城镇燃气管道受地铁杂散电流危害防护与监测

1引言目前我国城市地铁供电系统基本上都是以走行轨为回流通路的直流牵引供电系统，由于走行轨不可能完全绝缘于道床结构，钢轨不可避免地向道床及其它结构泄漏电流，这种电流就是杂散电流，也称为地中迷流，这种杂散电流对土建结构钢筋、设备金属外壳及其它地下金属管线产生的电化学腐蚀，即杂散电流腐蚀口。地铁杂散电流腐蚀激烈和集中在局部的特点，往往会导致地下金属管道出现电蚀穿孔的现象,从而引发安全事故。更是一个城市的生命线，然而地铁杂散电流腐蚀已经成为城市地下燃气管道泄漏的巨大隐患。因此针对地铁杂散电流对城市地下燃气管道危害的防护与监测问题进行研究，具有十分重要的意义。2地铁杂散电电流的产生与腐蚀原理城市地铁（轻轨）主要采用1500V或750V直流供电方式牵引，以架空的接触网或者第三轨供电作为正极，以行走轨道作为负极回流导体口。地铁牵引电流（I）从变电站正极送出经过架空接触线进trc入列车，然后由钢轨流回变电站负极，这样构成回路。由于钢轨纵向电阻的存在，在回流钢轨中电流I由高电位流向低电位，这T样钢轨与大地之间就形成了电位差（简称钢轨电压），尽管在铺设钢轨时对钢轨与大地之间采取了一些绝缘措施，但钢轨与大地之间并非绝对绝缘，而是存在一定的过渡电阻，钢轨电压与对地过渡电阻的存在必然导致对大地的泄漏电流18，即杂散电流［］。泄漏到大地中的地铁杂散电流会流向附近的埋地燃气管道，流经管道后会再次流出进入大地，最终这些杂散电流回到地铁变电站负极，从而形成另一回路系统。通常地铁杂散电流进入燃气管道的区域带有负电荷，这一区域称为阴极区，位于阴极区的管道会得到一定的保护，但若阴极区的电位值过负时，可能会造成管道防腐层剥离更甚至导致高强度钢管道的氢致开裂危害；而当杂散电流由管道的某一防腐层漏点流出时，该区域管道带有正电荷，这一区域成为阳极区，处于阳极区的管道受到严重的杂散电流腐蚀，危及管道设施安全。3地铁杂散电电流腐蚀危害地铁杂散电流腐蚀强度大，危害大，其腐蚀特点如下：a.腐蚀激烈；b.腐蚀集中于局部位置；c.有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位口。地铁杂散电流腐蚀多表现为孔蚀形态，其腐蚀速率比一般自然腐蚀要大几个数量级，该腐蚀一旦发生，速度相当惊人。根据Faraday电解第一定律可得到：在自然条件下，1A地铁杂散电流可以在1年内腐蚀掉9.13kg钢铁或33.5kg铅口，如果换算成1mA的地铁杂散电流作用在1cm2燃气管道防腐层破损点上，腐蚀速率非常惊人，1年可腐蚀深度11.68mm，超出多数燃气管道的壁厚，从而造成腐蚀穿孔泄露事故。查阅相关资料,北京地铁1号线采用DC750V接触轨供电牵引，列车启动和运行时流入大地的电流值要大于100A，深圳地铁采用的是DC1500V，流入大地的电流值大于150A⑵。目前我国开通地铁线的城市（北京、上海、广州、深圳、天津、南京、昆明等）均出现了不同程度的地铁杂散电流腐蚀问题，我国南方及沿海城市的地下燃气管道面临地铁杂散电流腐蚀的问题更为严重，广州地铁开通之后，广州市区燃气管道抢修量10年增加近10倍。因此防止地铁中杂散电流对埋地燃气管道的腐蚀是十分重要的。4防护与监测措施针对解决已投运地铁对燃气管道的杂散电流腐蚀问题，要从地铁与管道双方入手治理。地铁方须定期清扫轨道线路，及时消除道床积水，保持道床处于清洁干燥状态，保持走行轨绝缘水平良好⑷；同时根据地铁杂散电流监测系统的报警信息，及时处理地铁线路异常现象。即使地铁线路日常运行维护的很好还是不可避免的会产生杂散电流，这就要求管道方必须加强自身防控治理措施。管道方的地铁杂散电流腐蚀防护原则：以“堵”为主，以“排”为辅，“堵”与“排”相结合，同时加强日常“监测”的管理工作。“堵”一一把管道上所有杂散电流可能流入的点尽可能堵住，或通过分段绝缘增大管道纵向电阻，让杂散电流尽可能少的流入管道。主要措施有：对管道防腐层漏点查找修复；将管线上所有直连阳极断开或加装单向导通排流节；对受干扰管线上绝缘装置进行检查，发现绝缘失效、漏电问题立即修复；对长管道进行分段绝缘，增大整体纵向电阻。“排”一一将流入管道的地铁杂散电流排出，引回至地铁回流轨或变电站负极；或者给受干扰管道施加一个与杂散电流极性相反的电流，将杂散电流影响抵消。