（油气储运工程专业论文）管道杂散电流智能排流装置的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no fi n t e l l i g e n td r a i n a g ed e v i c e f o rs t r a yc u r r e n ti np i p e l i n e s k o n gq i ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs h ix i u m i n a b s t r a c t a sc h i n a sd e v e l o p m e n to fp i p e l i n ei n d u s t r ya n dc o n s t r u c t i o no fe l e c t r i f i e dr a i l w a y sa n d h i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o ns y s t e mi nl a r g eq u a n t i t y , s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o no fp i p e l i n e si s m o r ea n dm o r es e r i o u s ，i t sp r o t e c t i o ni sb e i n ga t t r a c t e da t t e n t i o ni n c r e a s i n g l y a c c o r d i n gt o t h es t a t u sq u o ，t h i sp a p e rs t u d i e sp i p e l i n es t r a yc u r r e n ti n t e l l i g e n td r a i n a g ed e v i c e si no r d e r t om i n i m i z es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o no fp i p e l i n e s ，t h u sp r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f eo fp i p e l i n e s t h i sp a p e rr e v i e w st h er e a s o no fa l t e r n a t i v es t r a yc u r r e n tb r o u g h ta b o u t ，a sw e l la st h e h a r m f u le f f e c t so nt h ep i p e l i n e sa n dt h ec u r r e n tp r o t e c t i v em e a s u r e s ；p u t sf o r w a r dt h e p r o b l e m se x i s t i n gi na l t e r n a t i v es t r a yc u r r e n tp r o t e c t i o n ；a n dh i g h l i g h t st h eb a s i cp r i n c i p l e so f d r a i n a g ed e v i c e sa n dt h er e l a t i v ek n o w l e d g ea b o u ts c m m s p 4 3 0 f14 9w h i c hi st h ec o r e h a r d w a r eo fd r a i n a g ed e v i c e s t h i sp a p e re l a b o r a t e s0 1 1t h ec i r c u i td e s i g ni nv a r i o u sp a r t so f t h ed e v i c e ，i n c l u d i n gv o l t a g ea c q u i s i t i o nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，t h ek e y b o a r da n dd i s p l a y c i r c u i t r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yc i r c u i ta n dp c b b o a r d s d e s i g na n dp r o d u c t i o n , t h em a i np r o c e d u r e so fd r a i n a g ed e v i c ea r ei n t r o d u c e da tl a s t i nt h i s p a p e r , t h ea u t od e s i g n sas e to fi n t e l l i g e n td r a i n a g ed e v i c e s ，a n dm a k e si n - h o u s el a