中低速磁懸浮列車對埋地管道的干擾

戴乾生，惠海軍，陳 凱，姜子濤，崔 偉，李永發(fā)

（1.中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司，上海200122；2.西南石油大學(xué)，成都610500；3.中國石油大學(xué)（北京），北京102200；4.安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司，北京100803）

中低速磁懸浮列車具有環(huán)保、安全性高、建設(shè)運(yùn)營成本低等優(yōu)點，特別適用于城市市區(qū)和近距離的城市間，可替代輕軌和地鐵［1-3］。為了滿足黃花機(jī)場客流集輸運(yùn)需求的需要，我國自主設(shè)計完成了長沙中低速磁懸浮工程。由于路由選擇和地形限制，磁懸浮列車和某埋地天然氣管道在01號和02號測試樁分別出現(xiàn)了交叉和并行（如圖1所示）。由圖1可見：地鐵A、B號線距離交叉點分別為17.6 km和7.9 km，因此，在考察磁懸浮對管道影響的同時，地鐵對管道的腐蝕也不容忽視。

中低速磁懸浮列車的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等雖與其他城市軌道交通的一致，但在受流方式、接地方式等方面依然存在差異［1，4］。磁懸浮線路均使用第三軌受流、第四軌回流的接觸軌-集電靴方式［1，5］，如圖2所示，列車與走行軌不直接接觸，因此采用專設(shè)回流軌的形式進(jìn)行回流，回流軌與接觸軌采用同樣的安裝形式，并通過回流電纜將電流引至牽引所負(fù)極軌。

由于采用這種受電方式的列車與大地?zé)o連接，故電氣設(shè)備產(chǎn)生的靜電無處釋放，電荷積累引起的高電壓對電磁兼容性較高的設(shè)備也是不利的［6］。此外，為了安全考慮，磁懸浮的回流軌在某種意義上也需要接地，回流軌和車體通過二極管／電容／電阻回路在電氣上連為一體，回流軌在牽引變電所內(nèi)通過單導(dǎo)裝置接地，并且在列車停站時通過列車接地靴與列車接地軌連接，而列車落在F軌上，F(xiàn)軌是接地的，因此，若漏電保護(hù)裝置不好，磁懸浮產(chǎn)生的電場可能對管道有一定的影響［6-8］。

圖1 管道-磁浮和管道-地鐵位置關(guān)系圖Fig.1 Position diagram of gas pipeline-magnetic levitation（a）and gas pipeline-subway（b）

圖2 磁懸浮供電原理圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic levitation power supply

另外，磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等產(chǎn)生的磁場也可能對管道產(chǎn)生一定的影響。為了保證某燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)營，研究長沙磁懸浮產(chǎn)生的電磁場對埋地鋼制燃?xì)夤艿赖母g影響顯得尤為重要。鑒于此，本工作通過對交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點（距離交叉點約2 km）進(jìn)行現(xiàn)場檢測、遠(yuǎn)傳測試和腐蝕試片分析，研究了磁懸浮對某埋地然氣管道的影響情況。

1 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試主要包括管道干擾通電電位的普測、48 h遠(yuǎn)傳監(jiān)測、扁鐵對地電位的24 h監(jiān)測及在交叉點處磁懸浮經(jīng)過和遠(yuǎn)離時的磁場測量。

1.1 測試方法

為了弄清磁懸浮運(yùn)行時產(chǎn)生的電場對管道腐蝕的影響，利用萬用表測試交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點通電電位的最大值、最小值和平均值，測試時間為10 min；同時在交叉點和遠(yuǎn)離點處進(jìn)行48 h遠(yuǎn)傳監(jiān)測，遠(yuǎn)傳測試數(shù)據(jù)采集間隔為1 s，遠(yuǎn)傳監(jiān)測裝置如圖3所示；采用UDL2測試了交叉點附近的扁鐵對地電位，測試時間為24 h。最后用BST600高斯計測試了磁懸浮運(yùn)行時磁場的大小。

圖3 遠(yuǎn)傳監(jiān)測系統(tǒng)的安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of remote transmission monitoring system