主要措施有：接地排流、直接排流、极性排流、强制排流等。“监测”一一必须加强地铁杂散电流对燃气管道干扰状况的日常监测。管道与地铁二者自身或周边设施或环境发生变化，都可能会导致管道原有的防护系统部分或全部失效，尤其是管道周边又有其他新建地铁线或者管道投运的情形。还有随着地铁运行年限的延长，轨道与大地间的绝缘会逐渐老化造成杂散电流泄漏量增大，同样管道防腐层也会逐渐老化造成杂散电流流入量增大，上述情况均会导致管道原有杂散电流防护措施不能满足使用要求。加强日常监测不仅可以及时发现问题、隐患，同时也为开展“堵”和“排”的工作提供了科学依据。主要措施：创建智能阴极保护在线远程监测管理系统，在线监测地铁杂散电流对燃气管道干扰动态变化。因此，“堵”、“排”与“监测”三者是相辅相成的关系，“堵”与“排”是管道本身治理杂散电流腐蚀的关键，而“监测”则是管道杂散电流防护系统的检验、守护与预警者。下面以案例分析的形式直观介绍一下管道杂散电流防护治理的“堵”、“排”与“监测”三个重要环节。5案例介绍在东部沿海城市有一条新建地铁线路与周边一条在役埋地燃气管道存在交叉伴行现象。燃气管道于2004年投运，管道长约32km，主材为L245螺旋焊缝钢管，规格为①355.6X7.1mm，外防腐采用3PE加强级防腐层，阴极保护采用强制电流与牺牲阳极联合保护方式，阴保站设在燃气门站内。新建地铁线于2018年投运，采用1500V直流供电方式牵引，与管道交叉伴行的地铁段全部采用的地下隧道通行方式。燃气管道与地铁线存在2处垂直交叉与1处伴行，其中伴行管段长约10km（其中650m两者线路重合），伴行间距平均为350m。地铁投运以后管道受到严重的地铁杂散电电流干扰，阴保电位会出现严重漂移现象，波动频率大，干扰严重位置波动幅度高达15V（如图3），阴极保护系统基本瘫痪。经调查测试发现该管线从门站起约20km管段受到较严重的杂散电流影响，对该管段12处测试桩测得的断电电位普遍在-0.4v~-0.7V之间，阴极保护明显不达标，管道受到杂散电流腐蚀侵害，必须采取防护措施。“堵”针对该管道干扰状况首先采取“堵”的措施：管道全线外防腐层进行漏点查找与修复、管线路牺牲阳极查找及断开、绝缘系统检查与漏电处理。ACVG与DCVG是最常用的两种管道防腐层检测技术，地铁直流杂散电流会对DCVG检测技术产生干扰影响，故城市轨道附近的埋地管道防腐层检测常采用ACVG技术。通过PCM对受干扰的32km燃气管道全面检测发现：一类漏点(〉60dB)4个、二类漏点(50dB~60dB)3个、三类漏点(40dB~50dB)10个、其他漏点(〈40dB)4个，共计21个防腐层破损点，其中一类漏点中含2个疑似牺牲阳极点。针对防腐层漏点采用粘弹体缠绕+聚丙烯增强纤维胶带周向缠绕搭接保护方式进行了修复，同时对管线路查找出的所有牺牲阳极进行了摘除或单向隔离处理。采用电位法与直接测量法两种方法来评价判断受干管线上绝缘装置的绝缘有效性，其中站场、阀室及阀井内的绝缘装置作为重点排查对象。在排查过程发现燃气门站绝缘接头测试桩内保护端与非保护端测试线存在搭接问题，不仅导致90%阴保电流流失到站内工艺区管道及接地网，而且增加杂散电流的流入，对搭接进行断开处理后，恒电位仪仪输出电流由原来的15A左右降至1A。“排”常用的排流保护方式可分为接地排流、直接排流、极性排流和强制排流等，见表1口。表1常用的排流保护方式方式接地排流直接排流极性排流强制排流

原理示意图适用范围适用于管道阳极区较稳定且不能直接向干扰源排流的场合适用于管道阳极区较稳定且可以直接向干扰源排流的场合，此方式使用时须征得干扰源方同意适用于管道阳极区不稳定的场合。如果向干扰源排流，被干扰管道需位于干扰源的负回归网络附近，且须征得干扰源方同意适用于管道与干扰源电位差较小的:合,或者位于交变的管道。如果向干源排流，被干扰管需位于干扰源的负回归网络附近，且征得干扰源方同;根据前期对该燃气管道受干扰状况的调查测试结果，在“排”的环节设计采用强制排流与极性排流相结合的排流方式。直接向干扰源排流须将排流系统连接到地铁供电系统的负回归线上，目前这种做法在国内还没有实际应用案例，技术也不够成熟，风险不可控而且实施起来难度大。