b o r a t o r y t e s t s ；e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ed e v i c eh a sb e t t e rp r o t e c t i o nf r o ma l t e r n a t i v es t r a yc u r r e n t i n t e r f e r e n c ei np i p e l i n e s k e y w o r d s ：a l t e r n a t i v es t r a yc u r r e n t ，d r a i n a g e ，s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 14 9 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：i b 鹭 日期：年 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 翥詈耋嘉篓耋- 三一 指导教师签名： 厶园坠 日期： 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 改革开放以来国民经济快速发展，能源工业首当其冲。特别是石油工业，经历了从 无到有，从小到大，从陆上油气田的开采到海洋油气的开采的发展过程。进入二十一世 纪国家又鼓励石油企业实行走出去战略，参与国外油气资源的开发利用，我国的石油工 业实现了持续高效的发展。伴随着石油工业的发展，我国迎来了油气管道建设快速发展 的新时期。据统计，我国己建成长输油气管道总长度超过5 万公里，其中天然气管道约 3 万公里，原油管道约1 7 万公里，成品油管道约7 0 0 0 公里，形成了初具规模的跨区域 油气管网。由于管道所经过的区域广、环境复杂，极易受到地下水、细菌和杂散电流等 腐蚀。其中杂散电流对管道的腐蚀危害较大，越来越引起国内外学者对其机理、监测、 管道防护等研究方向的重视。 杂散电流是指在设计或规定的回路以外流动的电流。杂散电流一旦流人油气管道， 再从油气管道流出进人大地或水中，则在电流流出部位发生强烈的腐蚀，即杂散电流干 扰腐蚀，简称为电蚀。杂散电流引起的腐蚀要比一般的土壤腐蚀激烈得多，其危害性很 大。据东北输油管理局统计，东北地区共有长输油管道约2 0 0 0k m ，由于电气化铁路等 设施的大规模建设，受到杂散电流干扰影响的管道日益增多，其中8 0 的腐蚀穿孔事 故是由杂散电流引起的，位于直流电气化铁路附近的管道，严重时半年就发生腐蚀穿孔， 腐蚀速度大于1 0 - 1 2 m m a 。资料表明，对于壁厚为8 - - - , 9 m m 的钢质管道，快则几个月 就发生穿孔【l 】。杂散电流对金属管道的强烈腐蚀作用由此可见。因此研究杂散电流对油 气管道的腐蚀规律和相应的保护措施对于保证油气管道的安全运行具有十分重要的意 义。 2 0 0 7 年8 月经国务院批准，西起四川达州市，东至上海，途经重庆、湖北、江西、 安徽、江苏、浙江的i l 气东送管道工程正式开工。该管道工程全长超过2 8 0 0 公里，包 括1 条干线、l 条支干线和若干条支线。其中，主干线自四川普光气田，经四川、重庆、 湖北、安徽、浙江、江苏后到达上海，全长1 7 0 2 公里，支干线从湖北宜昌到达河南濮 阳，同时建设起于四川天生分输站、止于达州末站的达州专线以及重庆、南昌、南京、 常州、苏州等地供气支线。管道覆盖如此幅员辽阔的地域，必然受到沿线杂散电流的影 响。因此，研究管道针对杂散电流防护措施具有十分重要的意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 国际上对管道交流干扰的研究始于5 0 年代初期，随着高压输电技术和交流制电气 化铁路的发展，它们对油气管道的干扰问题逐步为人们所重视。交流腐蚀的机理尚不十 分清楚，有整流说和电击说两种。目前交流腐蚀的研究成果主要基于室内实验结果。从 实验室分析结果看，交流腐蚀对金属有选择性。对于铝，当腐蚀电流密度达到某一值时 腐蚀急剧增加，在同一电流密度下，腐蚀量可以达到直流干扰理论腐蚀量的约5 0 。 对于铁则腐蚀较轻微，一般情况下，不会超过直流干扰理论腐蚀量的1 ，然而比土壤 中的自然腐蚀要严重一些。交流干扰所引起的腐蚀虽然不太严重，但是由于交流干扰时 被干扰体可能会产生较高的干扰电位，造成对接触被干扰体的作业人员及被干扰体有电 联系的设备的伤害和破坏 2 i 。 在我国已有现场交流腐蚀的工程实例，对交流电引起的腐蚀和腐蚀机理电击说是一 种支持。我国关于交流干扰的研究始于7 0 年代，1 9 7 2 年四川石油管理局在成都一德阳输 气管道上测得1 2 v 的交流干扰电压，1 9 7 3 年进一步进行了现场测试，确认了干扰，并 开始了交流干扰的研究。东北石油管理局在其所辖铁岭- 秦皇岛输油管道上，测得高达 5 7 v 的交流干扰电压。1 9 7 8 年，又对2 0 0 0 余公里输油管道进行交流干扰普查。此后， 我国有关生产部门及科研院校深入开展交流干扰和防护技术的研究，在工业应用和学术 上都取得了显著成果。 交流杂散电流的研究还存在以下的困难： ( 1 ) 交流腐蚀的机理比较复杂。对交流腐蚀的研究国外已有九十多年的历史，国 内也己有二十多年的历史。关于交流腐蚀的机理，学术界众说纷纭。