城鎮(zhèn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)雜散排流及改進研究

張萬杰

（深圳市燃氣集團股份有限公司 深圳 518049）

隨著我國城市建設的快速發(fā)展，埋地敷設的城鎮(zhèn)燃氣管道運行環(huán)境越來越復雜。尤其是城市軌道交通的縱橫交錯，帶來了雜散電流干擾的問題。這種雜散電流干擾促進了電化學腐蝕的傳質過程，加劇了周圍埋地金屬管道的電化學腐蝕速率，極大地縮短了金屬管線的服役壽命，造成了管道維修更換成本的提高。同時，雜散電流腐蝕規(guī)律多變，腐蝕速率難以預測，降低管道的承壓能力甚至可能釀成災難性的事故。從已經公開發(fā)表的文獻來看，有的城市已運行多年的地鐵周圍雜散電流造成的埋地管道腐蝕狀況非常嚴重。一般來講，受雜散電流干擾影響的管道金屬的腐蝕速率與電流密度緊密正相關，據(jù)報道某壁厚8～9 mm的鋼管在受地鐵雜散電流影響僅僅3個朋就發(fā)生了腐蝕穿孔，地鐵的雜散電流干擾問題已成為城鎮(zhèn)埋地鋼制管道安全服役的主要影響因素之一[1]。

本文針對某城鎮(zhèn)燃氣管道的陰極保護系統(tǒng)受到直流雜散電流干擾的情況，通過現(xiàn)場對管道陰極保護系統(tǒng)進行直流干擾檢測，理論與數(shù)值模擬相結合分析保護電位分布規(guī)律，并開展雜散排流和效果評估，從而提升改善城鎮(zhèn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)性能。

1 檢測與評價

1.1 管道概況

某規(guī)格為φ508×7.9 mm的次高壓燃氣管道于2008年4朋投產，鋼管材質為L360MB，設計壓力不大于1.6 MPa，運行壓力不大于1.5 MPa，管線采用3PE外防腐層，并配備犧牲陽極陰保系統(tǒng)。選取某收費站閥室—鹽排閥室之間的管段（見圖1）：該段管線長度5.5 km，沿某高速公路邊敷設，與地鐵某線幾乎處于平行位置，并與某鐵路交叉，管道與地鐵間最近距離約為1.3 km，周圍多山地，運行環(huán)境復雜。

圖1 某收費站閥室—鹽排閥室管線路由圖

1.2 雜散電流干擾現(xiàn)場檢測

在埋地鋼制管道受軌道交通雜散電流干擾的測試技術方面，目前國內研究還處于起步階段?，F(xiàn)階段較常用的測試儀器設備也主要來自國外技術的引進消化和吸收轉化，相關研究開發(fā)工作正在進行。目前，常用的埋地管道雜散電流測試技術主要包括管地電位正向偏移法、管地電位梯度檢測法、管地電位連續(xù)監(jiān)測、雜散電流干擾探針測試法、SCM智能雜散電流測繪法，以及檢查片腐蝕監(jiān)測等方法[2]。國內基于儀器設備的限制，以及使用條件的考量，目前相對較多地應用管地電位正向偏移法進行雜散電流干擾的現(xiàn)場檢測。

為了準確調查管線的雜散電流干擾情況，對管線測試樁處的陰極保護電位進行測試，數(shù)據(jù)見表1。

表1 陰保測試樁電位數(shù)據(jù)

如圖2所示，管線通電電位的變化劇烈，特別是在A-YZ-125測試樁處最為劇烈，最大值和最小值的絕對值均超過了10 V。管線通電電位的劇烈變化表明存在嚴重的直流雜散電流干擾問題。

圖2 通電電位變化曲線

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)共計6處測試樁的斷電電位無法達到陰極保護要求（不高于-850 mV），見圖3，這6處測試樁位置的管道處于欠保護狀態(tài)，占比達30%。

圖3 測試樁陰極保護效果

1.3 雜散電流排流方法

針對埋地管道受到的雜散電流干擾，目前的主要治理措施是進行排流，主要包括直接排流法、極性排流法、強制排流法和接地排流法4種[3]。

1）直接排流法：當管地電位高于軌地電位時，可以采取直接排流的方法。這種排流方法不需要采用專有設備，排流效果好，簡單易行，成本低廉。但這種方法的適用性受到現(xiàn)場工況的限制，當管道的對地電位低于地鐵軌道的對地電位時，地鐵軌道中的電流將流人管道內，從而產生逆流，加重雜散電流干擾對管道的腐蝕影響，也使得該方法的使用受到了限制。

