地鐵直流雜散電流干擾檢測及防護(hù)技術(shù)

 

       近年來，中國各大城市為了緩解日趨嚴(yán)重的城市交通壓力， 紛紛加快了地鐵的建設(shè)。地鐵運行時，由走行軌漏泄到道床及其周圍土壤介質(zhì)中的雜散電流，會引起埋地金屬管道發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，導(dǎo)致油、氣泄露，引發(fā)安全事故。因此，對于有效的檢測并控制埋地管道地鐵雜散電流腐蝕具有重要意義。

 

       陰極保護(hù)電位是監(jiān)視和控制陰極保護(hù)效果的重要指標(biāo)，但由于地鐵動態(tài)雜散電流的存在使得管道保護(hù)電位發(fā)生較大的波動， 圖4 顯示了采用雜散電流測試儀測得到位于地鐵附近的一條管線上陰極保護(hù)電位和電流的變化曲線，上部為電流曲線，下部為電位曲線。
 

 

   

圖4　某受地鐵干擾管線上電流和管地電位變化曲線

 

       地鐵動態(tài)雜散電流引起的持續(xù)波動直接導(dǎo)致了難于正確地測量陰極保護(hù)極化電位，給陰極保護(hù)的有效性評價帶來困難。此時采用常規(guī)的瞬間斷電法因無法消除雜散電流干擾而無法滿足測量要求。筆者帶領(lǐng)的研究團隊對地鐵動態(tài)雜散電流干擾下的管道極化電位測試技術(shù)開展了研究，通過大量的室內(nèi)模擬實驗和現(xiàn)場試驗，研發(fā)了抗干擾能力強的陰極保護(hù)極化電位測試探頭。采用該探頭測得的地鐵干擾區(qū)管道通電電位及探頭試片斷電電位如圖5 所示。將所開發(fā)的極化測試探頭和無線傳輸系統(tǒng)結(jié)合，建立了埋地管道地鐵雜散電流實時監(jiān)測系統(tǒng)。

 

       對于遭受地鐵雜散電流腐蝕的燃?xì)夤芫W(wǎng)，如何有效排除雜散電流的干擾是實際生產(chǎn)中亟待解決的問題。筆者所在研究團隊在實驗室模擬試驗和現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)，管道原有的犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)會和地鐵雜散電流產(chǎn)生很強的交互作用。在較大的地鐵雜散電流影響下，犧牲陽極和管道之間電纜中流動的電流方向在發(fā)生著變化，說明犧牲陽極地床會充當(dāng)雜散電流的流入流出點，使管道的電位波動幅度增大，干擾增強。為了減弱干擾程度，需要采用極性排流裝置對傳統(tǒng)的犧牲陽極陰保系統(tǒng)進(jìn)行極性改造。綜合考慮埋地燃?xì)夤艿篮偷罔F間的相互作用，可以采用極性排流或強制排流的方法，此外還可以采用陰極保護(hù)、分段絕緣等技術(shù)來緩解干擾。

 

    交流干擾檢測和防護(hù)技術(shù)

 

       近年來，隨著城市的發(fā)展，高壓電線和管道鋪設(shè)增加，這使得越來越多的管道鋪設(shè)時與高壓輸電線并行。當(dāng)金屬管道與高壓輸電線并行時會受到來自電力系統(tǒng)的交流干擾。交流干擾將會加速管道腐蝕穿孔、干擾管道陰極保護(hù)系統(tǒng)、引起犧牲陽極與管道間發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)、對工作人員產(chǎn)生電擊危害，嚴(yán)重威脅著管道的運行安全。因此，有效的交流干擾檢測與防護(hù)措施對于確保天然氣管道的安全運行有著重要的意義。

 

       筆者帶領(lǐng)研究團隊和北京燃?xì)饧瘓F高壓公司合作，對北京燃?xì)夤芫W(wǎng)交流干擾檢測評價及防護(hù)技術(shù)開展了研究。北京市某次高壓天然氣管線與兩條100kV 和220kV 的高壓輸電線長距離并行， 并行距離達(dá)到7km，管線與高壓輸電線路相對位置如圖６所示， 管道沿線并行高壓線照片如圖７所示。

 
  圖5　采用極化探頭測得的地鐵干擾區(qū)管地通電電位及試片斷電電位

 
  圖6　某次高壓天然氣管道與高壓輸電線相對位置圖

 

   

圖7　高壓輸電線路照片

 

    該次高壓天然氣管道沿線交流干擾現(xiàn)場檢測結(jié)果如表1所示。

 

       由上表可見，在6 處測量地點中，有3 處交流干擾電壓均超過15V（基于安全接觸電壓考慮，NACE 標(biāo)準(zhǔn)RP0177-2000 規(guī)定埋地管道的管地交流電壓不應(yīng)超過15V），最高交流干擾電壓接近30V，如此高的交流干擾風(fēng)險對管道的安全運行埋下了巨大隱患。

 

       檢測到交流干擾后，如何設(shè)計緩解地床來將交流干擾緩解到允許的程度，是目前要解決的關(guān)鍵問題。由于交流干擾問題較為復(fù)雜，要進(jìn)行準(zhǔn)確的排流設(shè)計，需要借助相關(guān)軟件。目前世界上對于交流干擾預(yù)測與排流設(shè)計比較權(quán)威的軟件是加拿大SES 公司研發(fā)的CDEGS 軟件包。該軟件包可以進(jìn)行精確復(fù)雜的接地設(shè)計、電流分布計算、電磁場及電磁干擾計算、土壤結(jié)構(gòu)分析以及雷電/ 雷涌等模塊。筆者研究團隊利用該軟件對上述管道交流干擾緩解方案進(jìn)行了優(yōu)化計算，確定了緩解方案，目前一期、二期緩解方案都已成功實施，獲得了預(yù)期的緩解效果。