从理论上讲，有成 膜理论、整流理论及电化学理论，但这些理论都有待于证实和完善。 ( 2 ) 交流电对金属在活性区的腐蚀与对可钝化金属的钝化膜性能的影响不同，所 以在交流电对于金属腐蚀破坏的影响时，要根据实际情况，需要通过实验来得出结论； ( 3 ) 交流杂散电流的大小往往是不断变化的，而且一般情况下，在管道埋设前是 无法知道杂散电流的干扰程度的和干扰阳极区的位置的。因此，干扰影响的设计往往滞 后于常规阴极保护的设计，这给管道的防腐工程带来极大的不便； ( 4 ) 交流杂散电流的频率和大小以及其在管道上出现的时间和部位，是分析评价 和预测埋地管道腐蚀势态的重要参数。由于对油气管道腐蚀的分析和预估需要大量的杂 散电流数据，而这些数据应该分布在管道沿线很长的范围内，是对若干测试点同步测试 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 获得的。因此，用人工的方法测试和记录杂散电流比较困难。 目前国内还无法在设计阶段预测和判断杂散电流干扰和危害的程度，通常只能在管 道敷设投产后进行现场检测，确定管道上的排流位置及排流措施，难免增加了工作量和 费用。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要任务是设计一种具有智能功能的交流杂散电流排流装置，并在试验室内进 行试验，研究其排流效果。具体研究内容如下： ( 1 ) 研究杂散电流对管道腐蚀原理、管道排流原理和排流方法。选择合适的排流 方法，进行排流装置的设计。 ( 2 ) 进行排流装置的电路设计，电子元件硬件选型和程序的编写。 ( 3 ) 将排流装置应用于实验室内的管道杂散电流模拟试验架，观察排流效果，研 究排流规律。 ( 4 ) 结合试验室内的研究，对管道杂散电流防护的实际应用提出合理建议。 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 2 1 管道交流杂散电流的产生与危害 正常情况下，电流应该按照人们的设计要求在指定的导体内流动，如果由于某种原 因，一部分电流离开了指定的导体而在原来不应有电流的导体内流动，这部分电流就叫 杂散电流【l 】。当杂散电流流入大地、水等环境中时，其中的一部分流过环境中的金属构 筑物，对金属构筑物造成腐蚀。按照产生杂散电流的干扰源不同，可以把杂散电流分为 三类：由直流电气化铁路、直流电焊机、直流电解设备等产生的直流杂散电流：由交流 电气化铁路和高压输电线路及其系统产生交流杂散电流；由地磁场的变化感应引起的大 地中自然存在的地电流。其中以直流杂散电流和交流杂散电流对埋地管道影响腐蚀最为 明显。 交流杂散电流由于其腐蚀机理复杂、危害相对较小，国内外对其研究起步较晚。近 年来随着管道事业的发展，管道所经环境条件日趋苛刻，交流杂散电流干扰影响的可能 性和危险程度不断增加，对交流杂散电流的研究也就越来越引起人们的重视。 2 1 1 交流杂散电流的产生 油气管道与高压输电线路、交流电气化铁路平行或接近敷设时，平行或接近的管段 上就会产生感应电压，这种感应电压被成为交流干扰电压，其成因主要有以下三种： ( 1 ) 静电场影响：由于静电场的作用，强电线路通过电容耦合使地面管道或正在 施工的管道对地电位升高。 ( 2 ) 地电场影响：当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，流入大地后造成地电位变化剧烈。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。 ( 3 ) 磁感应耦合：它是因交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。其原理为：当电流在一条相导线中流动时，在导 线周围产生了磁场，这个磁场同时存在于空气和邻近的大地中。对于导线中流动的交变 电流而言，它产生的磁场并不是静止的。这个磁场先在导线周围变动，然后以特定速度 ( 与交流系统的固有频率有关) 从导线横向向外扩展。 高压输电系统作为埋地管道交流杂散电流的干扰源，有三种耦合方式产生交流杂散 电流。即：电容耦合、电阻耦合和电感耦合。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 ( 1 )电容耦合干扰：由于交流电场的影响( 如由于通电的高压输电线路的影响) 在导体中产生的电位； ( 2 ) 电阻耦合干扰：由于故障电流或者土壤里的杂散电流引起的电接触、飞弧或 局部电压锥而在导体中产生的电位； ( 3 ) 电感耦合干扰：在高压电力线里由于短路电流或者工作电流造成的交变磁场 的感应而在导体中产生的电位。 杂散电流的大小，由以下因素决定： 平行于强电线路的管道长度； 输电系统中( 不平衡) 电流的大小； 输电系统的频率； 产生感应的导线和管道间的距离； 管道覆盖层电阻； 管道所处位置土壤电阻率； 钢质管道纵向阻抗； 干扰源系统的性质( 单相、三相、中性点接不接地等) 。 高压输电线路正常运行时，电感耦合是线路和埋地金属管道间电磁耦合的主要形 式。高压输电线路上的电流周期性变化产生交变磁场，会在管道上产生纵向感应电动势， 由于这种状态是长期存在的，因此需考虑感应电动势对管道及维护人员的影响。对于埋 地管道，由于有大地的电屏蔽存在，在输电线路正常运行时又没有入地电流产生，可以 忽略电容和电阻耦合的影响。 