（机械设计及理论专业论文）城镇燃气钢质管道受轨道交通电磁干扰测试与评价方法研究.pdf

摘要 摘要 随着我国地铁等轨道交通的蓬勃发展以及城镇燃气的普及使用 由此而凸显 的埋地燃气钢质管道干扰电流腐蚀问题愈来愈引起了人们的关注 调查显示 我 国9 0 以上的城镇埋地燃气钢质管道防腐层破损 剥离以及腐蚀穿孔等缺陷均由 地铁等轨道交通泄漏到土壤中的动态干扰电流所引发 不仅造成了巨大的国民经 济损失 同时也给人民的生命财产安全带来了隐患 在我国 燃气管道的建设始于2 0 世纪5 0 年代 地铁轨道交通的发展历史也 才仅仅4 0 年 因此 对埋地燃气钢质管道的轨道交通电磁干扰腐蚀问题尚未进 行深入研究 同时 由于埋地燃气钢质管道埋设现场环境恶劣且复杂多变 导致 现有技术与设备无法较好地应用于城镇埋地燃气钢质管道的电磁干扰检测与评 价 因此 为了保障管道的安全运行并及时对受干扰的管道采取防护措旌 对城 镇埋地燃气钢质管道所受的轨道交通电磁干扰情况进行有效测试与评价势在必 行 课题围绕该任务开展了理论与实验研究 取得了以下研究成果 通过对现有检测技术的比较分析 并针对轨道交通电磁干扰的动态变化特 性 提出了管地电位连续动态监测技术 在实验研究的基础上 根据管地电位波 动情况与干扰电流的关系 初步估计了管道受到的动态电磁干扰严重性 基于轨道交通动态电磁干扰原理 提出了实验室动态直流电磁干扰与交流电 磁干扰腐蚀实验方案 搭建了动态电磁干扰下的金属管道加速腐蚀实验平台 研 究了不同物化性质的土壤 不同特性的动态干扰电流对管道腐蚀速率的影响规 律 以及干扰电流与管地电位波动范围之间的关系 通过数字图像处理技术提取腐蚀形貌图像的腐蚀特征 并应用分形几何理 论 计算腐蚀形貌分形维数 研究表明 动态电磁干扰造成的管体腐蚀形貌具有 分形特征 分形维数可作为定量描述腐蚀形貌特征的参数 同时 以实验研究为 基础 建立了分形维数与腐蚀速率之间的数学关系式 采用l a b v i e w 与m i c r o s o f ts q l 数据库 m a t l a b v i s u a lc 结合的方法 开发了埋地燃气钢质管道电磁干扰测试与评价软件 软件实现了数据实时显示 信号频域测量 数据统计计算 t x t 文件存储与回放 数据库存储与条件查询 删除 干扰严重性判断等功能 并通过提取腐蚀形貌和计算腐蚀表面分形维数 估计了管道破损点处的干扰电流大小 并预测了管道的剩余寿命 关键词 动态电磁干扰 管地电位 腐蚀速率 分形维数 剩余寿命 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ef l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n to ft h es u b w a yt r a f f i ca n dt h ec o l l l m o nu s a g eo f u r b a ng a s t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dc o r r o s i o nt ob u r i e dg a sp i p e l i n e s a t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nn o w i n v e s t i g a t i o ns h o w st h a t m o r et h a n9 0 u r b a n b u r i e dg a sp i p e l i n e s d e f e c t sa n dl e a k a g ea r ec a u s e db yr a i lt r a f f i cd i s t u r b i n gc u r r e n t w h i c hr e s u l t sg r e a tl o s st on a t i o n a le c o n o m ya n dd a m a g e st h ep i p e l i n e s s a f e o p e r a t i o ns e r i o u s l y i no u rc o u n t r y t h eg a sp i p e l i n e sa r ed e v e l o p e di nt h e19 5 0 s a n dt h e e s t a b l i s h m e n to fs u b w a yt r a f f i ch a si t so n l y4 0y e a r s h i s t o r y s ot h o r o u g hr e s e a r c ho n d y n a m i cc u r r e n ti n t e r f e r e n c ea n dc o r r o s i o nh a sn o tb e e np e r f o r m e du n t i ln o w d u et o t h ec o m p l e x i t ya n dv a r i a b i l i t yo ft h ef i e l de n v i r o n m e n t c u r r e