEI SSD-2/2-3.7-100型固態去耦合器進行排流，接地材料采用截面積35 mm2，長300m的裸銅線，安裝示意如下圖所示：
圖5 固態去耦合器安裝示意圖
目前，國內外標準未明確油氣管道交流排流的接地極接地電阻的取值范圍，本工作參照文獻中的取值規定：土壤電阻率ρ小于100Ω·m，接地電阻小于2Ω。單根水平接地裸銅纜接地電阻的計算可參照文獻中的公式：
（2）
式中：Rh為水平接地極接地電阻，Ω；L為水平接地極總長度，m，取300m；h為水平接地極埋設深度，m，取2m；d為水平接地極直徑或等效直徑，m，取0.0067m；A為水平接地極形狀系數，對于線型接地極，為-0.6；ρ為土壤電阻率，取20Ω·m。
經式（2）計算，本工作所采用的水平接地裸銅纜的接地電阻為0.16Ω，滿足設計要求。
排流效果評價
根據GB/T 50698-2011規定：在土壤電阻率不大于25Ω·m的區域，管道交流干擾電壓低于4V；在土壤電阻率大于25Ω·m的地區域，交流電流密度小于60A/m2。
在嘉興段管道上安裝好三個固態去耦合器后，立即對12根測試樁的交流電位進行測試，排流前后管道交流電位測試結果對比見圖6。
圖6 嘉興段管道排流前后交流電位對比
可知經過固態去耦合器和接地銅纜排流后，嘉興段管道上的交流電位最大值和平均值均低于4V，排流效果良好，達到了國標要求。
對30號和32號測試樁進行了24h交流電位測試，結果如圖7所示。可以看出經過排流，30號測試樁的交流電位由排流前的最高值20.21V降為1.97V，32號測試樁的交流電位由排流前的最高值31.81V降為2.98V。
（a） 30號
（b） 32號
圖7 測試樁排流后24h交流電位測試結果
對比圖4和圖7可知：經過排流，管道的交流電位大幅度下降，排流效果良好，有效緩解了嘉興段管道附近電氣化鐵路的交流干擾。
結論與建議
（1） 嘉興段天然氣管道的交流干擾檢測結果表明：在相同距離下，高鐵對管道的交流干擾電位明顯大于普通鐵路的干擾，約為普通鐵路的4~6倍。在相同時間段內，高鐵速度快，車次多，對臨近的油氣管道造成的交流干擾頻次多，影響更大。電氣化鐵路對管道的交流干擾與二者之間的距離關系很大，距離越小干擾越強，建議新建管道選址時盡量避開高鐵，若不可避免要盡可能拉開間距。
（2） 電氣化鐵路對埋地金屬管道的交流干擾是具有時段性、高頻次的動態交流干擾，建議測試人員利用具有數據遠傳或存儲功能的管道電位測試設備進行長時間監測，以便防腐蝕工程師能準確地掌握管道的受干擾狀況，進行后續的排流防護設計工作。
（3） 固態去耦合器接地的排流方法可有效緩解電氣化鐵路對油氣管道的交流干擾，排流效果能滿足國家標準要求。但固態去耦合器在長時間運行后可能會出現故障。接地銅纜埋設在氧濃度高且潮濕的土壤中，表面易生成綠色銅銹而使接地電阻增大，進而影響排流效果。建議定期對相關設施進行測試維護，保證管道得到有效防護。
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