（油气储运工程专业论文）交流电气化铁路对相邻油气管道干扰影响防护技术研究.pdf

s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h es t u d yo fi n f l u e n c ea n d p r o t e c t i o no nn e a r b yo i la n dg a su n d e r g r o u n d t h ee n g i n eo fs t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o no f o i la n d g a s ：舞篡竺篙：兰逃，m c u i z h i j j a n ( s j g n a t l l m )矬至竺) ，刀y 、 a b s t r a c t w i n lt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rl i n ea n da ce l e c t r i c r a i l w a ya n dt h es c a l eo ft h e b u i l d i n go fo i la n dg a su n d e r g r o u n dp i p e l i n ei sl a r g e r ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l de f f e c to f e l e c t r i cr a i l w a yo no i la n dg a su n d e r g r o u n dp i p e l i n ea n df a c i l i t i e si si n e v i t a b l e t h es t u d yo f i n t e r f e r e n c eq u e s t i o no fe l e c t r i cr a i l w a yb e c o m em o r e i m p o r t a n t t oc a l c u l a t et h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fa ce l e c t r i cr a i l w a yw i l ld om u c hh e l pt o e v a l u a t i n gp o l l u t e dd e g r e eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ta l o n gr a i l w a y s i nt h i s d i s s e r t a t i o n , ih a v ec a l c u l a t e dt h em a i ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d se m i t t e db ye l e c t r i f i e dr a i l w a y s w i t hm e t h o do f m i r r o ri m a g e 。t h e nih a v eg i v e n c o n c l u s i o n so f t h e o r y i nt h i st h e s i s ，b ym e a n so f a n a l y z et h er e s u l t so ft h et w oa l t e r n a t i v ec u r r e n tc o r r o s i o n e x p e r i m e n t s ( t h e ya r ea cc o r r o s i o ne x p e r i m e n ti n d o o r sa n dc o r r o s i o ne x p e r i m e n to nm e t a l s p e c i m e n sb u r i e dmu n d e r g r o u n d ) ，r e s e a r c ho nt h ea cc o r r o s i o nc o n d u c t i o nt ot h em a t e r i a l s o fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e sa st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：( 1 ) t h ee f f e c to fa c v o l t a g e 、r e s i s t i v i t y 、 t e m p e r a t u r ea n de x p o s ea r e ao nc o r r o s i o nr a t e s ；( 2 