n td e t e c t i o nt e c h n i q u e s a n di n s t r u m e n t sc a nn o tb ea p p l i e di nt h ed e t e c t i o no ft h ed y n a m i cd i s t u r b i n gc u r r e n t o nb u r i e dg a sp i p e l i n e sa n dt h ee v a l u a t i o no ft h es e v e r i t yo ft h ei n t e r f e r e n c e s ot o f i n dad e p e n d a b l ed e t e c t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o di st h eg u a r a n t e eo ft h es a f e t y o p e r a t i o no fb u r i e dg a sp i p e l i n e s t h i ss u b j e c tc 湖 l i e s o u tt h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hc e n t e r i n go nt h i s t a s ka n dc o m p l e t e st h em a i n w o r ka s f o l l o w i n g b yt h ec o n t r a s tw i t hc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n i q u e sa n da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fs u b w a ye l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h ep i p e t o s o i l p o t e n t i a l s e q u e n t i a ld y n a m i c a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d o nt h eb a s eo fl a b e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n da c c o r d i n g t ot h ef l u c t u a t i o nc o n d i t i o n so ft h ep i p e t o s o i l p o t e n t i a l t h es e v e r i t yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei se s t i m a t e di n i t i a l l y s u b w a ye l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dc o r r o s i o ne x p e r i m e n t a lm o d e li sb u i l t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs u b w a ye l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m so fd ca n da ce l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c et op i p e sa r ee s t a b l i s h e di nt h e l a b a n dt h ei n f e r e n c er u l e so fd i f f e r e n ts o i l sa n dd i s t u r b i n gc u r r e n t sa r er e s e a r c h e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i p e t o s o i lp o t e n t i a la n dd i s t u r b i n gc u r r e n ti se x p l o r e d h e r e i m a g e so fs u r f a c ec o r r o s i o nm o r p h o l o g y sa r ea c q u i r e d a n dt h e n c o r r o s i o n c h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h et e c h n o l o g yo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga r eo b t a i