電氣化鐵路雜散電流對燃氣管道的交流干擾腐蝕與防護措施

1、探討埋地金屬管道交流雜散電流的防治技術陳 亮 中國石油天然氣管道局管道投產(chǎn)運行公司【摘要】 ： 本文重點闡述了電氣化鐵路交流雜散電流對埋地燃氣管道腐蝕的基本原理，分析雜散電流的特點，并根據(jù)這些特點提出對埋地燃氣管道采取的防護措施?！娟P鍵詞】：電氣化鐵路、交流雜散電流、干擾腐蝕、管道防護一、前言鐵路是國家的重要基礎設施，大眾化的交通工具和綜合運輸體系的骨干，肩負著為全面建設小康社會提供運力支持，當好國民經(jīng)濟發(fā)展先行的重任。隨著中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃的出臺，各地紛紛興起高鐵投資熱潮。至2020年，中國將建成“四縱四橫”高鐵網(wǎng)，貫穿環(huán)渤海地區(qū)、長三角、珠三角三大城市群，這意味著，我國已正式步入高鐵時

2、代！管道運輸是當今油氣工業(yè)重要的運輸手段，其輸量大、運費少的優(yōu)點非常突出，為滿足各地不斷增長的能源需求，中國的許多省份也在加快速度建設天然氣管道項目，天然氣行業(yè)的發(fā)展同時帶來了機遇，省級天然氣管網(wǎng)的里程也與日俱增。 在管道與鐵路的設計建設過程中，不可避免出現(xiàn)并行、交叉、穿跨越敷設的情況，埋地天然氣金屬管道將會受到電氣化鐵路的交流干擾，若處理不當，將會形成較大危害。因此，探索電氣化鐵路對埋地天然氣金屬管道的干擾規(guī)律并采取相應的預防措施，降低電氣化鐵路對埋地金屬管道的干擾影響，對于保證天然氣管道的安全、平穩(wěn)運行具有十分重要的意義。以山西省太原為例，目前在建的“大西鐵路客運專線”以及建成的“石太鐵路

3、客運專線”存在多處穿跨越或近距離平行于山西省高壓天然氣管道。本文結(jié)合對“大西鐵路客運專線”與山西省高壓天然氣管道近距離平行或交叉穿跨越路段所進行的工程安全咨詢評估的相關研究內(nèi)容以及在實際建設過程中所采取的解決方案，淺析電氣化鐵路對鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾與防護技術。二、 電氣化鐵路牽引供電方式我國電氣化鐵路采用的牽引供電方式有：有自耦變壓供電（簡稱AT供電）、直接供電（簡稱 TR供電）、吸流變壓器 供電（簡稱BT供電）和帶回流線的直接供電 （簡稱DN供電） 等供電方式。牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌及回流線組成的供電網(wǎng)絡。目前，在建的“大西鐵路客運專線”； “原平西安段”即為正線采用 AT 供電

4、方式，聯(lián)絡線及既有線改線部分采用帶回流線的直接供電方式。最簡單的牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道和大地、回流線構成的供電網(wǎng)的總稱。如：（圖 1 所示） ，牽引電流從牽引變電所主變壓器流出，經(jīng)由饋電線送到接觸網(wǎng)后，由受電弓引入機車，而后經(jīng)機車接地電刷、輪軸，沿軌道和大地、回流線流回牽引變電所。由區(qū)域變電所來曲區(qū)域變電所來接觸網(wǎng)鋼軌圖1電氣化鐵路牽引供電示意圖三、電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾3.1 交流干擾的產(chǎn)生按照電磁場理論分析，強電線路(含電氣化鐵路牽引系 統(tǒng))對金屬管道的交流干擾主要是通過阻性耦合、容性耦合、感性耦合3種方式來進行。(1)阻性耦合的產(chǎn)生阻性耦合主要是由于故障電流和雜散