1.2 現(xiàn)場測試結(jié)果

1.2.1 管道干擾通斷電電位測試結(jié)果

磁懸浮與管道在交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點的通電電位最大值、最小值和平均值如圖4所示?？梢钥闯觯徊纥c處的通電電位為－0.594～－2.8 V（相對于銅／硫酸銅參比電極，CSE，下同），并行點處的通電電位為－0.545～－2.791 V；而遠(yuǎn)離點處的通電電位為－0.634～－2.299 V。即這三處的通電電位波動都很大，波動幅值遠(yuǎn)大于100 mV，這說明管道受到直流干擾。但交叉點處的通電電位波動浮值并沒有因磁懸浮的經(jīng)過而明顯大于并行點與遠(yuǎn)離點處的。此外，在現(xiàn)場調(diào)研時也發(fā)現(xiàn)，磁懸浮經(jīng)過交叉點正上方時，交叉點的通電電位也沒有因磁懸浮的經(jīng)過而呈現(xiàn)顯著變化，這意味著直流干擾源并不是磁懸浮，很可能是地鐵B號線。

由于現(xiàn)場的10 min普查測試并不具有普遍性。因此，進(jìn)行48 h遠(yuǎn)傳監(jiān)測，遠(yuǎn)傳監(jiān)測結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯徊纥c和遠(yuǎn)離點處的通電電位波動都非常的劇烈，而且波動趨勢在時間上存在明顯分界，在6∶30～23∶00時間段內(nèi)，波動較大，波動范圍為－2.8～－0.5 V，而在24∶00～6∶30時間段，通電電位比較平穩(wěn)，維持在－1.7 V左右。另外，管道的斷電電位在6∶30～24∶00時間段內(nèi)雖然也有波動，但整體維持在－1.2 V，說明陰極保護(hù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 管道不同位置通電電位的最大值、最小值和平均值Fig.4 Maximum，minimum and average values of on-potentials at different locations of the pipeline

圖5 管道不同位置的通電電位監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of on-potential at different positions of the pipeline

目前的監(jiān)測結(jié)果還不能很好地確定磁懸浮運(yùn)行前和運(yùn)行時對管道的影響；但從磁懸浮和地鐵運(yùn)行的線路可知，交叉點處的管道可能同時受地鐵和磁浮干擾；而遠(yuǎn)離點處的管道僅僅受地鐵干擾［3，9］。因此，根據(jù)磁浮和地鐵的運(yùn)行時間，將48 h的遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，以確定磁浮對管道的影響。磁浮首班發(fā)車時間為7∶00，而地鐵首班車時間為6∶00，將6∶00～7∶00的遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，可以判斷地鐵對管道的影響情況?，F(xiàn)場調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，上午時間，磁懸浮運(yùn)行間隔約為5 min，而下午時運(yùn)行時間間隔為10～15 min。因此將10∶00～12∶00間采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，可以確定磁懸浮對管道的影響。地鐵啟動而磁懸浮未啟動以及地鐵和磁懸浮同時啟動時，交叉點和遠(yuǎn)離點的通電電位如圖6和圖7所示。可以看出，磁懸浮未啟動，而地鐵運(yùn)行時，交叉點和遠(yuǎn)離點處的通電電位變化趨勢基本相同，通電電位基本為－2.4～－1.0 V。這可能是磁浮未啟動時，兩側(cè)同時受地鐵干擾，且干擾趨勢基本相同。由圖7可見：地鐵和磁浮同時運(yùn)行時，交叉點處的通電電位并未因磁浮的啟動而出現(xiàn)劇烈波動，即交叉點和遠(yuǎn)離點處的通電電位依然具有相同的變化趨勢，交叉點處的通電電位沒有因磁懸浮的經(jīng)過而出現(xiàn)明顯的波動峰值，電位值仍然為－2.4～－0.8 V，這可能是磁懸浮對管道沒有產(chǎn)生干擾或者磁懸浮對管道的干擾極其微弱，被地鐵信號掩蓋所致。