n e d b a s e d o nt h ef r a c t a lt h e o r y s u r f a c ec o r r o s i o nm o r p h o l o g y sh a v ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hf r a c t a l a n dt h ef f a c t a ld i m e n s i o nc a nb ec o n s i d e r e da sap a r a m e t e rf o rd e s c r i b i n gc o m p l e x i t y q u a n t i t a t i v e l y t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e df o rp i p e t o s o i lp o t e n t i a ld y n a m i cm o n i t o r i n ga n d c o r r o s i o ne v a l u a t i o nu s i n gl a b v i e w m i c r o s o f ts q ld a t a b a s ea n dc i tc a nr e a l i z e t h er e a l t i m em o n i t o r i n gf o rp i p e t o s o i lp o t e n t i a l m e a n w h i l e i tc a nr e a l i z ef o r m a t d o c u m e n t ss a v i n ga n dc a l l i n gb a c k d a t a b a s es a v i n ga n dc o n d i t i o n a li n q u i r y t h e nt h e s e v e r i t yo fi n t e r f e r e n c ei sj u d g e da n dt h er e m a i n i n gl i f eo f t h ep i p ei sp r e d i c t e da tl a s t t h er e s i d u a ls e r v i c el i f eo ft h ep i p ea n dt h em a g n i t u d eo ft h ed i s t u r b i n gc u r r e n t i i i 北京下业大学t 学硕十学何论文 d e n s i t yc a nb ee s t i m a t e db ye x t r a c t i n gt h ec o r r o s i o nm o r p h o l o g y sa n dc a l c u l a t i n gt h e f r a c t a ld i m e n s i o n k e y w o r d s d y n a m i ce l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e p i p e t o s o i lp o t e n t i a l f r a c t a l d i m e n s i o n r e s i d u a ls e r v i c el i f e i v 独创性声明 本人声明所呈交的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的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 垒i 萄耀 日期 丝 z s 主生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 3 菟醚一导师签名 呈丝聋日期 盟玉2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 9 5 8 年 我国首次实现燃气入户 距今已有半个多世纪 截止到2 0 0 8 年 我国城镇燃气消费量达到7 2 0 亿立方米 标志着管道燃气已经逐渐成为我国城镇 生产生活能源的重要形式 同时 我国城镇居民对燃气的消费正呈现快速增长态 势 1 9 9 9 年 北京燃气消费量为7 5 亿立方米 随后每年增长3 亿立方米左右 2 0 0 7 年达到3 9 3 亿立方米 2 0 0 8 年打破纪录快速增长至5 2 亿立方米 在全国 范围内 上海燃气消费量每年增长1 3 以上 广东省将在2 0 1 5 年建成覆盖全省 的燃气供气网络 陕西各市 县城将在2 0 1 3 年全通燃气 1 1 山西省燃气管道已 经覆盖全省9 个市的4 0 余县区 并计划将逐步扩大燃气使用覆盖区域 2 随着天然气使用规模的逐步扩大 已经具有半个世纪发展历史的城镇燃气管 网也在迅速延伸 北京与上海燃气管网均达l 万多公里 3 广州燃气管道达3 0 0 0 多公里 4 山东济南达1 0 0 0 多公里 然而 由于建设年代的差异 施工工艺和 技术标准不一 以及地区环境因素对埋地燃气管道的腐蚀影响程度不同 