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g ea c c u r r e n td e n s i t ya n dw e i g h tl o s s ；( 3 ) 龇r e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g ea c c u r r e n td e n s i t ya n d t i m e ；t h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yt h e o r yi sa d v a n c e d f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l to fm e t a l s p e c i m e n sb u r i e di nu n d e r g r o u n d ，d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fa cs t r a yc u r r e n to nc a t h o d e p r o t e c t i o nb yu s i n gg a l v a n i ca n o d em e t h o d f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sr e s u l t sa n dl i t e r a t u r e s ，a ct h e o r yw a sp u tf o r w a r d a n ds u g g e s tu s i n gd i o d ea n dg a l v a n i ca n o d em e t h o dt o a l l e v i a t i n ga cs t r a yc u r r e n t c o r r o s i o n k e yw o r d s ：a l t e r n a t i n gc u r r e n te l e c t r i cr a i l w a y ；o i la n d g a sp i p e l i n ei n f l u e n c ef a c t o r t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no fl a n z h o ur a i l w a yd e s i g n d e p a r t m e n t ) i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：维生旗日期：2 蚀& 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：趔墨! ，】 日期：型苎! 墨：2 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 近年来，随着能源工业的发展，电气化铁路和埋地金属管道都在以惊人的速度建设 着，然而各部门对于传输走廊的择优原则都极其相近，使得后建工程不得不与已建工程 相邻( 平行和相交) ，在局部地段通过公共走廊，使得电力线路对埋地金属管道的电磁 危险影响问题日益突出。 交流电气化铁路与油气管道平行或接近敷设时就会产生感应电压，这种感应电压被 称为交流感应电压，其成因主要有三种： ( 1 ) 静电场影响：强电线路与金属管道由于静电场的作用，通过分布电容耦合引 起管道对地电位升高，这种影响只在地面管道或正在施工的管道才会出现。 ( 2 ) 地电场影响：管道处于地电位变化剧烈的土壤中，所引起的管地电位升高叫 地电场影响。这主要是地中电流引起的耦合现象。即高压输电线路出现故障时的短路电 流，电气化铁路或两相一地电力线路的泄漏电流流入大地中造成的地电场影响。 ( 3 ) 磁感应耦合：磁感应耦合也称磁干扰，它是因交变变相电流周围产生磁场作 用而在管道上产生的二次交流电压或电流，也称磁干扰或磁感应。 电气化铁路以交流电作为动力时，交流线路会在埋地金属管道上产生感应电压，对 人体和设备会产生一定的危害。按照干扰电压作用的时间可分为瞬时干扰、间歇干扰和 持续干扰。 ( 1 ) 瞬间干扰 表现干扰持续时间特别的短暂，一般不会超过几秒钟。大都在强电线路故障时产生， 电流很大，干扰电压甚高，有达到干伏以上的可能。但因作用时间短暂，事故出现的几 率较低，故瞬间干扰安全电压临界值可略高一些，很多国家定为6 0 0 v 。这种干扰下， 不考虑交流腐蚀导致氢损伤、防腐层剥离和牺牲阳极极性逆转等。 ( 2 ) 间歇干扰 表现出干扰电压随干扰源和负荷变化，或随时间的变化。如电气化铁路的干扰，间 歇性表现的就很明显。当电铁负荷( 列车) 处在某一位置或区段时，对邻近管道形成短时 干扰，列车未到或已远离后，干扰由减弱到消失。其间歇时间长短，与铁路的利用率， 即列车运行次数有关，单线铁路间歇时间长，复线铁路间歇时间短。