2 1 2 交流干扰的分类 交流干扰电压作用于地下金属管道上，对人身和设备都会产生一定的危害。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三种【2 1 。 ( 1 ) 瞬时干扰：强电线路出现故障时产生的电压高达几千伏以上，但由于系统切 断时间快，干扰电压作用持续时间不到1 秒，故称瞬时危险干扰电压。此电压甚高，对 人身安全构成严重威胁。同时高电压也会击穿管道防腐层，当管道和电力系统接地极距 离不当时，还会产生电弧通道，烧穿管壁引起事故。 ( 2 ) 间歇干扰：在电气化铁路附近的管道上，感应电压随列车的负荷大小而变动， 由几伏到几千伏。其特点是作用时间时断时续，并伴有尖峰电压出现。 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 ( 3 ) 持续干扰：高压输电线正常运行时，感应在管道上的交流电压值，随电力负 荷增减而变化，可由几伏，几十伏到几百伏。因它的作用时间长，只要高压输电线路上 有电流，管道上就有感应电压，故称持续干扰电压。 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损坏。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。 2 1 ，3 交流腐蚀与自然腐蚀的区别 交流腐蚀过程和自然腐蚀有着很大的不同，主要有以下几点【3 】： 交流腐蚀是在外界电场作用下进行的，这个外施电场比起自然极化过程的内电 场，在强度上要大的多。现场感应产生的交流持续干扰电压的幅值比电极本身的直流自 然极化电位高1 0 - - 1 0 0 倍。 交流腐蚀是在大小和方向变化的电场作用下进行的电化学过程。交流电变化周 期，在工频时只有0 0 2 秒，比起其它腐蚀的电化学反应时间要小几个数量级，即是说 这个交变过程是极为迅速的。 在变化迅速而强度又相当高的电场作用下，有一些化学反应发生的可能性增大 了，一些反应由缓慢变的较快，也就是说，在交流电影响下内部电化学腐蚀过程发生了 变化。 在外界强电场作用下，电流强度是决定交流腐蚀的一个重要物理量，它和地下管 道、金属结构物的表面状况和形状有关，并和介电系数成正比，而且随漏敷表面积增大 而减小。由于土壤是不均匀介质，管道绝缘层的泄露状况大不一致，再加上腐蚀过程中， 管道表面会变的十分粗糙，这就使得电场变的非常不均匀，从而造成了强电场处的集中 腐蚀。交流的集中腐蚀比直流更明显。 交流电引起的腐蚀要比直流电干扰的强度小的多，大约为直流电的1 或更小。但 是当高压输电线与管道平行架设时，由于静电场和交变磁场的影响，在钢管上感应出交 流电压和电流，对管道的危害则是不可忽视的。尤其在交直流叠加情况下，交流电的存 在可引起电极表面的去极化作用，造成腐蚀的加剧，形成穿孔。同时，交流干扰还可加 速绝缘层的老化，特别是在防腐层的破损处，易引起防腐层的剥离1 4 1 。交流干扰还会使 阴极保护无法控制在正常电位的范围内，使牺牲阳极发生极性逆转，电流效率降低。故 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 障情况下，可对管道造成危险影响，甚至危及操作人员的安全。因此，交流干扰也日益 被人们所重视。 2 1 4 交流干扰的判定 管道是否遭受交流杂散电流的干扰，主要决定于干扰源的性质和管道距干扰源的距 离，认为： ( 1 ) 管道和电力线路的距离大于1 0 0 0 米时，接近长度不受限制，认为不受干扰； ( 2 ) 管道与发电厂、变电站的围墙的距离大于3 0 0 米时，认为不受干扰； ( 3 ) 管道与电气化铁路牵引系统的距离大于1 0 0 0 米时，接近长度不受限制，认为 不受干扰； ( 4 ) 管道与电气化铁路牵引系统的距离小于1 0 0 0 米时，且接近长度小于1 0 0 0 米， 或牵引导线上的电流没有超过4 0 0 安，或短路事故时不超过1 0 0 0 0 安，且接近长度小于 3 0 0 0 米时，若管道与下述设施的距离为：牵引电厂和牵引变电所的围墙大于5 0 米；牵 引系统架空线的杆塔( 塔基或塔脚) 大于1 0 米；牵引线和它的馈线塔( 塔基或塔脚) 大于3 米。认为管道不受干扰。 管道交流感应电压应符合下列条件，才能保证管道不受交流干扰【5 】： ( 1 ) 间歇或持续干扰管地电位不大于6 5 伏；间歇或持续干扰管地电位大于6 5 伏 时，应采取措施降至6 5 伏以下；瞬时干扰管地电位允许不大于1 0 0 0 伏，瞬时干扰电压 大于1 0 0 0 伏时，应对可触及部位采用电绝缘或等电位均压接地及带电作业处理，或采 措施降至1 0 0 0 伏以下。 ( 2 ) 牺牲阳极应在1 0 伏以下交流干扰环境中工作，当牺牲阳极处交流电压大于 l o 伏时，应采取措施使之降至1 0 伏以下。 ( 3 ) 管道交流腐蚀临界安全电压，按不同土壤性质分别为：在弱碱性土壤中，当 钙镁离子含量过0 0 0 5 时，安全电压可取l o 伏；在中性土壤中，含盐量小于0 0 1 时， 安全电压为8 伏；在酸性或盐碱地，安全电压取6 伏。应采取措施，使管道交流电压控 制在安全电压范围内。 当间歇或持续干扰管地电位大于6 5 伏时，应采取措施降至6 5 伏以下。当瞬时干扰 电压大于10 0 0 伏时，应对可触及部位采用电绝缘或等电位均压接地及带电作业处理， 或采措施降至1 0 0 0 伏以下。当牺牲阳极处交流电压大于1 0 伏时，应采取措施使之降至 1 0 伏以下。