當(dāng)前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了多起電氣化鐵路對(duì)埋地輸油氣管道產(chǎn)生交流干擾腐蝕的案例。交流干擾不僅會(huì)使埋地管道發(fā)生交流腐蝕，而且會(huì)損壞管道設(shè)備，甚至危及人身安全。

秦沈客運(yùn)專線對(duì)鐵秦線管道產(chǎn)生的交流干擾電壓最高達(dá)167 V。相對(duì)于普通電氣化鐵路，高鐵所需的電流更大，其對(duì)管道產(chǎn)生的交流干擾問題更加復(fù)雜和嚴(yán)重。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)采用鋼軌和大地作為回流線，流入大地的交流電流會(huì)以電阻耦合的方式對(duì)附近埋地金屬管道產(chǎn)生交流干擾；另一方面，軌道上方的牽引供電線也能通過感性耦合的方式使臨近的金屬管道產(chǎn)生交流感應(yīng)電流和電壓，導(dǎo)致埋地管道防腐層破損處發(fā)生交流腐蝕，引起埋地輸油氣管道快速穿孔失效。

京滬高鐵途經(jīng)中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍的地區(qū)，受地理空間資源的限制，京滬高鐵山東段與某輸油管道處在共同的交通走廊內(nèi)。管道運(yùn)營公司日常檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該輸油管道的最高交流干擾電壓達(dá)到46 V，超過了GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中安全電壓限值不超過15 V的要求。

由高鐵導(dǎo)致的管道間歇性交流干擾問題，國內(nèi)外目前尚無針對(duì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，因此，國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)和北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院的技術(shù)人員對(duì)該管道進(jìn)行了交流干擾全面檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬技術(shù)評(píng)估了京滬高鐵對(duì)該管道交流干擾影響的分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了針對(duì)性的緩解措施，并對(duì)最終的排流緩解效果進(jìn)行了后評(píng)價(jià)，以期為其他同類問題的解決提供借鑒。

京滬高鐵與管道的基本信息

京滬高鐵采用AT供電方式，即在接觸網(wǎng)與正饋線之間并聯(lián)接入一臺(tái)自耦變壓器，其中性點(diǎn)與鋼軌相連。每隔約10 km設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器，這種方式能將牽引網(wǎng)的供電電壓提高一倍，而供給電力接車的電壓仍為27.5 kV。

高鐵列車由接觸網(wǎng)(T)受電，牽引電流一般由鋼軌(R)流回，由于自耦變壓器的作用，鋼軌上的回流電經(jīng)自耦變壓器繞組和正饋線(AF)流回變電所。其工作原理如圖1所示。

圖1 高鐵AT供電方式的工作原理示意

為了降低回流電流對(duì)鐵路沿線設(shè)備和設(shè)施產(chǎn)生的電磁影響，高鐵一般采用綜合接地系統(tǒng)。在綜合接地系統(tǒng)中，建筑物、構(gòu)筑物及設(shè)備在貫通地線接入處的接地電阻不應(yīng)大于1 Ω。沿鐵軌敷設(shè)的貫通地線每隔500 m橫向連接一次。每個(gè)橋墩單點(diǎn)接地電阻不大于10 Ω。

某成品油管道管徑為Φ355.6 mm，壁厚7.1 mm，平均埋深1.8 m，管道為X60鋼，設(shè)計(jì)壓力8 MPa，采用外加電流陰極保護(hù)和環(huán)氧粉末(FBE)防腐蝕層聯(lián)合防護(hù)。本工作中輸油管道與京滬高鐵交叉并行軌跡如圖2所示。

圖2 管道與京滬高鐵并行交叉段的衛(wèi)星圖

管道所受交流干擾情況

1 交流干擾的測(cè)試方法

交流干擾測(cè)試遵循GB/T 50698—2011和GB/T 21246—2020的規(guī)定，使用uDL1和uDL2數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)干擾強(qiáng)度較大的管段（測(cè)試樁K320-K369處管段）進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，采集陰極保護(hù)電位、交流干擾電壓和試片的電流密度等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。在測(cè)試樁位置采用溫納四極法測(cè)試土壤電阻率，測(cè)試深度為2 m，測(cè)試儀器為ZC-8土壤電阻率測(cè)試儀。