埋地燃 气管道产生了不同程度的损伤破坏缺吲5 1 燃气管道所输介质具有高度危险性和 污染性 一旦发生事故 将会造成巨大的生命财产损失和环境污染 据调查 在影响埋地燃气钢质管道寿命的因素当中 9 0 以上的管道防腐层 破损 剥离以及管道腐蚀 穿孔等管道缺陷均由地铁等轨道交通产生的电磁干扰 所引发 占据管道腐蚀失效的主要地位 6 例如 l a 的干扰电流在一根钢管上 流进流出 一年内将导致大约1 0k g 金属的蚀失 7 1 电磁干扰比较严重的地区 电流可达几十安培甚至几百安剖8 1 壁厚8 一 g m m 的钢管 快则2 3 个月就会 穿孔 9 1 我国东北某矿区的石油天然气管道由于受到电磁干扰腐蚀 在短短的几 年内就发生了多处泄漏现象 造成了巨大的损失 l o 辽河油田到鞍山化肥厂的 一条天然气管道 建成投产1 4 个月时 出现大面积腐蚀氧化 被迫进行大修 主要原因就是电气化铁路的电磁干扰腐蚀 1 0 香港曾因地铁电磁干扰引起煤气 管道腐蚀穿孔 造成煤气泄漏事故 1 0 1 1 9 9 5 年1 月3 日 济南市和平路中压煤 气管道破裂 泄漏煤气进入电缆沟内并起火爆炸 造成1 3 人死亡 4 0 多人受伤 直接财产损失4 2 9 1 万元 1 1 1 9 9 9 年1 2 月8 日 西安市莲湖路古都大酒店门前 非机动车道地下天然气管道发生爆炸 2 0 0 米的路面被强大的冲力炸开 造成1 5 人受伤 并且导致大面积停电 直接经济损失3 0 0 余万元 l i 2 0 0 0 年1 月2 8 日 广西贵港市城区富士花园至港北区公安分局南梧公路段发生地下油气管道爆炸 事故 造成8 人当场死亡 1 6 人受伤 公路严重损坏 i l j 2 0 0 3 年8 月2 1 日 深 圳市福华三路发生煤气管道连环爆炸 造成9 人受伤 直接经济损失约9 0 万元 北京 t 业大学工学硕十学何论文 1 1 在国外 如日本 美国 加拿大 意大利 英国和俄罗斯等国的地铁也存在 轨道交通对埋地燃气钢质管道的干扰腐蚀问趔1 2 统计显示 1 9 7 0 年至1 9 9 2 年 美国共发生油气管道事故9 0 0 0 多起 平均每年4 0 0 多起 1 9 8 1 年至1 9 9 6 年 前苏联发生输气管道事故7 5 2 起 近2 0 年间 加拿大发生油气管道事故8 0 0 多 起 其中 损失最惨重的是1 9 8 9 年发生在前苏联境内的输气管道爆炸事故 有 8 0 0 多人葬身火海 b 1 6 近年来 我国埋地燃气钢质管道受到严重的轨道交通电磁干扰 引起了有关 部门的重视 对部分重要的管线已经采取了积极有效的防护措施 例如 在地铁 等轨道下敷设干扰电流收集网 从源头上减少电磁干扰 降低走行轨电阻与提高 轨道对地绝缘性 减少走行轨上泄漏的干扰电流 对埋地燃气钢质管道实施牺牲 阳极阴极保护等 但是 随着我国城市地铁以及电气化铁路日新月异的发展 电 磁干扰情况仍然比较严重 我国至今仍在探索检测与评价埋地燃气钢质管道轨道 交通动态电磁干扰的有效方法 因此 针对管道的轨道交通动态电磁干扰问题 对埋地燃气钢质管道所处环境的轨道交通动态电磁干扰信号进行检测 获取管道 受电磁干扰的危害后果数据并对其进行分析研究与结果判断 对于保证燃气管道 的正常运行与维护有着十分重要的意义 1 2 国内外研究现状 由于城镇埋地燃气钢质管道分支 拐弯 变径多 且管道埋设土壤环境改变 频繁 过渡急剧 地下各种设施纵横交错 公共通道拥挤 地面建筑物密集 对 现有管道检测技术与设备应用产生了诸多限制 埋地燃气钢质管道受轨道交通动 态电磁干扰测试技术的研究与应用仍处于起步阶段 目前 国内外常用的测试技 术包括检查片腐蚀监测 管地电位正向偏移法 管地电位连续动态监测 干扰电 流探针测试法 地电位梯度检测以及s c m 智能干扰电流测绘仪测绘等 管道结构的多变性 埋设环境的复杂性 干扰电流的动态不规律性以及开挖 实施的困难性 导致干扰电流腐蚀危害性评估难度较大 目前的轨道交通动态电 磁干扰腐蚀危害严重性评价多来自于测试工作人员的主观判断 评价结论缺乏一 定的理论依据与实验指导 不同的测试工作人员 可能得出差异较大的结论 甚 至可能得出错误的干扰结论 1 2 1 检查片腐蚀监测 如表1 1 所示 轨道交通电磁干扰腐蚀与自然环境对金属管道的腐蚀在金属 腐蚀态貌上表现出较大差异 因此 可以通过现场埋设腐蚀挂片来判断管道的电 磁干扰腐蚀状况 如图1 1 所示 制作与管道材质相同的检查片 将其通过测试 桩与管道进行电连接 埋设于受电磁干扰严重的管道侧达1 年以上 根据检查片 第1 章绪论 失重 腐蚀表面形态等因数来判断电磁干扰的严重性 1 7 1 表1 1自然腐蚀与干扰电流腐蚀差异 t l b l e1 1d i f f e r e n c eb e t w e e nn a t u r a lc o r r o s i o na n dd i s t u r b i n gc u r r e n tc o r r o s i o n 自然腐蚀 干扰电流腐蚀 腐孔蚀倾向较小 有黄色或黑色 孔蚀倾向较大 创面光滑 有时是金 蚀的质地较疏松的锈层 创面边 属光泽 边缘较整齐 腐蚀产物似碳 态缘不整齐 清除腐蚀产物后创 黑色细粉末 有水分存在时 可明显 貌面较粗糙 观察到电解过程迹象 图l l 检查片腐蚀监测法 f i g 