当管道交流电压超过对应土壤中的临界安全电压时，应采取措施，使管道 7 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 交流电压控制在安全电压范围内。 2 2 管道交流杂散电流的防护 2 2 1 杂散电流的防护原则 杂散电流防治问题目前已引起了国内外的重视，欧美各国、日本的铁路通讯和电力 部门的研究所及高等院校内均设置了专门机构从事这方面的研究。杂散电流的防护工程 基本上采用“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则。 ( 1 ) 以防为主 为了减少杂散电流的危害，就应当设法减少杂散电流量。这就需要采取有效的防杂 散电流措施，使杂散电流量控制在允许的范围内。控制产生杂散电流的干扰源，隔离所 有可能的杂散电流的流经途径，减少杂散电流进入交通系统的主体结构、设备以及沿线 附近的埋地管道。具体实施时，由于涉及到的专业多，各专业、各工种必须紧密配合， 尤其在施工设计阶段更要考虑综合防治措施，尽量减少直流系统与其他建筑物的电气连 接。 ( 2 ) 以排为辅 设置杂散电流的收集系统，通过杂散电流的收集和排流系统，将杂散电流导出埋地 管道，以减轻杂散电流的腐蚀干扰。 2 2 2 交流杂散电流的防护 杂散电流的防护，要从干扰源和被干扰体两方面着手。从干扰源一侧来看，尽可能 减小杂散电流的大小，而从干扰体一侧来看，尽量不受干扰电流的影响。 ( 1 ) 控制杂散电流 控制杂散电流是从根本上解决杂散电流腐蚀干扰问题最有效的办法。对电气化铁路 系统，可以采取以下办法减少杂散电流的产生。 减小机车取流电流 由于机车取流电流对泄漏电流和轨道电位都有很大影响，机车取流电流越大，产生 的杂散电流就越多。这就要求我们采取措施，在允许范围内尽量减小机车取流电流值。 机车取流电流与系统电压、客流量、变电所间距、列车追踪时间间隔等有关。通常要减 小机车取流电流是困难的。与电阻控制相比，斩波( 调压) 控制车可减少电负荷，采用变 压变频( v v v f ) 控制的三相异步电机具有传动效率高，节电效果更显著的优点，而再生 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 制动的应用则可进一步减少负荷。 此外，采用较高的系统电压可以减小负荷电流。根据功率公式p = u i 可知，在相同 的牵引功率下，提高直流牵引电压，可以按相同的比例降低负荷电流值，从而达到降低 杂散电流的目的。目前在我国铁路牵引供电系统中，供电电压主要有7 5 0 v 和1 5 0 0 v ， 采用1 5 0 0 v 电压牵引供电就比采用7 5 0 v 电压牵引供电所产生的杂散电流小。 合理设置变电所 杂散电流值和机车与供电牵引变电所的距离的平方成正比，牵引变电所设置距离不 宜过长，美国波特兰轻轨系统变电所之间的平均距离减少到了1 8 k m ，这是现代轻轨系 统中的最短距离。在运营的铁路正线段，牵引变电所之间补偿电流为最小时，牵引变电 所应向区间施加行双边供电，尽量避免单边供电。这一点非常重要，因为变电所之间有 补偿时，杂散电流将有较大的增幅。因此，应系统的检查变电所之间牵引负荷的分布， 不平衡时要使负荷平衡。回流轨和牵引变电所的零汇流排应与地保持能承受1 0 0 0 v 的 绝缘，不允许这些设备直接接地。此外，停车场应单独设置牵引变电所，且停车场供电 和铁路线路供电之间应相互绝缘。 回流走行轨降阻 走行轨电阻较大时，回流电流在其上流过时产生的电压降也大，钢轨对地的电位差 也增大，从而增加了泄漏的杂散电流，为此必须设法降低走行轨的电阻。为降低走行轨 电阻值，减少杂散电流腐蚀，在防护设计中选用电阻率低的材料，增大钢轨横截面积， 将短钢轨焊接成长钢轨，其接头之间的电阻值应低于长为5 m 的回流轨的电阻值。美国 波特兰轻轨系统采取的办法是使用规格为5 4 k g m 的工字钢轨，从而增大了其横截面积， 而且使用了连续焊接的钢轨，从根本上消除了钢轨接头引起的纵向高电阻率。 现在一般利用长轨( l l o o m ) 和加设电缆( 一般使用铜芯绝缘线) 的方法连接两个回 流轨来减小轨道接缝电阻。焊接至钢轨的电缆或铜芯绝缘线的电阻应满足接头标准电阻 的范围，满足牵引电流通过时温升的要求，焊接至钢轨铜芯绝缘线散热性好，可长时间 通过大电流，其工作稳定、可靠性高；走行轨和道床之间应采用点支撑敷设，减少钢轨 与道床的接触面：可在正线区间相隔4 0 0 - - 5 0 0 m 设置铜芯绝缘均流线与牵引变电所负 极相连来降低回流通路的电阻，为杂散电流提供一条低电阻通路，以达到最大限度的减 少杂散电流的目的。 采用绝缘套 运行轨绝缘的好坏是杂散电流大小的根源。但是即使在最初的设计阶段采用了比较 9 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 好的绝缘材料，然而随着运行时间的增加，虽然绝缘轨垫仍使钢轨与弹条之间绝缘，橡 胶垫板仍使钢轨与垫板之间绝缘，但因列车运行工程中产生的导电粉尘和油污附着钢轨 扣件表面上，并随列车运行所产生的震动充满轨枕所有缝隙，造成了部分回流电流沿构 件表面及钢轨与铁垫板之间的缝隙泄漏，螺纹道钉成为带电体。加之轨枕施工过程中工 艺水平不高，不能完全起到绝缘作用，当这部分泄漏电流由道钉通过电解质流向其它导 体时，便造成腐蚀。