轻轨杂散电流干扰对管道腐蚀影响的检测与判定

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【摘要】分析了轨道交通动态杂散电流产生的机理，以广珠轻轨附近的天然气管道为研究对象，介绍了广珠轻轨杂散电流的检测情况，根据有关标准对杂散电流干扰情况进行判定，提出了解决杂散电流干扰的建议。

【关键词】广珠轻轨 杂散电流 管地电位检测 交流电流密度

1 概述

杂散电流又称迷流，是指在设计或规定的回路以外流动的电流。杂散电流一旦流入埋地金属管道，再从埋地金属管道的另一端流出，进入大地或水中，则在电流流出部位发生激烈的腐蚀，电流流出部位则成为电化学腐蚀的阳极，通常把这种腐蚀称为杂散电流干扰腐蚀，将流入或流出埋地金属导体的杂散电流称为干扰电流。根据来源，杂散电流主要有直流杂散电流、交流杂散电流、地球磁场感应杂散电流等；根据电流幅值和流经路径是否随时间变化，可分为静态杂散电流和动态杂散电流。对城市埋地天然气管道而言，影响最普遍、最严重的是城市轨道交通产生的动态直流杂散电流干扰。

广珠城际轨道交通（以下简称广珠轻轨），由北面的广州，途径佛山市顺德区、中山市、到达南面的珠海市，全长约140公里，2011年1月正式通车。在中山市区，大约10公里的广珠轻轨与高压天然气管道并排铺设，两者之间最近的水平净距不足10米。广珠轻轨产生的杂散电流对埋地天然气管道的影响不容忽视，必须对杂散电流干扰腐蚀的问题引起关注。本文对轨道交通杂散电流产生机理及其动态特性进行讨论，介绍与天然气管道平行铺设的轻轨杂散电流的检测情况，根据有关标准对杂散电流干扰情况进行判定，并提出解决杂散电流干扰的建议。

2 轨道交通杂散电流

2.1 轨道交通杂散电流产生的机理

直流牵引轨道交通供电回路与杂散电流的产生原理见图1。变电站将交流电转换为直流电，经接触网向电力机车输送，电流由铁轨及相关导线返回变电站。由于铁轨具有一定的电阻，电流在铁轨中产生电位差，同时铁轨对大地也存在一定的电位差，使铁轨中部分电流泄漏进入大地形成杂散电流。泄漏到大地的杂散电流流入埋地天然气管道，经埋地天然气管道传输至变电站附近通过土壤重新流入铁轨，在电流流出的部分，金属发生腐蚀。

2.2 轨道交通杂散电流动态特性[2]

在轨道交通中，铁轨泄漏电流的大小、埋地管道中杂散电流的大小及方向，可通过铁轨、大地、管道各自的电位进行分析。以无限远大地作为基准，铁轨和管道电位分布见图3。机车所在位置为铁轨电位正最大值，变电站附近为铁轨负最大值，铁轨电位分布影响到大地电位和管道电位分布。铁轨正电位处电流离开轨道进入土壤或埋地金属管道，在靠近变电站位置铁轨对地负电位处，电流从金属管道流出进入土壤，通过大地返回负极，引起管道腐蚀破坏。

杂散电流的变化与杂散电流源的变化具有一致性，轨道交通杂散电流的大小随轨道交通系统的用途、机车的相对位置和运行状态（加速、匀速、减速、行驶方向）不同而变化。轨地电位为正时，杂散电流流入大地；轨地电位为负时，杂散电流返回铁轨。铁轨杂散电流位置的变化使得埋地金属管道对地电位处于不断变化中，管道发生杂散电流腐蚀的位置和强度也在不断变化。

以管道未受干扰时的自然电位为基准，杂散电流流入区，管地电位负向偏移，管道处于阴极区受到保护；杂散电流流出区，管地电位正向偏移，管道为阳极区受到腐蚀，必须采取防护措施。对于动态杂散电流干扰，管道阴极区和阳极区分布是动态变化的，管道某点可能处于杂散电流流入、流出交替变化中，为管道杂散电流腐蚀判定及防护带来一定的困难。交流杂散电流也能够在正半周产生阳极性腐蚀，但必须在高于30A/ m2的交流电流密度时才有可能产生交流干扰腐蚀。