在此，选择通过人为在管道旁边设置排流接地体创造低电阻通道的方法排流（如图4、5），这种做法技术成熟而且国内有较多的应用案例，效果基本可控，实施过程及后期运行不需要地铁方配合，管理便捷。图4强制排流系统示意图5极性排流系统示意图本案例中强制排流系统也可称为强制电流阴保系统（简称“强排站”），它可有效的抵消地铁杂散电流对管道产生的正电位影响，使大部分受干扰管段阴保效果达到要求。极性排流系统引流驱动电压小，排流效果有限，适宜在干扰比较严重的管段设置，起辅助排流作用；在该项目中极性排流系统由大型排流地床（由12支锌阳极并联组成）和极性排流器组成，其中极性排流器起到单向导通作用，可避免外界杂散电流通过排流地床反向流入管道。通过现场排流试验、馈电试验进行设计排流系统数量与位置，确定出强排站采用原有门站阴保站，对门站原有阴保站进行检修并更换抗干能力强的智能恒电位仪，使该系统正常运行起来，并且在管线路干扰严重位置（主要在交叉点与伴行段）设置6处极性排流点，排流系统布局如图6：图6排流防护系统布置示意图“监测”受地铁杂散电流干扰管道的阴保电位会出现严重漂移现象，波动频率大、波幅高，靠传统的人工测试来评价管道保护效果不仅技术难度大、准确度低而且效率低下，达不到及时准确的预警理想效果。近年来随着互联网、通讯、人工智能等技术的快速发展，管道阴极保护在线远程监测管理系统应运而生。为了更好、更准确的评价杂散电流治理效果及加强杂散电流对管道干扰动态监测，在该环节创建了智能阴极保护远程监控管理系统（如图7）,该系统以地理信息系统（GIS）为管理平台，采用GPRS无线通讯技术（2G/3G/4G）将管线路各个监测装置采集的数据发送至指定中心服务器上。系统主要包括硬件、软件及通讯模块，其中硬件包含：智能恒电位仪、智能测试桩等。河南汇龙合金材料有限公司刘珍河南汇龙合金材料有限公司刘珍河南汇龙合金材料有限公司刘珍图7阴极保护远程监控管理系统示意图图8阴保远程监控系统基本功能展示案例中监测工作的具体实施内容：在受干扰管线由路设置20个智能监测桩，采集上传管道通电电位、断电电位、自然电位、交/直流干扰电压及电流密度等数据参数，同时具备杂散电流异常触发连续密间隔采集功能。在燃气门站设置1台智能恒电位仪，该设备可将其输出电压、输出电流、保护电位、报警状态、备机运行状态等参数实时上传至软件平台服务器，同时软件平台也可对其进行电位电流调节、备机切换、开关机、断电测量、超差复位等远程控制操作。在控制中心布署一套智能阴极保护远程监控软件系统(如图10)，该系统软件含数据监测、远程监控、系统运行状况、分析统计、异常报警、故障诊断、设备管理、报表打印及系统管理九大功能模块。图9现场智能桩与智能恒电位仪照片图10智能阴极保护远程监控软件系统展示4.4防护效果评价（1）阴极保护有效性评价排流防护措施实施后，查看阴极保护远程监控管理系统对受干扰管段12个测试点监测的通/断电电位数据与效果评价见表2：表2受干扰管段12个测试点通/断电电位数据与效果评价表智能桩编号通电电位（V）断电电位（V）防护效果评价最大值最小值平均值最大值最小值平均值57#-0.843-2.056-1.316-0.929-1.253-1.115良好58#-1.141-2.054-1.318-0.882-1.247-1.082良好59#-0.737-1.565-1.231-0.891-1.239-1.055良好60#-0.844-2.265-1.329-0.966-1.257-1.108良好61#-0.733-2.153-1.175-0.903-1.266-1.050良好62#-0.676-1.997-1.206-0.836-1.259-0.948良好64#-0.743-1.959-1.21864#-0.743-1.959-1.218-0.853-1.213-0.945好66#-0.525-2.472-1.249-0.838良-1.301-1.097好67#-0.348-2.622-1.315-0.858相关文章»试论高速铁路工务维修养护相关问…»习近平总书记关于生态文明建设重…»综合物探方法在探查2-2煤层附近…»东昆仑造山带低山

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