 

    燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)及干擾數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)

 

       傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電位檢測方法是由陰保工或巡線員手持萬用表或電壓表在管道沿線測試樁處逐一進(jìn)行測量，這種方法費時費力，尤其對于需要長時間連續(xù)監(jiān)測的位置，并且不便于及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，若將先進(jìn)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)的自動檢測與傳輸，將大大提高維護(hù)管理水平，節(jié)省勞動力。對于遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，自上世紀(jì)80 年代起國內(nèi)外開發(fā)了不同傳輸技術(shù)的陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控和測量的產(chǎn)品，隨著地理信息系統(tǒng)及信息傳遞技術(shù)的發(fā)展，陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)也得到相應(yīng)地發(fā)展。目前采用基于GIS 的實時監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為管理的運行管理平臺，已在如美國、英國、挪威、丹麥等國家的管道普遍使用。可實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、設(shè)備查詢、日常管理確定敏感區(qū)域的管道位置， 以便發(fā)生故障時能及時提供相關(guān)的詳細(xì)資料。

 

       陰極保護(hù)信息的傳輸方式可以簡單分為有線和無線兩大類， 其中有線通信主要包括電力載波通訊、架設(shè)光纜、電纜或者租用電信電話線、DDN、ADSL 等，而無線包括短波通信、微波通信、擴頻通信、衛(wèi)星通信GPS、GSM 短信/GPRS 通信等。在管道行業(yè)， 由于各管網(wǎng)監(jiān)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個別點還地處偏僻，因此架設(shè)光纜和鋪設(shè)電纜的難度較大，不太符合情況。而向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監(jiān)控點線路難以到達(dá)，另外采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，總之采用有線通信方式建設(shè)周期長、工作難度大、運行費用高、不便于大規(guī)模使用。與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設(shè)周期短、運行維護(hù)簡單、性價比高等優(yōu)點。

 

       為了能夠進(jìn)一步提高陰極保護(hù)管理水平，適應(yīng)數(shù)字化管道建設(shè)的要求，筆者所在研究團隊與國內(nèi)相關(guān)單位合作將陰極保護(hù)電位測試探頭與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合開發(fā)了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程數(shù)傳終端、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和主站服務(wù)器三部分。將該系統(tǒng)安裝于埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)上，能夠?qū)崟r顯示陰極保護(hù)通/ 斷電電位數(shù)據(jù)，對保護(hù)不足或欠保護(hù)的位置能夠以紅色報警信息高亮顯示，并能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)分析，顯示結(jié)果如圖8 所示。

   
圖8　陰極保護(hù)及干擾數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)

 

       陰極保護(hù)數(shù)據(jù)無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是集成了陰保檢測技術(shù)、智能儀表技術(shù)、無線通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成陰極保護(hù)及干擾數(shù)據(jù)的自動檢測及預(yù)處理、無線數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)器數(shù)據(jù)管理等功能，該技術(shù)的推廣應(yīng)用對于提高國內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)防腐管理水平具有重要意義。

 

    結(jié)語

 

       隨著埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)規(guī)模的擴大以及服役環(huán)境的日益復(fù)雜， 其面臨的安全問題也日趨嚴(yán)峻，為了保證城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全， 減少腐蝕泄漏事故發(fā)生，先進(jìn)的陰極保護(hù)優(yōu)化設(shè)計、遠(yuǎn)程監(jiān)測及交直流干擾防護(hù)技術(shù)亟待在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，并在應(yīng)用中不斷完善。

 

       陰極保護(hù)的數(shù)值模擬計算技術(shù)不僅可以用于陰極保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、效果評價，還可用于陰極保護(hù)電位分布規(guī)律的研究以及雜散電流防護(hù)方案的制定；陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制技術(shù)可直接用于陰極保護(hù)效果評價和陰極保護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)管理中，這兩項技術(shù)對于提高陰極保護(hù)的設(shè)計和管理水平具有重要的意義， 但作為新興技術(shù)，在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性方面尚待進(jìn)一步的完善，如陰極保護(hù)數(shù)模計算的計算邊界尚待進(jìn)一步研究并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，陰極保護(hù)測試探頭的結(jié)構(gòu)、功能、壽命、測試準(zhǔn)確性尚待進(jìn)一步研究，無線傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性也尚待進(jìn)一步完善。在不斷進(jìn)行技術(shù)完善的同時，要注重與實際生產(chǎn)的結(jié)合， 以實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題作為技術(shù)和產(chǎn)品完善的方向，同時利用實際應(yīng)用來對新技術(shù)和新產(chǎn)品進(jìn)行檢驗。新技術(shù)和新產(chǎn)品的開發(fā)只是一個起點，將這些技術(shù)和產(chǎn)品真正應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，才能發(fā)揮出其應(yīng)有的價值。此外對于交、直流雜散電流的判別、檢測及排除，我國近年來無論在觀念認(rèn)識，還是科學(xué)研究和實際工程中都有了一定的發(fā)展，但圍繞交、直流干擾的一些根本性問題， 如動態(tài)直流雜散電流的判別，交流腐蝕機理以及交、直流干擾的有效排除技術(shù)，由于國際上也尚處于探索階段，我國目前大多參照國外標(biāo)準(zhǔn)、研究結(jié)果或推薦作法，沒有取得突破性的研究進(jìn)展， 故圍繞交、直流干擾腐蝕機理、判斷指標(biāo)以及防護(hù)技術(shù)尚待進(jìn)一步深入研究。