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電氣化鐵路對(duì)嘉興段天然氣管道的交流干擾及防護(hù)

2021-08-20 13:57:12 作者：賀裕卓，季壽宏等來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

隨著我國(guó)能源和鐵路運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，越來(lái)越多的天然氣管道和電氣化鐵路建成并投入使用，由于受到國(guó)土資源和環(huán)境的限制，加上二者路由選擇上的相似性，導(dǎo)致在“公共走廊”內(nèi)常常出現(xiàn)長(zhǎng)距離的并行和交叉穿越現(xiàn)象。

電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)通常采用鋼軌和大地作為回流路徑，流入大地的雜散電流會(huì)以電阻耦合的方式對(duì)臨近的埋地金屬管道產(chǎn)生交流干擾，同時(shí)鐵路的牽引供電線會(huì)通過(guò)感性耦合的方式使管道上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，導(dǎo)致管道防腐蝕層破損處易發(fā)生交流腐蝕，目前國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了多起相關(guān)案例。過(guò)高的交流電壓還會(huì)威脅操作人員的安全，影響管道附屬設(shè)備及陰保恒電位儀的正常工作。為降低管道上的交流干擾電位，保障管道的安全運(yùn)行，定期檢測(cè)管道上的雜散電流并及時(shí)開(kāi)展排流防護(hù)工作尤為重要。

　　以浙江省嘉興市內(nèi)一段天然氣管道的交流干擾檢測(cè)與防護(hù)為例，該段管道受到高鐵和鐵路的共同干擾，具有特殊性，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)此方面的對(duì)比研究，因此，西南石油大學(xué)和浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司的研究人員對(duì)比分析了高鐵和鐵路對(duì)管道交流干擾的特點(diǎn)，對(duì)該段管道的受干擾情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查與檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的排流方案設(shè)計(jì)，方案實(shí)施后進(jìn)行再次檢測(cè)及效果評(píng)價(jià)，以期為管道的交流干擾防護(hù)提供理論支撐。

管道與電氣化鐵路概況

杭州市至嘉興市天然氣輸氣管道（杭嘉線天然氣管道）全長(zhǎng)84.44km，于2010年1月運(yùn)營(yíng)投產(chǎn)。嘉興段天然氣管道是其位于嘉興市內(nèi)的一段管道，長(zhǎng)約11.5km，由嘉興輸氣站輸往王店閥室。管道設(shè)計(jì)壓力6.3MPa，運(yùn)行壓力5.5MPa，管徑為813mm，壁厚為11.9mm，材質(zhì)為X65鋼，設(shè)計(jì)輸氣量為18.5×108 m3/a，管道采用三層PE外防腐蝕層和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的方式進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)。

滬杭高鐵于2010年10月正式通車，采用高架敷設(shè)，雙線運(yùn)行，平均每3分鐘有一趟高鐵經(jīng)過(guò)嘉興段管道。由于滬杭高鐵與杭嘉線天然氣管道存在長(zhǎng)距離（約40km）短間距（平均間距250m）并行，高鐵通車后，對(duì)杭嘉線天然氣管道的交流干擾很大，雖然經(jīng)過(guò)幾年的治理，略有成效，但本工作中的嘉興段管道未得到有效治理。滬杭鐵路于2006年并入滬昆鐵路，采用地面路基敷設(shè)，雙線運(yùn)行，平均每15分鐘有一趟火車經(jīng)過(guò)嘉興段管道，其嘉興站至海寧站間的軌道與嘉興段天然氣管道并行。

嘉興段天然氣管道與滬杭鐵路及滬杭高鐵均存在近距離并行及交叉穿越情況，管道與電氣化鐵路的示意圖見(jiàn)圖1。其中嘉興輸氣站至32號(hào)陰保測(cè)試樁間的管道與滬杭鐵路存在約6km的并行，平均間距為50m，在31~32號(hào)測(cè)試樁間離32號(hào)測(cè)試樁約190m 處與滬杭高鐵存在交越點(diǎn)；32號(hào)測(cè)試樁至王店閥室間的管段與滬杭高鐵存在約5.5km并行，平均間距為150m。嘉興段天然氣管道沿線地貌以平原為主，土壤類型為黏質(zhì)土，管道上方多為農(nóng)田，土壤電阻率較低。