间歇干扰的另一种 特点是干扰电压幅值变化快和变化大，而交流腐蚀、防腐层剥离、镁阳极极性逆转等过 程缓慢，同时具有时间积累效应，所以应予以适当的考虑。其临界安全电压应比照持续 干扰，且比持续干扰的临界安全电压高出2 - - - 3 v 。 两安石油大学硕f ：学位论文 ( 3 ) 持续干扰j 持续干扰- 丰要表现在干扰的持续性，即在大部分时间内都存在干扰。如输电线路的 干扰就是持续干扰的明显例证。几乎在全天内每时每刻都会测出干扰。当然输电线路亦 有负荷大小的变化，因此持续干扰亦随电力负荷的变化而变化。对持续干扰而言，应用 时考虑对人身综合的影响和对管道腐蚀等不利的影响。 在过高的交流干扰电压长期作用下，埋地金属管道会产生交流腐蚀，防腐层可能会 剥离，管道金属也可能会出现氢破坏。对有阴极保护的管道，其保护度下降，严重时使 阴极保护设备不能正常工作甚至破坏。对于管道牺牲阳极保护来讲，过高的交流电压会 使镁阳极性能下降，甚至极性逆转，从而加速管道腐蚀。 基于交流电气化铁路与相邻的埋地金属管道产牛上述的交流干扰影响，能够准确地 计算交流电气化铁路周围电磁场的分布，了解电气化铁路对周边环境的污染程度，进而 通过实验研究交流腐蚀的机理，为交流电气化铁路对埋地金属管道的腐蚀方面的影响提 出合理的防护措施就显得尤为重要了。所以研究交流电气化铁路对邻近金属管道的影响 是一项非常有意义的工程应用课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 交流电气化铁路的发展现状 电气化铁道是以电能作为牵引动力的一种现代化运输工具，它的发展史己有一百多 年。在电气化铁道上运行的列车由电力机车牵引，电力机车本身不带生产能量的装置， 也不储备燃料，所需的电能是由电力部门供给的。 先由发电厂、站把电能经电网输送到区域变电所，再经高压输电线路送到铁路部门 的牵引变电所，然后用馈电线将它馈送到架设在铁路线上方的接触网上，并以回流连接 线与钢轨连接，构成回路。电力机车通过受电弓及车轮，与接触网导线及轨道接触，机 车受电。 在电气化铁道的牵引供电系统中，根据电流和电压的不同，大致可分为直流制和交 流制两种供电方式。在交流牵引供电制中又分为低频单相交流制和工频单相交流制两 种。低频单相交流制出现在本世纪初，采用的频率和供电电压为1 6 h z l 5 0 0 v 。在德 国、瑞典、瑞士、奥地利、挪威等电气化发展比较早的国家里，至今仍全部或大部分采 用这种供电制；而美国则采用的是2 5 h z l l 0 0 v 。目前，低频单相交流制约占世界电气化 铁路1 7 5 。虽然它具有交流制的许多优点，但由于它采用的频率较低，与目前广泛使 用5 0 或6 0 h z 的工业频率不一致，变电所设置复杂的频率变换装置，在世界上没有得 到广泛采用。 第一章绪论 5 0 或6 0 h z 工频单相交流制是近四十年来发展起来的一种供电方式。在这种供电方 式中牵引变电所将三相交流电中的一相送至接触网上。将交流电变为直流电的大容量整 流器是装在机车上的，在电力机车上仍然用直流串激电动机。工频单相交流制排除了直 流制和低频单相交流制的缺陷，能直接从具有巨大容量的电力系统取得电能，它是牵引 供电方式中的后起之秀，发展很快，采用的国家越来越多，现在已占世界电气化铁道的 3 2 5 。 我国铁道部五十年代开始建设电气化铁道时，原定采用直流制，直到1 9 5 7 年法国 对工频单相交流制的试验成功，促使我们再次论证研究，于1 9 5 7 年9 月确定按工频单 相2 5 千伏交流制设计建成，为我国电气化铁道的发展确定了正确的方向。到目前为止， 我国电气化铁道总里程已超过一万公里，成为电气化铁道发达的国家之一。 1 2 2 交流电对金属管道腐蚀影响的研究现状 随着现代化铁路的发展，越来越多的新建线路采用了电力牵引设计，许多旧线路的 电气化改造工程不断实施。高压输电线路中的电流辐射产生的工频电磁场会对附近的埋 地管线感应出交流电压，并引起交流腐蚀。关于交流腐蚀的研究经历了一个很长的时期。 在1 8 8 7 年柏林电气协会成立了干扰问题委员会，该委员会不仅研究电信线路本身 的干扰影响，也研究有电力线路产生的干扰。 进入二十世纪以后，各国对电力线路在邻近金属管线上产生的影响越来越重视，但 这些研究还是局限于电力线路对电信线路的电磁干扰问题。 。 1 9 0 7 年h a y d e n 就开始研究此课题。他提出：铅的交流腐蚀率为直流腐蚀的0 5 。 1 9 1 6 年b m c c o l l u m 发现：钢和铅的腐蚀速率随频率的增大而减小。对于工业频率 此腐蚀率只有直流的l 2 。m i l l e r 的试验结果表明：交流1 0 伏和直流0 5 伏的腐蚀相 当。 s m a r s h 介绍了他对一组电极反应的研究：用铂、金、镍电极放在硫酸和钡( 氢氧 化钡) 溶液中，在频率为2 5 8 0 赫兹时交流电解的研究。研究表明：交流电的频率不同， 对金属的腐蚀有不同的影响，并且当交流电的频率在6 0 赫兹时它对铂、金、镍电极的 影响最严重。 