3 广珠轻轨杂散电流检测及判定

3.1 杂散电流的测试方法及结果

杂散电流常用的测试技术包括管地电位测试、土壤电位梯度测试、电流探针测试、智能杂散电流检测仪检测等几种方法。管地电位是指埋地天然气管道与参比电极之间的电位差。管地电位测试能够直接反映杂散电流的影响，土壤和管道中有电流流过时会引起电位的变化，通过管地电位偏移可以对杂散影响进行判定，是当前应用的主要方法。根据参比电极位置不同有直接参比法、地表参比法、近参比法、远参比法等。

广珠轻轨杂散电流主要通过管地电位测试法进行检测。利用杂散电流电子测试仪，对广珠轻轨附近的天然气管道各测试桩进行连续监测，检测天然气管道管地直流电位和交流电位，采样频率为1次/秒，持续时间24小时。

3.2 杂散电流判定

GB/T 19285-2003《埋地钢制管道腐蚀防护工程检验》规定，埋地钢质管道的直流干扰，可用管道任意点的管地电位较自然电位的偏移或管道附近土壤表面电位梯度来进行测量和评价，根据管地电位偏移评价杂散电流强弱的指标见表1，根据地表土壤电位梯度评价杂散电流强弱的指标见表2。当管地电位正向偏移≥20 mV或管道附近地表土壤电位梯度≥0.5 mV/m时，可以判定存在直流杂散电流干扰；当管道任意点的管地电位较自然电位正向偏移≥100 mV或管道附近地表土壤直流电位梯度≥2.5 mV/m时，管道应采取直流排流保护或其他防护措施。该标准规定测定时间段一般为40―60分钟，对运行频繁的直流电气化铁路可取30分钟，读数时间间隔一般为10―30秒，电位交变剧烈时，不得大于10秒。

广珠轻轨附近的天然气管道管地电位检测时间段为24小时，采样频率为1次/秒，符合标准的规定。广珠轻轨运行时间一般为6：30―22：30，深夜00：00―凌晨6：00可以看作轻轨停运时间。从各测试桩管地电位―时间曲线中可以看出，无论是直流电位，还是交流电压，管地电位在轻轨运行期间波动较大，除了稳定的电位波动外，间隔大概15分钟左右管地电位还会受到瞬时电压脉冲的影响，通电电位蹿升到极值，持续时间极短；在轻轨停运期间管地电位比较稳定。由于在检测期间天然气管道的阴极保护仍在通电，为了便于判定，可以把轻轨停运后的管地电位看作是阴保通电期间的“自然电位”。过滤掉电压脉冲影响部分，在轻轨运行期间，管地直流电位相对于“自然电位”偏移较大，达到100―150mV，而且偏移正负交替变化，同一地点，既向正向偏移，又向负向偏移。因此可以判定天然气管道受到广珠轻轨动态直流杂散电流的干扰。

根据各测试桩交流电压测试结果，交流电压并没有持续长时间出现大于4V的情况，平均交流电压在0.02V～1.88V之间。间隔大概15分钟左右，交流电压升高并蹿升到大概10V左右，持续时间20秒到3分钟不等，这主要是机车通过时出现的脉冲电压。当凌晨时分轻轨停运期间，交流电压稳定在一个很低的电压值。

根据美国NACE标准，判断交流杂散电流是否引起腐蚀的参数是交流电电流密度。检测到测试点的土壤电阻率最小为169.56（Ω・M），交流干扰电压最大为10V，计算结果交流电流密度为13.3（A/M2），远小于可能发生交流干扰腐蚀的电流密度值。由管道直流电位的检测结果可知，天然气管道主要是受到广珠轻轨动态直流杂散电流的干扰，对于这种瞬时的交流电压影响可暂不考虑，可在直流干扰排流措施实施后再进一步检测确定。

4 结论及建议

天然气管道受到附近并行的广珠轻轨动态直流杂散电流的干扰。建议尽快对该段管道进行直流杂散电流的排流工作，排流方案可选择极性接地排流或强制电流排流，这两种排流方式均比较成熟，应用广泛，具体方案可待专家论证后设计，根据现场实际情况，特别是土地征用情况，选取最佳的排流方案。

天然气管道也受到交流杂散电流干扰，但这种干扰对管道腐蚀影响较小，暂时可不采取排流保护措施，可在直流干扰排流措施实施后再进一步检测交流杂散电流干扰情况。

参考文献

[1] 胡士信，主编.阴极保护工程手册[M].北京：化学工业出版社，1999年

[2] 陈志光，秦朝葵，马飞.轨道交通动态直流杂散电流检测与判定[J].煤气与热力，2011，31（10）

作者简介

孙政，男，工程师，2001年毕业于华中科技大学（原华中理工大学），现任中海石油气电集团工程部项目管理高级主管。