圖1 管道與電氣化鐵路的示意圖

交流干擾測(cè)試

No.1測(cè)試方法

嘉興段天然氣管道共有12根陰保測(cè)試樁，平均間距約1km，樁位置分布見(jiàn)圖1。根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，利用Fluke17B+數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)測(cè)試樁的交流電位進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為10min，極個(gè)別受干擾嚴(yán)重的測(cè)試樁利用具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能的智能陰保監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行48h監(jiān)測(cè)，設(shè)備的交流電位量程為0~100V，采樣精度≤0.01V，采樣頻率為1次/s，參比電極采用飽和硫酸銅電極。利用METREL MI3123通用接地電阻測(cè)試儀測(cè)試管道沿線土壤電阻率，采用溫納四極法，測(cè)量深度為2m，將儀器的四個(gè)電極鋼釬以2m間隔等間距插入地表中，電極入土深度應(yīng)不超過(guò)10cm，接線開(kāi)機(jī)后按測(cè)試鍵可獲得土壤電阻率測(cè)試結(jié)果。

No.2判定指標(biāo)

根據(jù)GB/T 50698-2011中的規(guī)定：當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V 時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，交流電流密度計(jì)算公式如下：

JAC =8V/ρπd （1）

式中：JAC為評(píng)估的交流電流密度，A/m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率，Ω·m；d為破損點(diǎn)直徑，m，取0.0113。

交流干擾程度的判斷指標(biāo)

弱

交流電流密度<30A/m2

↓

可不采取交流干擾防護(hù)措施

中

交流電流密度30~100A/m2

↓

宜采取交流干擾防護(hù)措施

強(qiáng)

交流電流密度>100A/m2

↓

應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施

No.3測(cè)試結(jié)果

嘉興站至29號(hào)測(cè)試樁段的管道交流電位最大值為4.31V，平均值均低于4V，交流干擾程度較弱，主要受滬杭鐵路的交流干擾；29~32號(hào)測(cè)試段的管道交流干擾程度主要為中偏強(qiáng)，其中32號(hào)測(cè)試樁受交流干擾最嚴(yán)重，最大交流電位31.81V，平均交流電位12.67V，由式（1）計(jì)算得最大交流電流密度363.92A/m2，平均交流電流密度144.93A/m2，管道受到滬杭鐵路和滬杭高鐵的共同干擾；33號(hào)測(cè)試樁至王店閥室間管段的交流干擾程度為中等，主要受到滬杭高鐵的交流干擾。

在鐵路和高鐵距管道都是40m的情況下，32號(hào)測(cè)試樁交流電位最大值是29測(cè)試樁的7.57倍，且去除鐵路的影響后，仍然是29號(hào)測(cè)試樁的6倍多。26和37號(hào)測(cè)試樁的交流電位最大值和平均值都相差很小，說(shuō)明距37號(hào)測(cè)試樁250m遠(yuǎn)的高鐵和距26號(hào)測(cè)試樁35m遠(yuǎn)的鐵路對(duì)管道造成的交流干擾程度相當(dāng)。由此可知：在高鐵和鐵路距管道等距離情況下，高鐵對(duì)管道的交流干擾明顯強(qiáng)于鐵路的干擾，其對(duì)管道的交流干擾約為鐵路的4~6倍大。

因30，32，36號(hào)測(cè)試樁處管道埋設(shè)的土壤電阻率低于20Ω·m，且受到的交流干擾很大，在較負(fù)的陰保電位條件下，利用公式（1）計(jì)算得到的交流電流密度可能不準(zhǔn)確。因此，在這三根測(cè)試樁位置處增設(shè)了裸露面積為1cm2的試片以測(cè)試管道的交流電流密度，經(jīng)過(guò)24h極化后對(duì)試片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間10min，測(cè)試結(jié)果如下：