k w m i i l e r 讨论了在地下安装的铅壳单导体电缆因感应交流壳层电流和电压而引 起的交流腐蚀的降低方法，并暗示壳层的1 0 幅交流电压能与阳极电压大约0 5 伏的直 流产生的电解相平衡。 s e a r i n g 和k i r k e 报道的在6 0 赫兹的电缆铅壳的腐蚀性调查说明：在单位电流密度 为l 毫安英寸2 的地下电缆线的金属的交流损失为2 7 密尔年。 s h i p l e y 和g r a n b o i s t 通过用碱性管道水做铅铜电池的电解质，分别在充气和不充气 两种条件下调查了地下铅壳电缆的腐蚀试验。当加2 5 赫兹的电流时，从无腐蚀铅阳极 3 两安石油大学硕士学位论文 到电解质的直流电流增加了；但当用腐蚀的电极测试时，铅电极为阴极，当更大的交流 加到电极上，它的极性更负。因此，通过感应交流电流，铅电缆在充气和不充气两种环 境下都会腐蚀，因为腐蚀的影响可以积累，对感应壳体电压随载荷电流成线性变化的负 载电缆的现场测试可说明：交流载荷的增加导致沿壳体流动的阴极电流的净增。 美国煤气工程师协会腐蚀委员会在1 9 5 5 年的调查结果表明：2 7 个煤气公司的管道 上存在交流干扰，又7 个公司认为他们的管线上出现了交流腐蚀的情况。 b r u c k n e r 和j a n s s o n 开展了一系列埋地钢受交流腐蚀的研究。他们发现叠加的交流 增加了腐蚀，提出了对铅阴极保护的试验室测试。此试验的一个显著特征是由于不均匀 电流密度而导致腐蚀，测量时使用了不对称电极。 r p i o n t e l l i 研究了铁、镍、铜、铝、锌和铅的交流腐蚀，做了以下几方面的调查： 电流密度和频率的影响；电解液和环境的影响；结构和金属表面状况的影响。 w h b r u c k n e r 和美国煤气协会在i l l i n o i s 大学作了一个两年半的研究：与正常埋在 土壤的有涂层管线相比，在邻近高压输电线的有涂层管线上感应的交流感应电流是否会 对管线腐蚀起加速作用。w h b r u c k n e r 研究了恒定电流和电压对含铁和不含铁的金属 由于温度和电的作用而产生的腐蚀影响。发现钢电极上的腐蚀膜并无整流迹象。随交流 的增加，保护电流降低；当交流电流密度超过毫安英寸2 时，对钢电极和无直流成分的 土壤电池其交流腐蚀可忽略不计。相对交流腐蚀而言，直流成分是腐蚀的主要原因所在。 h c r o b i n s o n 和j w r o g 讨论影响交流感应电流的影响因素有：结构的几何形状， 输电线输送电压的能级，土壤电阻率，管线涂层质量以及平行共存的长度等外在因素。 此外，根据管线上的不同状态，管线上的交流电压可以与电力线电容耦合，感应耦合以 及电阻耦合三种情况。从减轻埋地钢管腐蚀和人身安全方面考虑，提出了七条安全准则。 1 9 7 8 年p o o k o t e 使用了氧扩散电池，研究了土壤中电流对钢铁腐蚀的作用。 国内对交流腐蚀的研究较晚，是在七十年代后期开始的，到目前为止，这方面的研 究资料也不是很多。 尹可华、唐明华等提出了新的研究途径：用电场理论和电化学理论相结合的方法来 研究交流腐蚀，从而产生了一个新概念电场腐蚀论。受变化极快、强度甚大的交流 电场的作用，金属的电化学过程发生了变化，电场强度是一个重要的物理量。在测量和 分析干扰电压、电位梯度、点电流密度、失重量和腐蚀坑深之后，可以看出，失重量随 平均电流密度而增加，腐蚀坑深却随干扰电压而加剧。根据埋片试验结果，初步提出了 交流腐蚀临界安全电压指标：在含盐量小的弱碱性土壤中，1 0 伏可以认为是安全的。 并分别对镁锌铝牺牲阳极的保护性能做了测试。 邓树滨则主要讨论了杂散电流对阴极保护的影响：它使牺牲阳极性能明显下降。 国内东北输油局对盖州段输油管道的交流干扰研究表明，因两线一地变电站的接地 极距管道太近，有5 0 - 4 0 0 m 的距离，使管道产生了最高交流干扰电压可达7 2 伏。 最近，地下电力电缆出现了严重的腐蚀，而引起这种腐蚀被认为是由于交流杂散电 4 第一章绪论 流引起的。人们把不按规定线路流通的电流称为杂散电流。杂散电流一旦流入埋地金属 体，再从埋地金属体流出，进入大地或水中，则在电流流出的部分发生激烈的腐蚀。因 此，人们对此又大为关注起来。但是，交流腐蚀的机理尚未弄清，就像工程实际所迫切 需要的安全电压指标至今尚未完全确定一样。交流腐蚀在理论方面众说纷纭，争议很大。 1 3 论文的主要内容和创新点 ( 1 ) 主要内容 电气化铁路以交流电作为动力时，交流线路会在埋地金属管道上产生感应电压，对 人体和设备会产生一定的危害。为了能够准确地反映交流电对埋地油气管道的影响，本 论文包括以下几方面的内容： 应用镜像法对直接供电方式电气化铁道产生的电磁场进行了计算，有利于估算交流 电气化铁路对周围环境的污染程度并为试验提供理论基础；取现场的土壤进行相应的理 化分析，配制与现场相符合的模拟液，通过室内挂片实验分析各种影响因素( 包括电阻 率、电压、温度、泄漏面积等) 在有交流电压作用时对埋地金属管道的影响规律；进行 现场模拟实验验证交流电气化铁路对埋地金属管道的阴极保护及腐蚀方面的影响规律。 