1.2.2 磁懸浮雜散電流檢測

管道干擾普查和遠(yuǎn)傳檢測結(jié)果還不能最終確定磁懸浮對管道的干擾情況。然而，磁懸浮軌道與地鐵軌道類似；如果磁懸浮在運(yùn)行時有雜散電流產(chǎn)生，則會沿著磁懸浮的高架橋墩處向大地泄漏雜散電流?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在磁懸浮與然氣管道交叉點前方50 m處的高架橋墩處有一接地扁鐵。因此，測試了為期24 h的扁鐵對地電位，見圖8?？梢钥闯觯忤F對地電位基本為－0.67～－0.69 V，并沒有明顯的正向偏移。同時，現(xiàn)場檢測中也觀察到，即使磁懸浮運(yùn)行至管道正上方，電位也沒有明顯的偏移現(xiàn)象。這表明磁懸浮高架橋墩沒有電流泄漏，因此磁懸浮線路不會對管道產(chǎn)生雜散電流。

1.2.3 磁場檢測結(jié)果

磁懸浮列車運(yùn)行和啟動時，分別在交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點處，利用高斯計進(jìn)行磁場測量，結(jié)果見圖9?？梢钥闯觯航徊纥c、并行點和遠(yuǎn)離點處磁場大小都在一個數(shù)量級上；與并行點相比較，交叉點的磁場偏大，約為0.16 mT，而并行點和遠(yuǎn)離點的磁場相差不大，約為0.08 mT和0.06 m T。

圖6 地鐵啟動而磁懸浮未啟動時管道不同位置的通電電位Fig.6 On-potentials at different locations of the pipeline when the subway was started but the maglev was not started

圖7 地鐵和磁懸浮同時啟動時管道不同位置的通電電位Fig.7 On-potentials at different locations of the pipeline when both the subway and the magnetic levitation were activated

圖8 扁鐵對地電位Fig.8 The potentials of slab iron to earth

圖9 管道不同位置的磁場情況Fig.9 Magnetic field at different locations of the pipeline

2 腐蝕模擬試驗

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點處的電場干擾較小，而交叉點處的磁場偏大。為了考察磁懸浮列車產(chǎn)生的磁場對管道的影響情況，在交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點處進(jìn)行現(xiàn)場埋片，并對埋設(shè)8個月的試片進(jìn)行腐蝕形貌觀察和腐蝕速率測試。同時，為了進(jìn)一步證明現(xiàn)場的試驗結(jié)果，在實驗室再次進(jìn)行模擬弱磁場下鋼制管道的腐蝕行為試驗。

2.1 試驗方法

2.1.1 腐蝕試片的設(shè)計

現(xiàn)場試片與埋地燃?xì)夤艿啦馁|(zhì)相同，埋設(shè)位置位于交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點處?，F(xiàn)場埋設(shè)試片的尺寸如圖10所示，且表面打磨后無麻點、裂紋等缺陷。

圖10 試片的尺寸Fig.10 The size of sample

試片打磨至合格后，用乙醇浸泡，采用超聲波清洗脫脂約20 min，用自來水沖洗除去不溶污物，吹（擦）干后再放入無水乙醇中浸泡脫水約5 min，取出吹干，最后用干凈白紙包好，放入干燥器內(nèi)干燥24 h。為了使試樣連接良好，用導(dǎo)電膠將6.5 mm2的銅導(dǎo)線與試樣連接，并將試樣放在φ40 mm×0.5 m的PVC管中，導(dǎo)線另一端標(biāo)記試樣編號、埋設(shè)點等信息。試樣用石蠟密封，密封后再次測量導(dǎo)電性。

實驗室模擬試驗用試片尺寸為φ11.3 mm×4 mm和25 mm×25 mm×4 mm。試驗前處理方法與現(xiàn)場試片的相同。

2.1.2 腐蝕檢查片的腐蝕處理

現(xiàn)場試片取出后，先進(jìn)行宏觀形貌觀察，然后在實驗室進(jìn)行物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗即在水中超聲震蕩10 min后，用毛刷刮掉表面的沉土和泥沙，以觀察表面腐蝕產(chǎn)物顏色?；瘜W(xué)清洗是將試樣放入酸洗液（500 mL鹽酸，3.5 g六次甲基四胺，加蒸餾水配制成1 000 mL）進(jìn)行酸洗，觀察金屬基體的減薄現(xiàn)象。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 現(xiàn)場埋片