30號(hào) 測(cè)試樁處

試片交流電流密度最大值：123.41A/m2

公式計(jì)算結(jié)果：255.86A/m2

平均值：61.28A/m2

計(jì)算值：95.96A/m2

32號(hào) 測(cè)試樁處

試片交流電流密度最大值：197.02A/m2

公式計(jì)算結(jié)果：363.92A/m2

平均值：104.25A/m2

計(jì)算值：144.93A/m2

36號(hào) 測(cè)試樁處

試片交流電流密度最大值：183.09A/m2

公式計(jì)算結(jié)果：266.93A/m2

平均值：84.59A/m2

計(jì)算值：93.00A/m2

可以發(fā)現(xiàn)試片法測(cè)得的交流電流密度值比公式計(jì)算得到的小得多，這可能與土壤電阻率及測(cè)試時(shí)間段高鐵造成的交流干擾大小不同有關(guān)。根據(jù)上文中的判定指標(biāo)，嘉興段天然氣管道交流干擾程度判定為“強(qiáng)”的測(cè)試樁有1處，判定為“中”的測(cè)試樁有7處，判定為“弱”的測(cè)試樁有4處。

圖2 嘉興段管道的交流電位測(cè)量結(jié)果

圖3 嘉興段管道的交流電流密度測(cè)量結(jié)果

由圖2和圖3可見(jiàn)，受滬杭鐵路干擾的管段，其交流電位曲線和電流密度曲線表現(xiàn)較為平穩(wěn)，交流電位較小，說(shuō)明火車經(jīng)過(guò)各測(cè)試樁時(shí)造成的交流干擾較小且較穩(wěn)定；而受滬杭高鐵干擾的管段，其交流電位曲線和電流密度曲線波動(dòng)起伏劇烈，交流電位較大，數(shù)值是前面的幾倍，說(shuō)明高鐵經(jīng)過(guò)各測(cè)試樁時(shí)造成的交流干擾與管道和高鐵之間的距離關(guān)系很大，距離越近，管道的交流電位越大，受干擾越嚴(yán)重。

對(duì)受交流干擾程度較強(qiáng)的30號(hào)和32號(hào)測(cè)試樁進(jìn)行了48h交流電位測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。可見(jiàn)每天23∶00~3∶00間，除去00∶30有一處峰值，管道的交流電位基本穩(wěn)定在1V左右，交流電位曲線平穩(wěn)無(wú)大波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)間段內(nèi)除00∶30有一趟高鐵經(jīng)過(guò)外，其他時(shí)間無(wú)高鐵經(jīng)過(guò)，交流電位與白天現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)高鐵經(jīng)過(guò)時(shí)的結(jié)果基本一致；而在其他時(shí)間段，交流電位曲線震蕩起伏劇烈，波動(dòng)幅度較大，有許多明顯的尖峰，管道受到的交流干擾有明顯的時(shí)段性和高頻次性，屬于動(dòng)態(tài)交流干擾。

（a） 30號(hào)

（b） 32號(hào)

圖4 排流前30號(hào)和32號(hào)測(cè)試樁處的交流電位測(cè)試結(jié)果

管道受干擾的時(shí)間段與滬杭高鐵經(jīng)過(guò)嘉興段管道的時(shí)間段吻合，說(shuō)明造成兩處測(cè)試樁交流電位劇烈波動(dòng)的干擾源為滬杭高鐵，針對(duì)這種隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)交流干擾，需要利用帶有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳或存儲(chǔ)功能的電位數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)才能清楚了解管道的受干擾情況。

排流設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，并考慮管道受交流干擾程度、土壤電阻率、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境等因素的影響，以高效低成本為原則，采用國(guó)內(nèi)常用的“固態(tài)去耦合器+接地銅纜”的排流方式進(jìn)行排流。

固態(tài)去耦合器具有通交隔直、過(guò)度電壓保護(hù)及去耦合功能，標(biāo)準(zhǔn)配置閾值為-2V/+2V，當(dāng)直流電壓低于閾值時(shí)，隔斷直流電流只放行交流電流；當(dāng)直流電壓高于閾值時(shí)，允許所有電流通過(guò)。管道的陰保電位為-0.85~-1.2V，處于標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍，故采用“固態(tài)去耦合器+接地銅纜”進(jìn)行排流可實(shí)現(xiàn)管道上交流電流的排放并保證管道上的陰保電流不流失。