5、電流流過干擾源的 接地體，造成大地電位上升，當管道通過這個區(qū)域時，管道 本身相當于遠方零電位，這樣就在管道上產(chǎn)生一個電壓差， 以離接地體最近為最高。上產(chǎn)生一個電壓差，以離接地體最 近為最高。在正常供電方式時，干擾源雜散電流一般很小， 但對“二 線一地”或“一線一地”的供電方式，具接地極是工作電流 的通道，當管道靠近接地電極時，由于金屬管道本身良好的 導電性能，管道上將有雜散電流存在。在故障情況下，由于故障電流引起的大地電位上升是很 危險的。由于故障電流大，幾百安培或幾千安培通過接地體 入地，在其周圍形成一個強大電場，它可能產(chǎn)生電弧燒穿金 屬管道，擊毀管道防腐絕緣層和陰極保護設備，當強大的電 場

6、作用在管道覆蓋層的缺陷處時更會導致電弧的形成，當電 弧達到足夠的量和較長時間的流通時便會造成鋼管融化。如 果鋼管離接地體的距離太小，可能會直接引起相當于高電流 的電弧擊穿，而鋼管上的覆蓋層限制了電弧的轉(zhuǎn)移，這樣， 電弧作用集中在微小的一塊面積上，增加了融化的危險。（ 2）容性耦合的產(chǎn)生容性耦合是由于交流電場的影響在導體中產(chǎn)生的電位而 形成的。容性耦合主要發(fā)生在管道施工期間，因為管道本身 帶有防腐絕緣層，使得輸電系統(tǒng)的相線和管道、管道和大地 之間存在電容，如果輸電線路和金屬管道平行，管道就有可 能存在容性耦合電壓。（ 3）感性耦合的產(chǎn)生感性耦合是當管道和強電線路近距離平行接近或斜接近 時，當電流

7、在一條相導線中流動時，在導線周圍即可產(chǎn)生交 變磁場，該磁場作用在管道上產(chǎn)生干擾電壓。在三相輸電系 統(tǒng)中，若三相電流相等，且三相架空導線與管道軸線距離相 等，則在管道上產(chǎn)生的綜合感應電壓為零。但在大多數(shù)結(jié)構 中，三相導線與管道是不對稱的，管道中會形成一定的感應 電壓。感應電壓的大小和平行于強電線路的管道長度、輸電 線路不平衡電流的大小、輸電線路的頻率、導線和線路的距離、管道覆蓋層的電阻、管道周圍的土壤電阻率、管道的縱線電阻、干擾源的系統(tǒng)性質(zhì)等有關。根據(jù)上述分析，當管道埋入地下后，電氣化鐵路對鋼質(zhì)燃氣管道的容性耦合干擾可以忽略不計，只存在著一定程度的阻性耦合干擾和感性耦合干擾。3.2 交流干擾的危

8、害交流電力線路對埋地鋼制燃氣管道的電磁影響主要涉及對人身安全的影響、對管道及其陰極保護設備安全的影響以及對管道的交流腐蝕等問題。3.2.1 對人身安全的影響當管道與交流輸電線路接近且輸電線路正常運行時，線路中工作電流會通過磁耦合長時間在管道上產(chǎn)生縱向感應電動勢，使得金屬管道的對地電壓升高。若該電壓較高，可能影響施工、維修或測量人員的正常工作，當交流輸電線路發(fā)生短路故障時，產(chǎn)生的交流干擾可能危及人身安全。3.2.2 對管道安全影響在管道的金屬表面一般都會敷設防腐層，具有較高電阻和較高介電常數(shù)，以防止土壤中有害物質(zhì)腐蝕金屬管道。當交流輸電線路發(fā)生短路故障時，短路電流通過感性耦合和阻性耦合的綜合影響

9、在管道上產(chǎn)生較高的對地電壓，可能擊穿防腐層。3.2.3 對管道陰極保護設備影響在管道上設珞陰極保護設備是為避免防腐層漏敷及破損處的金屬表面產(chǎn)生腐蝕。交流輸電線路正常運行情況下，工作電流通過感性耦合在油氣管道上產(chǎn)生電壓，可能干擾強制電流陰極保護的恒電位儀和犧牲陽極陰極保護的犧牲陽極的正常工作。例如：強制電流陰極保護的KKG-3 型和KKG-3BG型恒電位儀的抗交流干擾能力分別為12V和30V;犧牲陽極陰極保護的鎂犧牲陽極的抗交流干擾能力為10V。這在目前的新建管道已經(jīng)幾乎不適用。3.2.4 管道的交流腐蝕研究表明，管道的交流腐蝕主要發(fā)生在絕緣性能較高的涂層上。鋪設在同一環(huán)境下的管道，當管道外防腐