1 1 c o r r o s i o nc o u p o nm o n i t o r i n g 检查片干扰腐蚀监测实施较为简便 腐蚀计算方法简单 腐蚀状况直观可视 通过测量检查片失重 可以判断电磁干扰的严重性 但是 该方法存在如下缺陷 1 检查片制作要求高 表面缺陷 边缘毛刺 材质 制造工艺 热处理 方式 机加工方式 表面状况等因素都会对腐蚀行为造成影响 因此 必须严格 保证所有检查片质量的一致性 2 埋片试验周期长 检查片常规试验周期一般不能小于1 年 有时甚至 长达2 0 年 这对于调查电磁干扰腐蚀情况以便采取防护措施来说显然行不通 3 腐蚀结论综合性 管道腐蚀是土壤含水量 酸碱度 干扰电流等因素 综合作用的结果 因此 检查片腐蚀失重指示的是管道腐蚀总体情况 而不仅仅 是电磁干扰的情况 1 2 2 管地电位正向偏移法 管地电位正向偏移法是基于图1 2 所示的标准管地电位测试原理 以管地电 位相对自然电位的正向偏移量来评价干扰电流对埋地钢质管道的腐蚀危害程度 在许多国家都有应用 1 8 1 9 其中 我国直流排流标准s y t 0 0 1 7 9 6 提出 当管地 电位较自然电位偏移 7 2 0 m v 时 确认为有干扰电流 当管地电位较自然电位偏 移 1 0 0 m v 时 应该采取防护措施 2 0 1 英国标准b se n5 0 1 6 2 2 0 0 4 考察了管道 受直流电磁干扰而处于阳极区与阴极区两种情况 指出 管地电位正向 阳极区 或负向 阴极区 偏移2 0 m v 存在干扰电流1 2 北京1 业大学t 学硕十学位论文 黼极肉崔厂 管道 8 图l 2 标准管地电位测试 f i g 1 2 s t a n d a r dp i p e t o s o i lp o t e n t i a ld e t e c t i o n 管地电位正向偏移测试技术简单易施行 能够直接取得评价结果 不依赖于 测试工作人员的工作经验 但同时也存在如下缺陷 1 自然电位测量困难 由于轨道交通 直流电机 高压线破损处 临近 管道阴极保护系统 都是产生干扰电流的源头 城镇埋地燃气钢质管道绝大部分 时间处于干扰中 测量管地自然电位存在较大困难 2 不适用于有阴保的埋地燃气钢质管道 对于有阴保的管道 测量得到 的管地电位值中包含了保护电位成分 不能真实反映干扰电流引起的电位偏移 我国绝大部分埋地燃气钢质管道均采用牺牲阳极阴极保护 因此该测试技术在应 用上受到较大限制 3 不适用于动态电磁干扰的环境 标准b se n5 0 1 6 2 2 0 0 4 指出 当管地 电位急剧变化时 不能保证管地电位正向偏移法及其评价标准的准确性 1 2 3 管地电位连续动态监测 当埋地燃气钢质管道中存在干扰电流 特别是轨道交通运行过程中产生的杂 乱无章 变化频率快 幅度大的干扰电流时 管道的管地电位呈现出随机波动特 征 基于图1 2 所示的标准管地电位测试原理 可以采用d a t a l o g g e r 管地 电位数字记录仪实时记录管地电位变化 依据管地电位变化幅度来评价电磁严重 性 若进行长期监测 发现管地电位明显升高时 可以判断该点为干扰电流进入 点 而管地电位明显降低时 则为干扰电流流出点 管地电位连续动态监测设备简单 对于干扰电流密集且严重的地域 还可以 临时布线进行多点同时监测 获取目标管道周围环境的干扰电流分布情况与时变 信息 网络状的测试方法 可以全面了解管道周围的电磁干扰情况 但是 该方 法也存在如下缺陷 检测结论主观性 目前 国内外只有同时对地铁干扰源侧与管道被干扰侧进 行连续动态对地电位监测而制订的动态直流干扰电流腐蚀危害评价标准 2 2 1 尚 未制订对管道被干扰侧管地电位连续动态监测结果进行干扰评价的标准 同时 由于各国地理环境及交通状况差异 不能直接套用他国标准 检测人员只能依据 工作经验来判断动态电磁干扰腐蚀危害严重性 第1 章绪论 1 2 4 干扰电流探针测试法 如图1 3 所示 干扰电流探针测试是将一个头部金属裸露的探针钉入土壤至 管道深度 探针裸露金属头部模拟管道破损点 探针通过测试站与管道进行电连 接 在测试站与探针之间接入精密电流记录仪 实时测量与记录管道与土壤之间 的干扰电流 2 3 电流记录位 图1 3 干扰电流探针测试法 f i g 1 3 p r o b ed i s t u r b i n gc u r r e n ti n t e r f e r e n c ed e t e c t i o n b se n5 0 1 6 2 2 0 0 4 描述了该干扰电流测试方法 并针对施行阴极保护的管 道制订了该方法测试结果评价的详细标准 具体测试方法分为以下四个步骤 1 在埋地燃气钢质管道不受外界电流干扰的时间段 例如深夜 使用干 扰电流探针测试管道与土壤之间的电流值 如图l 4 所示 定义该电流值为基准 1 0 0 该时间段为 时间段a 在电流偏移负向 去掉最大的三个电流值 定 义第四个值为基准o 划线示出 2 使用干扰电流探针连续测试管道与土壤之间的电流达2 4 小时 该测试 电流中包含了阴极保护电流与干扰电流成分 3 估计探针最大电流波动幅值出现的时间 如图l 4 中所示 时间段b 4 参照图1 4 所示基准 当探针电流低于基准值的7 0 且持续时间超 过表1 2 第二行对应的时间时 判定该管段存在被腐蚀的危险 