为此可以采用一种绝缘套将钢轨完全与轨枕隔离，基本上可以堵截 杂散电流的产生。而且绝缘套损坏后，更换起来比较方便。这种方法投资较大，目前国 内采用的比较少。 ( 2 ) 杂散电流自动补偿抵消 在交流电气化铁道的供电系统中，普遍加设吸流变压器。吸流变压器的原边绕阻串 接在接触网内，而其次边绕阻串接在轨道回路中，借助于变压器绕阻之间的电磁藕合作 用，强制使流经钢轨的电流与接触网的负载电流相等，从而减小轨道泄漏到大地的电流。 尽管在交流电气牵引系统中，杂散电流的方向是交变的，它对周围金属结构物造成的电 腐蚀作用可以忽略，使用吸流变压器的主要目的是，将原不对称的网轨供电系统变为相 对对称的系统，以减小该系统在周围空间产生的电磁场对邻近通讯线路所产生的感应电 压和噪音干扰电压。通过适当的变换，将该原理应用到直流电气牵引系统，为直流杂散 电流的防护开辟一条有效途径。 ( 3 ) 管道安装绝缘法“_ 1 6 1 绝缘法兰是安装在管道上的具有电绝缘性能的法兰接头，可以起到截断电流的作 用，可以将受杂散电流影响的管道分成若干段，把干扰限制在一定范围内，以减轻影响。 绝缘法兰一般应安装在金属管道的下列各处： a 车站与区间消防管道的连接处； b 给水引人管与站内消防管网连接处； c 区间消防管上的阀门两侧。 绝缘法兰一般包括一对钢制金属法兰和法兰间的绝缘密封零件、法兰紧固件、以及 紧固件与法兰间的电绝缘件和与法兰相焊的一对钢制短管。绝缘法兰分为比压密封型和 自紧密封型两种，一般管道用的是比压密封型，如图2 1 所示。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 紧固件绝缘 绝缘密封垫片 紧 法兰短管 图2 1 绝缘法兰不慈图 f i g u r e2 - 1i n s u l a t i n gf l a n g es c h e m e 制作绝缘法兰的绝缘垫片材料，可以采用橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、氯丁橡胶 板、织物基氯丁橡胶板等。安装好的绝缘法兰应做良好的防腐涂层，法兰两侧1 0 m 内的 管道应特别加强防腐。 ( 4 ) 电屏蔽法【7 】 电屏蔽法是指沿着受交流杂散电流干扰的管道段，以特定的间隔平行或环绕管道安 装一些屏蔽电极。一般采用外壳、网格或其他物体( 通常为导电性物体) 作为屏蔽电极。 屏蔽电极安装在被影响管道的一侧，以充分地减弱管道背侧的电气装置或电回路对管道 的电场影响。这种方法用于保护管道不受临近电力线路交流干扰的影响，减少在瞬间危 险干扰电压下防腐层被击穿的可能性。影响电屏蔽设计和安装的主要因素有：管道上出 现干扰电压的强度和范围，管道对地电位的大小。但是，这些因素的作用强度随地点而 异，因此对管道的每一具体位置都必须逐点计算确定。 电屏蔽的安装，可在指定位置平行于管道安装一支或多支金属电极，或者安装在管 道的周围，或者沿着管道轴向安装。某些屏蔽形式，如果采用阳极性材料制成，则必须 与被影响管道相连接。对于平行安装或环绕安装的阳极型屏蔽，应当至少在屏蔽系统的 各端点与被影响管道相连接。相对被保护管道为阴极的屏蔽材料，必须通过直流去耦装 置与被影响管道相连接。 ( 5 ) 接地垫( 梯度控制垫) 【8 】 接地垫是安装在地表或地面下的一个裸导体系统，又称为梯度控制垫。这些裸导体 通常用金属板或网栅构成，它们彼此排列并相互连接，以提供跨步距离上的等电位。所 谓接地网就是埋入地下的一些裸导体，它们相互连接组成一个接地极体系，提供公共接 地之用。 采用接地垫并与管道跨接，可在结构物的人员接触区域内降低接触电压和跨步电 l l 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 压，从而减少操作人员的危险。跨接到管道上的永久性接地垫，可用于阀门、金属排风 管、阴极保护监测站以及其他与管道相接触的地上的金属或非金属附属设备上。接地垫 应当足够大，以使操作人员接触被影响管道时，可以安全地站在接地垫区域上工作。接 地垫应当尽量靠近地面安装，以便充分降低进入该区域并与管道相接触的操作人员的接 触电压和跨步电压。 不管用什么材料制作的接地垫，都必须与管道相跨接，最好同时在几个位置处跨接。 如果由于接地而使管道阴极保护难以正常运行，可以安装一个直流去耦装置。接地垫与 管道的连接应当在地面上安装制作，以便可以对接地垫降低交流电压的有效性以及它们 对阴极保护系统的影响进行实时监测。采用接地垫时应谨慎小心，应防止接地垫与未施 加阴极保护的结构物之间相连而形成有害的电化学电池。 ( 6 ) 分布式阳极【9 】 这种方法是指采用牺牲阳极作为接地系统的一部分来降低管道与大地之间的交流 电位的一种防护措施。采用分布式阳极是，应使牺牲阳极靠近被保护管道安装，并远离 电力接地系统。最好把阳极直接接到官道上，中间不适用测试连接，由此可减少连接系 统中的接触点数量，提供最短的对地路径，减少人员与被影响管道的接触机会。如果为 了测试目的需要断开分布式接地系统与管道问的电路，则应把接头安置在一个可接近的 密封的测试盒中。当使用牺牲阳极作为接地系统的一部分时，应考虑阳极材料的使用寿 命，阳极材料的消耗会增大接地系统的电阻。 2 3 管道交流杂散电流的排流防护 除了以上面介绍的这些防护方法之外，排流保护是交流杂散电流积极有效的防护方 法【l o 】。 2 3 1 排流方法 ( 1 ) 直接排流法 直接排流法是指将管道与钢材等低阻地床材料用导线直接连接起来，并且要求地床 接地电阻必须小于管道接地电阻的排流方法。