通过实验提出交流电气化铁路对埋地金属管道腐蚀的机理，进而提出合理的防护措施。 ( 2 ) 创新点 应用镜像法对交流电气化铁路进行电磁场的理论计算，并通过挂片和现场模拟试验 研究交流腐蚀的机理。 ， 两安石油大学硕： ：学位论文 第二章电气化铁路对埋地金属管道电磁干扰理论基础 目前，全国5 0 以上的铁路实现了电气化，因此，准确地计算电气化铁路周围的工 频电磁场，有助于对沿线电磁环境进行初步的评估。 过去对电气化铁路周围低频电磁场的研究常常把各种复杂条件都进行了简化处理， 计算模型与铁路实际差别较大，计算结果不能满足实际的需要。论文应用镜像法对我国 投入运行的主要的供电方式电气化铁道产生的电磁场迸行了计算，计算考虑了全部金属 导线的作用，因此与实际更为接近。论文主要以单线直接供电系统、复线直接供电方式 为乇进行计算。 2 i 电场的镜像法计算 镜像法是在研究的区域之外，用一根或几根假想的导线，代替原来的边界，使得这 些导线和原有的导线一起产生的场满足原来的边界条件。 如图2 一l ，设有无限长直导线放置在距地面高度b 米的空间，导线的工作电压为u 1 。 由于大地是具有零电位的平面，而且大地与导线一样同是导电介质，所以大地的影响可 用实导线在地下的镜像来代替，即把大地视为一根导线放在地面下。地下地上必须是同 样的导线，带有相等而符号相反的电荷，距地面有相等的距离，而电位及电场强度的分 布将无改变。如求出导线的单位长度电荷，则可求在导线周围电场内任一点a 的电位， 然后可根据电位来求a 点的电场强度。 设q l 和一q 1 分别为实导线l 与镜像导线l 上的单位长度电荷，d 。和d 。，。分别为实 导线1 和镜像导线1 与点a 的距离，r 。为实导线1 的半径，d 。为实导线1 与镜像导线 1 的距离。则从电磁理论中可知，在a 点的总电位为： 铲去h 等 沼d 同理可得实导线l 的表面电位为： 吼= 当l n 垃 ( 2 2 ) z 7 瑶o1 式中：s 。一在真空中的相对介电常数，s 。= 一1 0 一f m 。 6 第一章电气化铁路对埋地金属管道电磁干扰理论基础 地平面 图2 - 1 单线回路1 在a 点产生的电位示意图 i 爱k o = 1 8 x1 0 9 m f , 鼻i = l nd 吒u ，纠n 盟d l o 赚 ( 2 3 ) 式中：p l l 一导线1 的自有电位系数5 p l 。广导线l 与a 点的户有电位系数。 如在导线l 周围电场内有一无限长细直导线2 ，也就是说有两根无限长的细直导线 平行放置在空中，应用叠加原理可得每根导线上的电位等于各根导线电荷产生的电位之 和。设两根导线l 和2 分别具有电压u l 和u 2 ，其单位长度电荷分别为q 1 和q 2 ，则： j u i 2 k 。9 i 见l + q 2 p 1 2 之( 2 - 4 ) l u 22k o k l p 2 l + q 2 p 2 2 ) 写成矩阵的形式为： 具有电压u i 、u 2 、u n 和单位长度电荷q l 、 = k o q l p l i + 9 2 p 1 2 + g 。p l 。) = k o q l p 2 l + 9 2 p 2 2 + 鼋。p 2 。) = k o ( g l p l 。+ 9 2 p 2 。+ g 。p 。) 7 ( 2 5 ) q i i ) 1 a 一 ( x ， d i i d ，l b 一q l i n a = = 缈缈 久 戳账 根 叽 多 、 有 如 啦 i 2 一 u u u ，、，l 西安石油大学硕一 ：学位论文 ( ，l u t u 。 p l lp 1 2 p 2 lp 2 2 p 。lp h 2 因互电位系数具有互易特性，故p 驴= p ，有： g i 9 2 g 。 k i - p p 1 2 p l n p 2 2 2 p 。lp 。2 p 。 所以空间任意一点电位为： 妒。= k o k l 。p 2 。p 。 p 。 至此求得空间任意一点a 的电位， e 。= 一v 其模值为： e 。= 即为所求。 2 1 1 单线直接供电方式电场分布算例 u u 2 【，。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 单线直接供电方式以承力索和接触导线并联组成接触网作为馈电线，以钢轨和大地 作为回流通道。供电示意图如图2 2 所示： 8 吼吼 一 吼 =iiiiojiii= 一 肼 抽 u u u ： 丌joioj0且为 月 h f 纵城 一 一 场电 2 2 2 一a 几如糠 。h 卧n见以所 第二章电气化铁路对埋地金属管道电磁干扰理论基础 匕 回流连接线广l i eo 0 图2 2 直接供电方式 电气化铁道采用直接供电方式时，其供电回路由牵引变电所愤电线- 接触网 和承力索电力机车钢轨和大地变电所接地网回流连接线组成，属于不 对称供电系统。电力机车需要的牵引电流由牵引变电所提供，通过接触网送至电力机车， 由于钢轨有较好的导电性，经过电力机车的电流一部分经钢轨返回变电所；而另一部分 则由钢轨经过大地返回变电所，形成了如图2 - 2 所示的电流回路。 