交流干擾嚴(yán)重程度和緩解效果評(píng)估遵循GB/T 50698—2011和新版交流腐蝕行標(biāo)SY/T 0087.6—2021《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 第6部分：埋地鋼質(zhì)管道交流干擾腐蝕評(píng)價(jià)》規(guī)定的交流腐蝕評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：

(1) 當(dāng)交流電流密度≤30 A/m2時(shí)，交流腐蝕速率低，可不采取干擾緩解措施；

(2) 當(dāng)30 A/m2<交流電流密度<100 A/m2時(shí)，則應(yīng)滿足-1.15 VCSE≤管道極化電位≤-0.90 VCSE或陰極保護(hù)電流密度≤1 A/m2，且EIR-free≤-0.90 VCSE。

(3) 當(dāng)交流電流密度≥100 A/m2時(shí)，交流腐蝕速率高，應(yīng)采取干擾緩解措施。

2 測(cè)試結(jié)果

圖3 K320至K369管段24小時(shí)交流電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖3可見：該管段的交流干擾波形特征為白天高鐵運(yùn)行期間，管道遭受間歇沖擊型交流干擾，最高交流干擾電壓可達(dá)幾十伏特，評(píng)估結(jié)果為強(qiáng)干擾；而在夜間高鐵停運(yùn)期間，管道交流干擾電壓很低，不足白天峰值的10%，評(píng)估結(jié)果為弱交流干擾。基于管道交流電壓變化情況與高鐵運(yùn)行情況的一致性，得出該管道K320至K369段的交流干擾源主要為京滬高鐵。

圖4 管段的交流電壓最大值、平均值和最小值分布情況

由圖4可見：受交流干擾最嚴(yán)重的管段集中在K323至K340測(cè)試樁之間，此段管道交流干擾電壓最大值達(dá)到46 V，交流干擾電壓平均值大于4 V。由圖2可見，此段管道與京滬高鐵并行，最小距離約為150 m，進(jìn)一步證明了管道遭受的交流干擾主要來自京滬高鐵。K347至K369段之間的管道與京滬高鐵的距離較遠(yuǎn)，管道遭受的交流干擾也較小。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試片（1 cm2）的交流電流密度最大值超過300 A/m2，K323至K340測(cè)試樁之間管段的最大交流電流密度均超過100 A/m2。根據(jù)GB/T 50698—2011標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各個(gè)測(cè)試點(diǎn)24小時(shí)內(nèi)交流電流密度平均值為30～50 A/m2，這是因?yàn)?4小時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中含有高鐵停運(yùn)期間數(shù)據(jù)，造成計(jì)算得到的交流電流密度值偏小，這說明使用現(xiàn)行穩(wěn)態(tài)交流干擾標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)價(jià)高鐵造成的沖擊型交流干擾，結(jié)果偏樂觀。

交流干擾測(cè)試結(jié)果表明，K323-K340測(cè)試樁位置管段的交流干擾程度為強(qiáng)干擾，應(yīng)進(jìn)行交流干擾緩解。

數(shù)值模擬評(píng)估與排流設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步明確京滬高鐵對(duì)管道的交流干擾分布規(guī)律，保證排流設(shè)計(jì)的合理性，使用CDEGS軟件建立了高鐵對(duì)管道的交流干擾計(jì)算模型，如圖5所示。高鐵牽引供電系統(tǒng)、鋼軌、接地系統(tǒng)和管道系統(tǒng)均使用現(xiàn)場(chǎng)收集的實(shí)際參數(shù)，平均土壤電阻率為23 Ω·m，高鐵運(yùn)行過程中，上、下行機(jī)車電流分別為318 A和712 A。

圖5 交流干擾計(jì)算模型

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上行和下行機(jī)車均位于匡莊AT變電所附近位置時(shí)，交流干擾強(qiáng)度最大。高鐵對(duì)管道的交流干擾電壓分布如圖6所示。雙機(jī)車運(yùn)行時(shí)干擾最大，其次是下行機(jī)車，最后是上行機(jī)車，說明機(jī)車運(yùn)行電流越大，對(duì)管道的交流干擾影響越大。

圖6 雙列車行駛時(shí)管道的交流干擾電壓分布情況

由圖6可見：雙機(jī)車運(yùn)行時(shí)，遭受交流干擾最大的管段為K323-K336測(cè)試樁間，最大交流干擾電壓為46.7 V，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果基本吻合。數(shù)值模擬計(jì)算得到的干擾電壓和電流密度均超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 V和100 A/m2限值條件，管道應(yīng)采取交流干擾緩解措施。