这种方法排流效果好，简单经济，特别适 用于无阴极保护的管道。缺点是容易造成阴极保护电流的漏失。采用这种排流法地床与 管道间距以3 0 m 左右为宜，接地电阻不宜超过0 5q ，见图2 2 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 管道 li 排流线 。地床 图2 - 2 直接排流示意图 f i g u r e2 - 2 d i r e c td r a i n a g es c h e m e ( 2 ) 隔直排流法 隔直排流法是指在被干扰管道与地床之问接入阻隔直流元件，这种方法弥补了直接 排流的不足，可应用于有阴极保护的管道。缺点是结构复杂，造价较高。根据隔直元件 的不同该法又可分为三种形式：电容排流、二极管排流和钳位式排流。见图2 3 。 图2 - 3 隔直排流示意图 f i g u r e2 - 3 i n d i r e c td r a i n a g es c h e m e 电容排流是指选择合适的电容器作为隔直元件，般应选用大于1 0 0 0 0 2 f 的电容。 二极管排流主要是利用二极管的单向导电性来起隔直作用，二极管的电流允许值宜大不 宜小，一般为2 0 一- 3 0 a 。 1 3 工t a电容排流 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 钳位式排流是针对二极管排流的一种改进，其原理如图2 4 所示。它是由正臂、负 臂组成。负臂串联两只二极管z 2 、z 3 ，正臂串入一只二极管z l ，负臂上反向安装的两 支二极管。当干扰电压正半波时z l 导通，负半波时负臂z 2 、z 3 导通。它们的正向节压 降为0 7 v ，负臂节压降为1 4 v ，其值与阴极保护电位相同。所以不仅阻止了保护电流 的泄漏，而且利用了干扰电压的一部分供阴极保护使用。 u ( v ) 0 7锄 ，、 o 一 切“ 1 4 ( 1 ) 排流节( 2 ) 波形 图2 - 4 钳位式排流节 f i g u r e 2 - 4c l a m p i n gd r a i n a g ep o i n t s ( 3 ) 负电位排流法 负电位排流法是指将被干扰管道与牺牲阳极用导线直接相连，见图2 5 。这种方法 排流效果好，并向管道提供了阴极保护电流。缺点是造价较高，设计时需要注意牺牲阳 极的极性逆转问题。 管道 极 图2 - 5 负电位排流示意图 f i g u r e2 - 5n e g a t i v ep o t e n t i a ld r a i n a g es c h e m e 在实践中，由于管道所处环境千差万别，交流干扰情况十分复杂，要想达到满意的防护 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 效果，通常需要选择不同的排流方法，或者几种方法共同使用。表2 1 是对三种排流方 法的比较。 表2 - 1 交流杂散电流各种排流法比较 t a b 2 1 c o m p a r i s o no fd i f f e r e n td r a i n a g em e t h o d sf o ra l t e r n a t i n gs t r a yc u r r e n t 排流方式直接排流隔直排流负电位排流 被干扰管道与地床间接入 被干扰管道与地床直 应 排流节( 阻隔直流元件安装在 接用导线连接起来； 用 金属箱体内) ，可埋地或置于被干扰管道与牺牲 地床材料为钢材等； 条 地面。阳用导线相连 接地电阻必须小于管 件 接地电阻必须小于管道接 道接地电阻。 地电阻 可应用于阴极保护管道；排流效果好； 优 排流效果好； 钳位式排流用部分干扰电向管道提供阴保 点简单、经济。 压作阴极保护。护电流 价格较高； 缺 结构复杂 阴极保护电流漏失 需要注意牺牲阳 点 价格较贵 极极性逆转问题 2 3 2 排流点的确定 排流点的选择是排流法管道防护成败的关键因素之一。对特定管道，排流点宜通过 现场模拟排流实验确定。通常情况下，可根据下列条件综合确定： ( 1 ) 管道与干扰源的相互位置条件 被干扰管道首、末两端； 管道接近或离开“公共走廊 并与干扰源有一平行段处； 管道与干扰源距离最小的点； 管道与干扰源距离发生突变的点： 管道穿越干扰源处。 ( 2 ) 技术条件 管地电位最大的点； 管地电位数值较大、且持续时间较长的点； 第二章管道交流杂散电流的产生与防护 高压输电线导线换位处； 管道防腐层电阻率、大地导电率发生变化的部位； 土壤电阻率小，便于地床设置的场所。 2 3 3 排流量的确定 对于某一条管道的交流排流的电流量的确定，应通过对管道的现场模拟排流实验确 定，如果不具备这种条件的话，可以通过式( 2 1 ) 进行估算 ，： 竺 ( 2 1 ) z l + z 2 + z 3 + z 4 式中，排流电流量，a ； y 排流点处管道交流干扰电压，v ； z 1 排流接地床接地电阻，q ； z 胡 流导线电阻，q ； 乙排流器电阻，q ； z 4 管道特性电阻，q 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第三章排流装置与单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 3 1 排流装置的设计 3 1 1 排流装置的基本原理 通过第二章有关排流方法的介绍，我们知道对于有阴极保护的油气管道，采用钳位 排流法，即不会破坏管道阴极保护的保护电压，还可以使部分干扰电压作阴极保护电压 使用。