对于单线的导体传输线位置如图2 3 所示： 卜1 4 3 5 叫 图2 - 3 单线的导体传输线位置 由图2 1 可知，a t 单线供电时a 点的电位： 吼= 去h q l i n d 瓦r 如图2 1 有： 9 西安石油大学硕士学位论文 则： e o = = k o q l x 1 x lx x l 。oooooo一 ( x - - x 。) 2 + ( 少+ 少。) 2 ( x 一_ ) 2 + ( y + m ) 2 y + y l ( x - x , ) 2 + ( y + m ) 2 将式2 1 2 、2 1 3 代入2 - 9 得： ? e o = y 。y l ( x 一_ ) 2 + ( y y 1 ) 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 兰二苎 一 兰二兰 ( x - x , ) 2 + ( 少一y 。) 2 ( x 一五) 2 + ( j ，+ m ) 2 2 + j 一一y 一咒 y + m l - ( x 一一) 2 + ( y m ) 2( x 一而) 2 + ( y + m ) 2 已失1 ：1 - k o = 1 8 x 1 0 9 m f ；i j = 4 0 0 a ；导线半径为6 6 m m ： 贝l jq l = 四= - 半x 3 1 4 x ( 盖) 2 一o 吻3 6 k k o q l = 1 8 x 1 0 6x 0 0 2 7 3 6 = 4 9 2 4 x 1 0 5 则建立相应的直角坐标系有： ( _ ，y 1 ) = ( o ，6 3 ) ( x ，- y , ) - - ( o ，- 6 3 ) ( 2 1 4 ) 则将y = 2 m ：y = 3 m ；y = 4 m ；y = 5 m ；分别代入到式2 1 4 并且，x 在0 - 7 0 k m 之间变 化，经计算画出电场分布图为： 1 0 1j 1，j 9 g k 足 = = 监魂 饥砂 第二章电气化铁路对埋地金属管道电磁干扰理论基础 电场场强分布e - x 图2 - 4 单线直接供电方式的电场分布图 2 1 2 复线直接供电方式电场分布算例 复线直接供电导体传输线位置如图2 _ 4 所示： 一、 j l f - 接触吖 3 h l 芒：3 钢轨 、。 工工 f 工1 0 ；上矗扣- k f 蠢，未矗k 内k蠡a k r ；：矗0 止焉k i 广膏：e 卜1 。4 3 5 叫 _ 一2 图2 - 5 复线直接供电导体传输线位置 8 得： 西安石油大学顾_ ：学位论文 ；i 入 则由图2 5 可知： d l 口= d t 。= - q l 图2 - 6 复线回路在a 点产生的电位示意图 则：吼2k q li n+ k q 2 i n d e 口口 o 积a p = k o q i 耳翩一丽x - - x i ，i x - - x 2 民g z 丽 x x 2 i f 可而j o 钞( p = k o q t 瓦翩一瓦丽y - y 而t 耳翩 将式2 1 5 ，2 一1 6 代入到乞= 一 兰二丝 ( x - x 2 ) 2 + ( y 一奶) 2j 1 2 + + 地平面 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ，并将相应的x 和y 坐标代入作图 第二章 电气化铁路对埋地金属管道电磁干扰理论基础 电垢场强分布一e x 2 2 磁场的镜像法计算 事早蠢一i p 畸 图2 - 7 复线电场分布图 如图2 1 ，设有一无限长直导线1 放置在距地面高度b 米的空间，导线的工作电流 为i l ，大地的对磁场的影响可用实导线在地下的镜像i 来近似，即把大地视为一根导线 放在地面下，地下地上必须是等值反向的电流。由于大地不是完全导体，内部也存在着 磁通，所以必须确定镜像导体的等效深度。 根据“渗透深度”的概念，即当波从大地表面向内部传播时，经过6 距离后，其值 衰减到表面值的1 e 倍。对于平面波，满足6 a = l ，式中i f , 为衰减常数，为： ( 2 - 1 7 ) 如果把大地视为导体，由于黟0 3) l ，灿半，。为大地电导率。g 。yz 而渗透深度为6 ：! ：，三， 口 v 刃仃 若胪4 删o 7 日概则渗酥度( 亦称实数深度) 为6 - 5 0 3 1 方l f - f - ，复数深度 西安石油大学硕士学位论文 与实数深度有如下的关系：6 = ( 1 + j ) d 所以复数深度为： d = 譬& 吖詈= 华p ；压 可得镜像深度为y l + 2 d 。 则有电磁理论中可知，在a 点的磁场为： 虬q 川1 。 掣一嗡产 出矿_ 掣一掣 b ：l = 0 其中：d 己：瓜i 再而 d 己：瓜i f 万巧丽 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 如有多根导线1 、2 、i 、n ，具有电流i l 、1 2 、oo o i i 、i n ，则空间任意一点a ( x ，y ) 的电场强度为： 其中： b ，= b 。 