根據(jù)前期的詳細(xì)測(cè)試結(jié)果，在三個(gè)受交流干擾最嚴(yán)重的測(cè)試樁位置安裝3個(gè)DEI SSD-2/2-3.7-100型固態(tài)去耦合器進(jìn)行排流，接地材料采用截面積35 mm2，長(zhǎng)300m的裸銅線，安裝示意如下圖所示：

圖5 固態(tài)去耦合器安裝示意圖

目前，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)未明確油氣管道交流排流的接地極接地電阻的取值范圍，本工作參照文獻(xiàn)中的取值規(guī)定：土壤電阻率ρ小于100Ω·m，接地電阻小于2Ω。單根水平接地裸銅纜接地電阻的計(jì)算可參照文獻(xiàn)中的公式：

（2）

式中：Rh為水平接地極接地電阻，Ω；L為水平接地極總長(zhǎng)度，m，取300m；h為水平接地極埋設(shè)深度，m，取2m；d為水平接地極直徑或等效直徑，m，取0.0067m；A為水平接地極形狀系數(shù)，對(duì)于線型接地極，為-0.6；ρ為土壤電阻率，取20Ω·m。

經(jīng)式（2）計(jì)算，本工作所采用的水平接地裸銅纜的接地電阻為0.16Ω，滿足設(shè)計(jì)要求。

排流效果評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 50698-2011規(guī)定：在土壤電阻率不大于25Ω·m的區(qū)域，管道交流干擾電壓低于4V；在土壤電阻率大于25Ω·m的地區(qū)域，交流電流密度小于60A/m2。

在嘉興段管道上安裝好三個(gè)固態(tài)去耦合器后，立即對(duì)12根測(cè)試樁的交流電位進(jìn)行測(cè)試，排流前后管道交流電位測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 嘉興段管道排流前后交流電位對(duì)比

可知經(jīng)過(guò)固態(tài)去耦合器和接地銅纜排流后，嘉興段管道上的交流電位最大值和平均值均低于4V，排流效果良好，達(dá)到了國(guó)標(biāo)要求。

對(duì)30號(hào)和32號(hào)測(cè)試樁進(jìn)行了24h交流電位測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。可以看出經(jīng)過(guò)排流，30號(hào)測(cè)試樁的交流電位由排流前的最高值20.21V降為1.97V，32號(hào)測(cè)試樁的交流電位由排流前的最高值31.81V降為2.98V。

（a） 30號(hào)

（b） 32號(hào)

圖7 測(cè)試樁排流后24h交流電位測(cè)試結(jié)果

對(duì)比圖4和圖7可知：經(jīng)過(guò)排流，管道的交流電位大幅度下降，排流效果良好，有效緩解了嘉興段管道附近電氣化鐵路的交流干擾。

結(jié)論與建議

（1）嘉興段天然氣管道的交流干擾檢測(cè)結(jié)果表明：在相同距離下，高鐵對(duì)管道的交流干擾電位明顯大于普通鐵路的干擾，約為普通鐵路的4~6倍。在相同時(shí)間段內(nèi)，高鐵速度快，車次多，對(duì)臨近的油氣管道造成的交流干擾頻次多，影響更大。電氣化鐵路對(duì)管道的交流干擾與二者之間的距離關(guān)系很大，距離越小干擾越強(qiáng)，建議新建管道選址時(shí)盡量避開(kāi)高鐵，若不可避免要盡可能拉開(kāi)間距。

（2）電氣化鐵路對(duì)埋地金屬管道的交流干擾是具有時(shí)段性、高頻次的動(dòng)態(tài)交流干擾，建議測(cè)試人員利用具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳或存儲(chǔ)功能的管道電位測(cè)試設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，以便防腐蝕工程師能準(zhǔn)確地掌握管道的受干擾狀況，進(jìn)行后續(xù)的排流防護(hù)設(shè)計(jì)工作。

（3）固態(tài)去耦合器接地的排流方法可有效緩解電氣化鐵路對(duì)油氣管道的交流干擾，排流效果能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。但固態(tài)去耦合器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)故障。接地銅纜埋設(shè)在氧濃度高且潮濕的土壤中，表面易生成綠色銅銹而使接地電阻增大，進(jìn)而影響排流效果。建議定期對(duì)相關(guān)設(shè)施進(jìn)行測(cè)試維護(hù)，保證管道得到有效防護(hù)。

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