因此，本装置的排流工作电路采用钳位排流的原理进行设计，并对排流电路进行 控制，从而实现对管道杂散电流的智能化控制，具体原理如下： 当输油管道上有交流电压流动时，管地电位会发生剧烈的变动，因此可利用对管道 电压的采集，来判断管道上是否产生交流干扰。本装置设计有对管地极化电位的实时采 集电路，判断是否处于腐蚀干扰状态，如处于腐蚀干扰状态，则闭合排流电路将杂散电 流排出管道。随着杂散电流的排出，当管地电位下降到非干扰状态时，控制开关处于断 开状态，排流工作电路不工作。为加强排流点的排流效果，本装置设计有三路排流电路， 通过自动控制系统可以实现对三路排流电路的自动控制，工作原理如图3 1 所示。 图3 - 1 排流工作原理图 f i g u r e3 - 1d r a i n a g ew o r k i n gi l l u s t r a t i v ed i a g r a m 3 1 2 排流装置的结构框架 从工作原理上可以看出，智能排流装置应由以下几个部分组成：排流工作电路、电 压信号采集电路、单片机、通信电路、控制键盘与液晶显示屏。电压采集电路将采集到 1 7 第三章排流装置与单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 的管地电压传送的单片机，单片机判断采集到的电压是否处于干扰电压范围，如果处于 干扰范围，单片机控制排流电路的开关闭合，进行排流。通信电路可以将管地电压以及 工作电路控制开关的状态传送到上位机，便于对排流点处的管地电位进行监测。键盘可 以用来控制不同的显示，并可输入判断干扰腐蚀状态的临界值。显示器可以实时显示管 地电位、控制开关状态以及干扰临界值等。其中单片机是整个装置的核心部分，各个电 路功能的实现都要通过单片机来实现。其组成框架图如图3 2 所示。 单片机也被称为微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) ，是指一个集成在一块芯片上的完 整计算机系统，它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：c p u 、内存、内部 和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器， 实时时钟等外围设备。目前常用的单片机有c 8 0 5 1 f 系列、p i c 单片机、a v r 单片机 和m s p 4 3 0 系列等单片机。由于本装置的设计任务相对复杂，因此选用功能相对强大的 m s p 4 3 0 系列单片机中的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。 图3 - 2 交流智能排流器工作示意图 f i g u r e 3 - 2a l t e r n a t i n gi n t e l l i g e n td r a i n a g ed e v i c ew o r k i n gs c h e m e 3 2 单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 3 2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 的特点 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德, ) + i ( t i ) 1 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位超低功耗的混 合信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 。之所以称之为混合信号处理器，是由于其针对 实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 片，解决方案。m s p 4 3 0 f l x 系列于2 0 0 0 年推出，具有一下一些共同的特点【l l 】【1 2 】【1 3 】f 1 4 1 ： 强大的处理能力。m s p 4 3 0 列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简指令集 ( r i s c ) 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简 洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加 多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下指令周 期为1 2 5 n s ，这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 ( 墓) m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系 统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s 。 丰富的片上外围模块。