t = l音21 0 - 3 i i 可y - y 1 ) 一喘产 = 和旷 掣一掣 d 己= 瓜i 再而 d 乞= 瓜i 再万瓦i 万 所以a 点磁感应强度模值为： ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 即为所求。 磁场的计算过程与电场相类似，将相应的数据和坐标代入到公式2 2 4 ，并画图得： 单线直接供电方式磁场分布： 1 4 。闽 = 影 第二章电气化铁路对埋地金属管道电磁干扰理论基础 嗽感应臻度分布蕾b 一鬟 图2 - 7 单线磁场分布图 复线直接供电方式磁场分布图 磁莲应强度分布啊b x 图2 - 8 复线磁场分布图 由以上结果可知道，单线和复线供电周围的电场强度几乎相等，而单线供电时周围 的磁场强度分布要大于复线供电方式的周围磁场强度。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章对直接供电的交流电气化铁路的工作原理进行了介绍，通过镜像法对单线和复 线直接供电的电气化铁路的电场和磁场的分布情况进行了计算，并画出了相应的电场和 磁场的分布图，通过计算可知直接供电的电气化铁路周围电场的分布的最大值小于 3 k v m ，而单线供电时周围的磁场强度分布要大于复线供电方式的周围磁场强度，进而 也为后面的室内和室外实验提供理论依据。 1 6 第三章腐蚀挂片实验及实验结果分析 第三章腐蚀挂片实验及实验结果分析 为了分析交流电气化铁路对其邻近的埋地金属管道的影响，本论文设计了室内交流 腐蚀电路，通过有、无交流电压作用的试片的腐蚀速率的比较来分析交流电对埋地金属 管道腐蚀的影响。 交流电气化铁路对埋地的油气管道的影响与当地的土壤环境有着密切的关系，不同 的土壤所产生的腐蚀影响大小不同，而且腐蚀机理也有所不同，所以论文针对本课题的 具体的现场情况，到现场取土，对土壤进行理化分析从而可以为室内实验溶液的配制提 供理论依据，提出各个影响因素对交流腐蚀规律的影响。 3 1 实验条件 在土壤环境中，金属材料因腐蚀而造成的破坏，给国民经济建设带来了重大损失。 如何就土壤对金属的腐蚀性作出评价和预测，在实际工作中采取相应的保护措施，尽量 减少土壤对金属材料的腐蚀破坏，无疑是腐蚀研究中的一个十分重要而有意义的课题。 但是由于土壤腐蚀介质本身的特殊性和复杂性，金属材料土壤腐蚀的影响因素不仅个数 多，而且存在着交互作用，它们与土壤的腐蚀性之间的关系十分复杂，决非简单的线性 关系，再加上土壤的腐蚀性常常随时间和空间而变化，所以要模拟测量金属材料在土壤 中的腐蚀速度，就必须对土壤进行理化分析。 3 1 1 土壤含水量的测定 取现场的土壤采用称重法测定水的含量，计算公式如下： 土壤含水量：堡丑1 0 0 ( 3 1 ) l 一 式中：w l 一器皿和湿土的重量o w 2 _ 器皿和干土的重量； 、o 一器皿的重量。 实验测定结果如表3 1 所示： 表3 - 1 土壤含水量 试验情况第一组实验数据 第二组实验数据第三组实验数据 w l ( g ) 9 0 2 3 4 5l2 0 3 6 2 4l8 0 8 9 3 2 w 2 ( g ) 7 7 0 8 4 59 9 6 8 6 31 4 3 0 5 7 1 w o ( g ) 4 0 2 3 4 64 0 2 2 2 6 4 0 2 3 8 6 土壤含水量( ) 2 6 32 5 82 6 9 土壤含水量取甲均值 2 6 3 两安石油大学颐上学位论文 通过实验测定现场土壤的含水率为2 6 3 ，查找相应的规范该土壤属于含水率较高 的土壤。 3 1 2 土壤浸出液的制备 采来的土壤及时进行风干。将土壤样品仔细挑去石块、根茎等杂物，平铺在干净的 滤纸上，摊成薄层放于室内阴凉通风处风干，并经常翻动加速干燥。风干后的土壤样品 用研钵碾碎，然后通过6 0 目筛( 孔径0 3 m m ) 留在筛上的土块重新碾碎，再次过筛，直 至全部土壤样品通过。称取1 0 0 克( 准确至0 1 克) 土壤样品，加入5 0 0 m l 去离子水( 水土 比为5 ：i ) ，置于往复式振荡器上，以8 0 次分振速振荡4 小时，静置2 小时。经离心 分离过滤后，取上清液过滤后供分析用。 3 1 3 土壤p h 值的测定 本实验测定土壤的p h 值采用的酸度计，采用的是p h s 2 5 型号的酸度计。将酸度 计用标准缓冲溶液进行标定后，取制备好的土壤浸出液进行p h 值测定，测得的结果为 p h = 7 8 5 3 1 4 土壤中氯离子的测定 土壤溶液的总盐量高时，通常氯离子的含量也很高，而氯离子的含量直接影响着腐 蚀速率，所以必须测定土壤中氯离子的含量。关于氯离子的测定方法也很多，常用的有 a g n 0 3 滴定法( 莫尔法) 、h g n 0 3 滴定法和氯电极法( 直接电位法和电位滴定法) ，在 本实验中根据土壤的p h 值及其土壤特点采用a g n 0 3 滴定法( 莫尔法) 。 该方法主要是根据分部沉淀的原理，对在p h 值在6 5 l o 5 的溶液中，用a g n 0 3 标准溶液滴定c i ，以k 2 c r 0 4 为指示剂。