2）極性排流法：為了防止管地電位低于軌地電位（可能由負荷的變動，變電所負荷分配的變化等引起）而產生逆流，可在排流線路中設置排流器裝置，包括單向導通的二極管整流器、逆電壓繼電器等。這些裝置使雜散電流只能由管道流入地鐵軌道，從而防止逆流，且排流器安裝方便，可廣泛應用。上述排流方法稱之為極性排流法。

3）強制排流法：通過強制排流器將管道和地鐵軌道連通，在管道和地鐵軌道的電氣接線中主動加入直流電流，當雜散電流流入管道時，通過強制排流器主動促進排流，整流環(huán)使雜散電流排放到地鐵軌道上；當管道內無雜散電流時，強制排流器可為管道提供陰極保護。強制排流法適用于管地電位正負極性交變，電位差較小，且環(huán)境腐蝕性較強的情況。雖然強制排流法適用范圍廣，還可為油氣管道提供陰極保護，但該方法需要專用的排流設備，成本較高，且這種方法需要外加電源，會對地鐵軌道上的電位分布產生影響。

4）接地排流法：該方法與強制排流法的原理相同，不同之處在于管道上的排流電纜未直接連接到地鐵軌道上，而是與一個埋地輔助陽極相連，將管道上的雜散電流排出至輔助陽極上，再經過土壤回到地鐵軌道上。接地排流法需要埋設輔助陽極，還要定期更換，操作相對復雜，成本較高，且排流效果與其他方法相比并無顯著優(yōu)勢。

本工作通過比選不同排流方法的優(yōu)缺點，分析試驗段現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)及管道運行環(huán)境，結合各種排流方法的適用條件，推薦選擇極性排流和強制排流相結合的方式。此外，對傳統(tǒng)強制排流方法進行了改進，傳統(tǒng)強制排流器的整流環(huán)一般將管道上的雜散電流排放到地鐵軌道上，為了不對地鐵和乘客安全造成影響，通過連接深井陽極地床，既可以把管道上的雜散電流排走，又可以減少排流過程對地鐵系統(tǒng)的影響。

地鐵系統(tǒng)產生的雜散電流和埋地鋼制管道的陰極保護系統(tǒng)都屬于電場相關的問題，可以通過數(shù)值模擬技術研究分析地鐵、管道、土壤、犧牲陽極等排流節(jié)點上的電位和電流密度分布，根據(jù)云圖的展示分析，進行排流方案優(yōu)化。本工作綜合管線情況、土壤環(huán)境、犧牲陽極埋設位置及相關參數(shù)，對管線進行數(shù)學建模。一般來說，對于已經達到穩(wěn)態(tài)（即不隨時間而變化）的陰極保護系統(tǒng)，電位的分布情況可以用拉普拉斯（Laplace）方程來描述[4]?；谀M分析了極性排流和強制排流相結合的排流效果，優(yōu)化了深井陽極地床的數(shù)量及安裝位置，避免了直接盲目施工造成工程浪費，其中電位模擬云圖如圖4所示。

圖4 建設強排站后（結合極性排流）模擬結果電位云圖

通過上述模擬，極性排流和強制排流相結合的方案有利于管線陰極保護系統(tǒng)提升和改善，提前預判排流效果，優(yōu)化各項參數(shù)，細化指導排流措施，避免盲目施工，節(jié)約了項目成本。

1.4 排流效果評估

根據(jù)模擬優(yōu)化方案，現(xiàn)場安裝了極性排流器及強制電流陰保站，運行穩(wěn)定后對陰保數(shù)據(jù)進行了測試。通過將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，數(shù)值模擬計算出的極化電位與現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)基本相符。這表明數(shù)值模擬計算優(yōu)化方案的方法是可行的，管道排流后的陰極保護系統(tǒng)性能得到了提升和改善，陰極保護電位滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規(guī)范》的要求[5]，如圖5所示。

圖5 測試電位與模擬電位的比對

2 結論

1）城市內軌道交通（地鐵）的泄漏電流可能導致周圍某段埋地管道的陰極保護不達標，使城鎮(zhèn)埋地鋼制管道受到動態(tài)直流雜散電流干擾的影響，加速管道腐蝕，降低管道承載能力，為管道安全運行埋下重大隱患。

2）基于數(shù)值模擬技術可以提前模擬評估排流效果，能對排流方案中的各種參數(shù)進行優(yōu)化，避免盲目實施排流造成項目成本的浪費。

3）極性排流和強制排流方法相結合，可以相互補充，有效改善管道的陰極保護系統(tǒng)。強制電流的深井陽極應盡量靠近地鐵牽引所附近，通過陽極地床把多余的雜散電流排走，再通過牽引所回歸鐵軌。