控制交流腐蝕的典型方法是在關(guān)鍵位置提供接地極，將交流電流的釋放點(diǎn)從管道上轉(zhuǎn)移到接地電極上。常用的管道交流干擾緩解方法為固態(tài)去耦合器加鋅帶排流方法，根據(jù)管道最大干擾電壓進(jìn)行緩解設(shè)計(jì)，通過不斷調(diào)整鋅帶長度及敷設(shè)位置，計(jì)算得到管道排流點(diǎn)數(shù)量以及最終緩解效果。該管道所在區(qū)域主要地形為農(nóng)田，為了減小排流施工對(duì)農(nóng)田莊稼的影響，采用安裝深井陽極方法，每個(gè)排流點(diǎn)在垂直管道距離4 m和8 m的位置開挖兩口30 m深的深井，鋅帶型號(hào)為ZR-2，3根鋅帶并聯(lián)捆扎后放入深井中。計(jì)算過程中，隨著鋅帶敷設(shè)長度和位置的增加，管道沿線交流干擾強(qiáng)度明顯減小，當(dāng)管道上安裝敷設(shè)8處鋅帶時(shí)，最大干擾情況下管道沿線干擾電位分布如圖7所示。安裝排流地床的位置分別為K325、K327、K330、K332、K335、K339、K344、K350測(cè)試樁處。

圖7 安裝8處排流設(shè)施后的管道電位分布

由圖7可見：安裝排流地床后，管道最大干擾電壓為7.34 V，滿足15 V的人身安全電壓限值要求。并且計(jì)算得到電流密度數(shù)值均小于30 A/m2，結(jié)合管道陰極保護(hù)斷電電位為-0.96 V，判斷管道受到的交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為弱，達(dá)到緩解目標(biāo)，確定該方案為緩解方案。

緩解效果后評(píng)價(jià)

排流地床投入使用后，根據(jù)GB/T 50698—2011和GB/T 20246—2020標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法再次對(duì)交流干擾強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。

首先測(cè)試了單個(gè)排流地床的排流效果，對(duì)K323測(cè)試樁位置的排流地床進(jìn)行了固態(tài)去耦合器連接和不連接管道情況下的排流效果試驗(yàn)，兩種狀態(tài)分別持續(xù)監(jiān)測(cè)24小時(shí)，該處排流地床接地電阻為0.75 Ω。

圖8 固態(tài)去耦合器連接與不連接管道交流電壓對(duì)比圖

由圖8可見：當(dāng)固態(tài)去耦合器與管道連接時(shí)，管道最高交流干擾電壓為5.8 V；斷開時(shí)，管道最大交流干擾電壓達(dá)為26 V；說明排流地床緩解干擾能力達(dá)到78%。排流地床較好地緩解了干擾，顯著降低了交流干擾的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)人的潛在電擊傷害。

后評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)若排流地床接地電阻大于1.5 Ω，緩解干擾能力低于50%，在管道上的影響距離也大大縮短。一般情況下，若排流地床接地電阻小于1 Ω，則每2~3 km設(shè)置一處排流地床就能起到較好的緩解效果，但若施工位置土壤電阻率高或者填包料安裝不均勻?qū)е碌卮步拥仉娮璐笥?.5 Ω時(shí)，緩解效果將不如預(yù)期，需要加密設(shè)置排流地床。

圖9 管道排流前后交流干擾電壓平均值對(duì)比

由圖9可見：經(jīng)過排流，管道的交流電壓大幅度下降，排流效果良好，有效解決了管道的交流干擾問題。

結(jié)論

(1) 高鐵導(dǎo)致的間歇性交流干擾問題，目前國內(nèi)外尚無針對(duì)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，依據(jù)GB/T 50698—2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏樂觀，這主要是由于引入了高鐵停運(yùn)期間的無干擾數(shù)值，導(dǎo)致平均電流密度變小。

(2) 排流地床的接地電阻應(yīng)小于1.5 Ω，否則排流效率低，無法達(dá)到預(yù)期的緩解效果。因此在無法降低排流地床接地電阻的情況下，需要設(shè)置更多的排流地床。

(3) 數(shù)值模擬能夠明確高鐵對(duì)管道的交流干擾電壓分布規(guī)律，并且可以有效解決排流地床的設(shè)計(jì)問題。