由圖11和12可見：經(jīng)物理清理后，試片表面仍有大量泥土和腐蝕產(chǎn)物沉積，部分試片表面也分布著一層黃褐色的銹層；經(jīng)過化學(xué)酸洗后，試片表面的銹層被除去，金屬基體顯露，但埋設(shè)的試片都具有小面積的金屬基體減薄現(xiàn)象，腐蝕形貌相差較小。由圖13可見：交叉點處埋設(shè)的試片的腐蝕速率并沒有因磁場的偏高而明顯增大，試片在埋設(shè)位置的腐蝕速率為0.005～0.008 mm／a?？梢?，磁懸浮的微弱磁場對管道的腐蝕影響較小。

2.2.2 實驗室模擬試驗結(jié)果

為了更好地確定磁懸浮產(chǎn)生的微弱磁場對埋地管道的腐蝕影響，在實驗室進(jìn)行了微弱磁場下的土壤腐蝕模擬試驗。微弱磁場的磁場強(qiáng)度為0.15 mT，試片分為微弱磁場下的自然腐蝕片和微弱磁場下的陰保腐蝕試片。

試片在微弱磁場下浸沒7 d后的腐蝕形貌如圖14所示。可以看出，浸沒7 d后，試片表面有較少的腐蝕點，這可能是由于土壤腐蝕所引起的。這和文獻(xiàn)［10］中的結(jié)果是一致的，即微弱磁場對腐蝕的影響表較小。

圖11 在不同位置埋設(shè)8個月后的試片經(jīng)物理清洗后的表面形貌Fig.11 Surface morphology of the test pieces after being buried for 8 months in different positions after physical cleaning

圖12 在不同位置埋設(shè)8個月后的試片經(jīng)化學(xué)清洗后的表面形貌Fig.12 Surface morphology of the test pieces after being buried in different positions for 8 months after chemical cleaning

圖13 試片在不同位置埋設(shè)8個月后的腐蝕速率Fig.13 Corrosion rates of the test pieces after being buried in different positions for 8 months

圖14 試片在微弱磁場條件下腐蝕7 d后的表面形貌（無陰保）Fig.14 Surface morphology of the test piece after 7 d corrosion in a weak magnetic field without cathodic protection

根據(jù)圖5，管道的斷電電位在－1 V以下，符合陰保標(biāo)準(zhǔn)。因此，給試片施加－1 V陰保電位，在微弱磁場下進(jìn)行實驗室模擬試驗，試驗后的宏觀形貌如下圖15所示?？梢钥闯觯谟嘘幈５臈l件下，在微弱磁場環(huán)境中腐蝕7 d后，試樣表面完全沒有腐蝕出現(xiàn)，這進(jìn)一步證明微弱磁場對埋地管道的腐蝕影響較小。

圖15 試片在微弱磁場條件下腐蝕7 d后的表面形貌（有陰保）Fig.15 Surface morphology of the test piece after 7 d corrosion in a weak magnetic field with cathodic protection

3 結(jié)論

（1）管道與磁懸浮軌道交叉點、遠(yuǎn)離點、并行點處的通電電位相差較小，均約為－1.6 V；磁懸浮高架橋墩處，扁鐵對地電位基本保持為－0.68 V，隨著磁懸浮的經(jīng)過，扁鐵對地電位并沒有明顯的正向偏移，即磁懸浮對埋地管道的電干擾較小。

（2）試片在交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點處埋設(shè)8個月，均有少量的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，清除腐蝕產(chǎn)物后，試片均有少量的金屬基體減薄現(xiàn)象。試片在交叉點、并行點和遠(yuǎn)離點三處的腐蝕速率分別為0.008，0.00，0.006 mm／a，腐蝕速率相差較小。

（3）實驗室模擬試驗結(jié)果表明，微弱磁場下，有陰保試片表面完全沒有腐蝕出現(xiàn)。即磁懸浮產(chǎn)生的磁場對管道的腐蝕影響較小。