i 下 羹 图l 4 探针电流时变图 f i g 1 4t i m ev a r y i n go ft h ep r o b ec u r r e n t 干扰电流探针测试法在干扰电流测试方面具有如下优势 北京丁业大学丁学硕十学位论文 1 直接测量干扰电流 测试结果可靠性高 直观指示干扰电流的状况 2 基于1 0 年以上的工作经验制订了动态干扰电流的腐蚀危害评价标准 因而特别适用于受轨道交通动态电磁干扰最严重的城镇埋地燃气钢质管道 3 可用于实施阴极保护的埋地燃气钢质管道的动态电磁干扰测试 9 0 以上城镇埋地燃气管道采用牺牲阳极阴极保护 因此该方法特别适用于城镇埋地 燃气钢质管道的电磁干扰检测 但是 干扰电流探针测试法需要连续测量管道干扰电流达2 4 小时 人工测 量有一定的难度 因此 建立干扰电流监测站是关键 目前 该方法在国内还未 得到工程实践应用与验证 表l 2 探针测试干扰电流评价标准 t a b l e1 2e v a l u a t i o ns t a n d a r do fd i s t u r b i n gc u r r e n ta c c o r d i n gt op r o b ed e t e c t i o n 探针电流 7 0 7 0 7 0 7 0 7 0 7 0 7 0 7 0 7 0 最长时间 j 无限制 1 4 4 07 2 03 6 01 8 07 2 3 6 1 83 6 1 2 5 地电位梯度检测 地电位梯度测量方法如图1 5 所示 a b c d 四只参比电极 用各长1 0 0 m 的导线连接成相互正交的两个支路 其中耐与管道平行走向 二支路组成直角 坐标系 二支路中高阻电压表测量的数据 分别对应分布在图1 6 所示直角坐标 系的4 个象限 求其矢量和 则该矢量方向即代表该点的干扰电流方向 所测得 的 和 除以极间距 分别为纵向 与管道垂直 与横向 与管道平行 的地电 位梯度 其矢量和即为该点的地电位梯度 2 0 1 为了评估干扰电流的腐蚀危害性 我国石油天然气行业针对地电位梯度法制 订了如表1 3 所示的干扰腐蚀危害评价标准 同时 在对埋地钢质管道进行直流 排流保护时 我国石油天然气行业利用地电位梯度法测试结果判定 当管道附近 土壤电位梯度大于0 5 m v m 时 确认有直流干扰 当管道附近土壤电位梯度大 于2 5m v m 时 应及时采取直流排流保护或其它防护措施 2 0 1 同 图1 5 地电位梯度法 f i g i 5 s o i lp o t e n t i a lg r a d i e n tm e t h o d 第1 章绪论 y v 蛆 v 束平万一 v 束平 v 越 图l 石干扰电流方向矢量 f i g 1 6d i s t u r b i n gc u r r e n td i r e c t i o nv e c t o r 表1 3 地电位梯度法干扰电流危害性评价标准 t a b l e1 3e v a l u a t i o ns t a n d a r do fd i s t u r b i n gc u r r e n ti n t e r f e r e n c ea c c o r d i n gt o s o i lp o t e n t i a lg r a d i e n tm e t h o d 干扰电流腐蚀危害程度 弱中强 土壤表面电位梯度 m v m 5 o 地电位梯度法能够测出干扰电流的大小 方向 操作简单 测试迅速 便捷 在许多国家都有应用 但是 受城镇建筑物密集等环境因素影响 采用地电位梯 度法测试城镇埋地燃气钢质管道干扰电流在布线范围上受到制约 另一方面 由 于大部分埋地燃气钢质管道施加了牺牲阳极阴极保护 保护电流本身会形成一定 强度的电位梯度场 因而地电位梯度法并不十分适用 1 2 6s c m 干扰电流测绘仪检测 英国雷迪公司的s c m 是干扰电流测试专用仪器 是目前世界上最先进的干 扰电流测试技术 如图1 7 所示 s c m 组成主要包括智能感应器 智能探针 智能信号发送器 g p s 可选 断路器 笔记本电脑及应用软件 s c m 测试是由 智能信号发送器向管道发送独特的电流信号 智能感应器感应出管道中流动的干 扰电流 确定干扰电流流入目标管道的方向 流入点 流出点 大小等 2 3 1 s c m 测试具有以下特点 1 对于动态电磁干扰 可利用s c m 的灵敏探杆插入地下至靠近目标管 道处 减少来自临近平行管线 载流管线以及过往车辆的电磁干扰 并可探测微 弱干扰电流 2 可以测试静 动态电磁干扰的来源 大小和方向 精确定位干扰电流 的流入点 流出点 并实时绘制静 动态电磁干扰分布曲线 对电磁干扰作动态 分析 北京1 业大学j 殍硕上学协论文 3 对于动态电磁干扰 可以设置长达4 8 小时的自动监测与数据存储 4 可以同时测试管道对地电位与干扰电流 但是测试时一次只能显示一 种数据的时域曲线 削1 7s c m 干扰电流测试仪 f i g i 一7 s c m t e s t i n g i n s t r a m e m 与目前其他干扰电流测试技术相比 s c m 在静 动态电磁干扰测试上具有 无可比拟的优势 但是s c m 价格昂贵 国内仅北京特种设备检测中心拥有一套 在国内的应片j 受到很大限制 值得注意的是 