反应为： a g + + c i 一一a g c i ( 乳白色沉淀) 指示剂的反应为： 2 a g + + c ，讲+ 一a 9 2 c r d 4 ( 砖红色沉淀) 由于a 9 2 c r 0 4 的溶解度较a g c i 的溶解度大，因此a g + 首先与c l 生成白色的a g c l 沉淀，过量的一滴a 矿与d 讲一生成砖红色沉淀，指示滴定终点。 制备5 ( 质量浓度) a g n 0 3 溶液，将溶液转入棕色细口瓶中，置暗处保存，以减 缓因见光而分解的作用。准确量取一定量的土壤浸出液置于锥形瓶中，加1 m 1 5 k 2 c r 0 4 溶液，在不断摇动下用a g n 0 3 溶液滴定，至白色沉淀中出现砖红色，即为终点。 根据土壤浸出液所消耗的a g n 0 3 标准溶液体积，即可计算出土壤中所含的氯离子 第三章腐蚀挂片实验及实验结果分析 的量。滴定结果如表3 2 所示。 表3 - 2 氯离子测定结果 第一组数据第二组数据第三组数据 土壤浸出液体积( m 1 ) 8 01 0 01 5 0 消耗浓度5 的a g n 0 3 的体积数( m 1 ) 2 o2 4 83 7 3 计算的c l 浓度( m o l l )0 0 0 7 3 50 0 0 7 2 90 0 0 7 3 2 c l 浓度三组数据取平均值 0 0 0 7 3 2m o l l 3 1 5 土壤中硫酸根离子的测定 硫酸盐在自然界分布广泛，在一系列分析中，测定硫酸根离子也是腐蚀实验测定中 不可缺少的项目。测定硫酸根离子含量的方法很多，有色谱法、重量法、容量法、阳离 了交换法和硫酸钡比浊法【2 】等。但离子色谱法仪器价格昂贵，硫酸钡比浊法精密度较差， 另外三种方法操作繁琐冗长。本文采用铬酸钡分光光度法分析土壤中的硫酸根离子，操 作简便快速，精密度、准确度均良好。 风干后的土壤样品以5 ：1 的水土比经振荡、静置沉淀和离心后制备成澄清的土壤浸 出液。在酸性条件下，铬酸钡与浸出液中的硫酸根离了生成硫酸钡沉淀，并释放出铬酸 根离子，中和后，过滤除去剩余的铬酸钡和生成的硫酸钡沉淀，在酸性条件下，置换出 的铬酸根离子呈现黄色。在4 2 0 n m 波长处，用1 0 m m 比色皿进行光度测赳3 1 。 本实验采用的仪器有：u v7 5 4 分光光度计( 上海分析仪器厂) 、振荡器、离心机等。 将无水硫酸钠( n a 2 s 0 4 ，分析纯，在1 0 5 烘2 小时) ，溶于少量水，制备1 0 0 m l 溶液含1 0 0 m g 硫酸根离子的标准硫酸盐溶液。然后于5 0 m l 锥形瓶中，分别加入0 0 0 ， 1 o o ，2 0 0 ，4 o o ，6 0 0 ，8 0 0 m l 硫酸根标准溶液，加蒸馏水至2 5 m l 。然后各加l m l 、 2 5 m o l l 盐酸溶液，加热煮沸5 分钟。取下后再各加2 5 m l 铬酸钡悬浮液，煮沸5 分钟。 稍冷后，向各锥形瓶逐滴加入氨水溶液至呈柠檬黄色，再多加2 滴。待溶液冷却后，用 慢速定性滤纸过滤，滤液收集于2 5 m l 比色管中，( 若滤液浑浊，应重复过滤至透明) 。 用蒸馏水洗涤锥形瓶及滤纸三次，收集于比色管中，用蒸馏水稀释至标线。用1 0 r a m 比 色皿，于4 2 0 n m 波长处，测定吸光度，绘制标准曲线。 ( 3 ) 样品的分析 取2 5 m l 浸出液( 若硫酸根离子浓度很高，可适量少取，加蒸馏水至2 5 m i ) ，以下操 作同标准曲线的绘制。根据测得的吸光度，由标准曲线查得硫酸根离子的量。 1 9 西安石油大学硕 = 学位论文 o 4 5 0 4 o 3 5 o 3 塾2 5 宦s 0 2 0 1 5 0 1 o 0 5 0 o2468l o1 21 4 溶液体积m l 图3 - 1 标准曲线图 硫酸根离子( 卿一，m g k g ) = 等5 l o o o 式中：m 一由标准曲线查得的硫酸根离子的量( m g ) ； v 一浸出液的取样体积( m 1 ) 由图3 1 可知，当土壤浸出液在4 2 0 n m 时的吸光度为0 4 0 1 ， 根离子的含量为： ( 3 2 ) 则计算的土壤中硫酸 浸出液中硫酸根离子含量为( 卿一，m g l ( g ) = 夏1 夏1 8 孤1 = o 0 0 4 8 2 册。，三 3 1 6 土壤电阻率的测定 土壤电阻率是一个综合性的因素，是土壤导电能力的反映，也是目前土壤腐蚀研究 最多的一个因素，一般土壤电阻率越小，土壤腐蚀性越强，有人根据土壤电阻率的高低 来评价土壤腐蚀性的强弱。由于土壤电阻率对土壤的腐蚀特性有重要的影响，所以在本 实验中测定土壤电阻率采用的是四极法和电导率仪两种方法，主要目的是能够互相验 证，使测量结果更准确。 ( 1 ) 电导率仪法测定土壤电阻率 用电导率仪测量土壤浸出液的电导率时，采用d d s - 7 7 3 型号的电阻率仪，测定的结 果见表3 - 3 ： 第三章腐蚀挂片实验及实验结果分析 p ： 表3 - 3 电导率仪测定土壤电阻率的结果 实验情况第一组实验数据第二组实验数据第三组实验数据 电导率( 1 a s c m ) 7 3 9 7 2 l 7 3 5 电阻率( q m ) 1 3