s c m 自带软件s c m v i e w l o g 现场实时绘制的干扰电流图表中 电流值可高达数百安培 而通过软件的e x p o r t d a t a 功能导出对应的电流数据 绘制图表 可以发现 导出的数据与现场实时数 据变化趋势一致 但电流值最大仅为几安培 雷迪公司指出 现场测试的感应电 流为相对干扰电流 而真实的干扰电流 雷迪公司未作说明 另一方面 雷迪公 司末制订评价电磁干扰严重性的相关标准 现场榆测人员只能依靠工作经验泉进 行t f 估 1 3 课题主要研究内容 本文研究工作来源于国家质检总局质检公盏性行业科研专项项目 0 7 一1 0 5 0 0 1 城镇燃气钢质管道受轨道交通电磁干扰测试与评价方法研究 主要研究基于数据采集技术以及分形几何理论的轨道交通动态电磁干扰测试与 评价技术 具体包括以下研究内容 对现有测试技术进行比较 确立一种可靠的轨道交通动态电磁干扰测 试技术 建立动态电磁f 扰加速腐蚀模型 搭建实验平台 基于数据采集技术与 数理统计方法 对测试数据进行分析 研究动态干扰电流 土壤物化性质等腐蚀 囚素对管道腐蚀速率的影响 2 利用计算机图像处理技术 对实验室模拟加速腐蚀实验获取的干扰腐 蚀形貌图像进行数字化处理 根据数盒子法测定腐蚀表面形貌图像的分形维数 研究干扰电流 土壤环境因素与分形维数之间的关系 3 采用l a b v i e w 与m i c r o s o f ts q l 数据库 v i s u a lc 十 结合的方法丌发 恩 m翟 第1 章绪论 管地电位连续动态监测与腐蚀评价软件 实现管地电位实时显示 文件存储与回 放 数据库存储与条件查询 干扰严重性判断等功能 并通过提取腐蚀表面形貌 和计算腐蚀表面分形维数 估计干扰电流密度 并预测管道剩余寿命 第2 章动态电磁干扰加速腐蚀实验研究 第2 章动态电磁干扰加速腐蚀实验研究 埋地燃气钢质管道受轨道交通动态电磁干扰严重性判断的关键 在于对测试 数据的分析 因此 本课题在对轨道交通电磁干扰原理进行分析后 提出了轨道 交通动态电磁干扰测试的管地电位连续动态监测技术 在实验室搭建了动态电磁 干扰加速腐蚀实验平台 系统地研究了各腐蚀因子对管道腐蚀速率的影响 通过 对实验数据的统计分析 得出各腐蚀因子与腐蚀速率的数学关系式 以及管地电 位波动状况与干扰电流的关系 2 1 轨道交通动态电磁干扰原理 目前 国内外地铁轨道交通普遍采取走行轨回流的直流牵引供电系统 2 5 1 通常 牵引变电站将3 5 1 l o k v 的交流电压通过整流器整流和整流变压器降压后 构成等效2 4 脉波直流 向列车供叫2 6 1 因此 地铁轨道交通产生的电磁干扰主 要来源于两个方向 1 牵引变电站出来的直流大电流在轨道上流动时 由于轨道与土壤绝缘 不良 部分电流泄漏至土壤中 对埋地燃气钢质管道形成直流电磁干扰 2 在牵引变电站内 由于变电系统接地不当 例如变压器低压侧中性点 出线接地不当 则会对变电站附近的埋地燃气钢质管道形成交流电磁干扰 虽然 牵引变电站系统内采取了绝缘 隔离等防干扰措施 但是不同回路导体间或隔离 变压器一 二次绕组间形成的电容耦合仍然能对外部环境产生电磁干扰 我国交通动脉的电气化铁路为交流供电式 馈线电压为2 7 5 后y 最早建设 的铁路为直供式 即架空滑馈线为一相 轨道为一相 相当于一线一地式 由于 对地绝缘不好 轨间接头电阻大 因此 泄漏到土壤中的电流对管道形成交流电 磁干扰 另外 在埋地金属管道与电气化铁路强电供电线路平行的地方 将产生 一个由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 电 流在管道上流进流出 形成对管道的交流电磁干扰 2 1 1 轨道交通动态直流电磁干扰 地铁等轨道交通泄漏进入土壤中的直流干扰电流占据埋地燃气钢质管道干 扰腐蚀的主要地位 如图2 1 所示 当机车直流牵引电流沿地面敷设的走行轨流 动时 由于走行轨绝缘保护措施的不彻底性以及土壤环境充当电解质 因此有少 量的干扰电流不会沿走行轨 而是沿着大地回到牵引变电站 或者根本不回到牵 引变电站 若轨道附近埋设有金属管道 且金属管道存在防腐层破损 剥落等现 象时 金属电阻率与土壤相比要小很多 因此 泄漏到土壤中的干扰电流绝大部 分就会进入管道 在管道防腐层破损点处流进流出 并且在干扰电流流入与流出 北京t 业大学t 学硕十学位论文 点发生表2 1 所示的电化学反应 电流流出点金属失电子 管体发生腐蚀 2 7 1 直 交 图2 1 地铁轨道交通直流电磁干扰原理 f i g 2 l t h ep r i n c i p l eo f t h es u b w a yt r a f f i cd ce l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c et op i p e l i n e s 表2 1 直流干扰电流腐蚀电化学反应 t a b l e2 1 e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n sc a u s e db yd c d i s t u r b i n gc u r r e n tc o r r o s i o n 按照供电区间的距离 国内外地铁区间供电电压主要分为7 5 0 矿 1 5 0 0 v 和 3 0 0 0 v 三个系列 2 8 l 走行轨电阻约4 0 8 0 所q k m 轨道对地绝缘电阻约为2 1 0 0 m f t o n 因此 机车牵引电流可达上千安培 当轨道绝缘不良时 泄漏到 土壤中的瞬间冲击电流能达到上百安培 美国的c d f 幻刀 2 9 等人经研究认为 当供 电区间内只有一辆机车运行时 地铁轨道交通泄漏到土壤中的直流干扰电流如式 2 1 所示 i r j 2 跚 一 2 1 6 乞 其中 为机车牵引电流 a 为轨道电阻 f t k m 为机车与变电站 之间的距离 o n r e 为轨道对地电阻 f 2 k m 通过计算 c o t t o n 等人发现 当机车运行时 机车泄漏到下方土壤中的电流 密度可达o 5a m 2 根据法拉第电解定律 m m i t 其中电化当量 m 1 0 4 9 a h l 彳的电流通过钢管表面流向土壤溶液一年可产生9 1 1 堙铁 金属蚀失 我国石油天然气管道科学研究所经过分析 归纳大量的现场数据后 认为 当腐蚀电流密度大于o 0 9 a m 2 时 对管道存在严重的腐蚀危害性 3 0 1 如 此大的干扰电流 势必严重缩短管道的使用寿命 第2 章动态电磁干扰加速腐蚀实验研究 2 1 2 轨道交通动态交流电磁干扰 地铁牵引变电站 电气化铁路强电线路对埋地燃气钢质管道的交流电磁干扰 较小 但是 如果在管道周围长期存在交流电磁干扰 且管道距离干扰源太近 仍然会对管道产生严重的腐蚀危害 根据干扰原理不同 可以将轨道交通动态交 流电磁干扰分为阻性耦合电磁干扰与感性耦合电磁干扰 2 1 2 1阻性耦合电磁干扰 阻性耦合电磁干扰主要来源于变电站以及电气化高压铁塔的接地不良或接 地不当 通过干扰源的接地部分 干扰源的接地电阻与地下管道构成电连接 形 成了高压线路对埋地钢质管道的阻性耦合电磁干扰 图2 2 所示为轨道交通阻性 耦合电磁干扰的一种情况 高压铁塔接地端与大地绝缘不良 铁塔上携带的电流 经绝缘不良处进入土壤 对土壤下方的埋地钢质管道形成阻性耦合电磁干扰 仁二篁逢 图2 2 阻性耦合电磁干扰 f i g 2 2e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c eo fr e s i s t a n c ec o u p l i n g 按照地电场衰减规律 一般接地体的影响范围很小 只有几米 非故障状态 下管地电位变化不大 而接地体发生故障时 故障电流引起管地电位上升 发生 阻性耦合电磁干扰 如式 2 2 所示 接地体在附近大地产生的电膨3 i 为 圪 厶r 三 纂 2 2 其中 k 为距离干扰源接地体x 单位 m 的大地电压 y 厶为接地体 入地电流 a p 为土壤电阻率 q m 口为接地体等效球面半径 m r 为接 地体接地电阻 q 阻性耦合是接地电阻 入地电流和相对接地体的距离的函数 因此 管道的 位置不宜距离电力接地系统太近 至少应该保持3 m 的距离 2 1 2 2 感性耦合电磁干扰 当管道与电气化铁路的强电线路长距离平行或斜接近时 强电线路对埋地钢 质管道形成感性电磁干扰 如图2 3 所示 当电流在 条相导线中流动时 导线 周围产生磁场 这个磁场同时存在于空气与邻近大地中 且磁场动态变化 当埋 净 o 就 t a b l e 2 1a l l o w a b l el e n g t ho ft h ep i p e l i n e sp a r a l l e l e dt o5 0 h ze l e c t r i f i e dr a i l w a yw i r e s 间距 有效干扰电流以m 肌 1 098765 4 32 2 00 60 6 5o 7 50 8 51 o1 2 5 1 62 44 2 5 0o 8 0 91 01 11 31 62 23 47 7 l o o1 11 21 51 82 12 53 45 6 2 0 01 82 02 32 73 44 47 7 3 0 02 42 83 34 15 4 4 0 03 33 94 76 3 5 0 04 65 78 2 6 0 07 7 6 0 0不限 目前 国外对埋地钢质管道的交流电磁干扰的研究已经长达9 0 多年 国内 的研究也有2 0 多年的历史 但是 交流电磁干扰对金属的腐蚀机理至今还未得 到解决 普遍认可的观点是电化学腐蚀理论 交流电对金属的阳极溶解作用比较复杂 从电化学角度出发 若金属的阳极 溶解遵循塔菲尔方程 3 1 即 r a b l o gi i 2 3 第2 章动态电磁干扰加速腐蚀实验研究 其中 7 为超电势 y a b 为塔菲尔常数 f 为交换电流密度 a m 2 当金属受到交流电作用时 则金属的阳极溶解反应动力学机构不发生变化 交换电流密度i 和塔菲尔斜率b 都保持不变 在交流电的正半周 金属阳极的溶解电流密度变大 在交流电的负半周 金 属阳极的溶解电流密度降低 但是 总的结果是引起金属阳极的溶解速度增大 2 2 轨道交通电磁干扰测试技术 对埋地燃气钢质管道轨道交通动态电磁干扰的研究 必须建立在一定的检测 技术基础上 因此 需要对轨道交通电磁干扰以及埋地燃气钢质管道的特征进行 分析 选取合适的干扰测试方法 依据电磁干扰原理搭建试验平台 并对测试数 据进行分析 研究轨道交通电磁干扰对埋地燃气钢质管道