10、層選用石油瀝青等級別的防腐層時，即便有交流干擾電壓的產(chǎn)生，一者是由于其絕緣性能較低，所以干擾電壓不會太高，另一方面則由于管道防腐層上所存在的較多的漏點而會使感應的交流電壓隨時排入地下，因此， 管道反而不會產(chǎn)生交流腐蝕。近幾年國外的腐蝕調(diào)查報告中與研究文獻中，每年都有大量有關交流腐蝕導致管線腐蝕的報道與案例。在國內(nèi)的管道中，也同樣存在交流腐蝕及電磁耦合對管道監(jiān)測設施與陰極保護設施帶來危害的案例。但是關于交流腐蝕的機理，目前尚未有統(tǒng)一的解釋。國外研究表明，交流電流密度是決定交流腐蝕的一個主要因素而不是平常的交流電壓。雖然交流電流腐蝕可以通過提高陰極保護的保護電位得到抑制，在交流干擾下，陰極保護電位

11、應控制在什么水平目前仍存在爭議。之前， 一般認為根據(jù)行業(yè)標準施加陰極保護，能有效控制交流腐蝕。然而最近國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)，雖然陰極保護電位有效在標準規(guī)定范圍內(nèi)，但由于交流干擾的存在，管道仍發(fā)生了腐蝕。研究還表明，但當交流電流密度較大時，增加陰極保護的保護電位可能導致PH 值增加，減小涂層缺陷處的接觸電阻，可能導致相反的作用即加速腐蝕，其發(fā) 生腐蝕的風險越高，與一般的理論相反。4、 西氣東輸交流干擾腐蝕實例西氣東輸管道寧陜西段管道在寧-GX-18寧-GX-65約52km勺管段上受到來自包蘭電氣化鐵路的交流干擾，ECDA：接評價過程中，開挖檢測驗證點NS-39位于該區(qū)域?qū)?GX-59測試樁上游約104.6

12、m處，防腐層缺陷發(fā)生在彎頭的FB除層上，時鐘位珞為12點，磕傷形狀為長形3.0cm,黃褐色銹跡 從FB除層下滲由，清除松動涂層后管體有黑色腐蝕產(chǎn)物， 并呈現(xiàn)橢圓形腐蝕坑，蝕坑面積為1.2 X0.6cm2,蝕坑深度0.9mm開挖檢測時測得的交流干擾電位為23V,管道保護電位為-1.11-1.16V o 該地段的土壤電阻率為 18.85 Q m5、 埋地鋼質(zhì)燃氣管道交流干擾判斷指標能最直接反映出電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道交流干擾腐蝕的是交流雜散電流的大小，但由于實際條件限制，電 氣化鐵路交流雜散電流無法直接測出。因此，管道受干擾腐 蝕程度的主要判據(jù)為管地電位差、土壤電位梯度，該方法稱 為電氣判別

13、法。其中管地電位是最重要的參數(shù)，因為它既可 以反映管道的腐蝕特性，又可以反映雜散電流的干擾特性。在沒有增加電流源的情況下，管地電位的提高是雜散電流進入點的跡象，管地電位的下降通常為雜散電流放電點的指示。通過電壓測量發(fā)現(xiàn)管地電位不穩(wěn)定、管地電位嚴重偏 離正常值或土壤電位梯度反常等問題時，說明有雜散電流存 在，并通過土壤電位梯度能夠分析由雜散電流流入、流由點 及電流大小。對電氣化鐵路而言，管地電位隨機車負荷變化，機車運 行時管地電位交變激烈，但深夜時波動可能明顯減弱。陰極 保護系統(tǒng)等的干擾比較穩(wěn)定，所以，引起管地電位的變化亦 很穩(wěn)定，在機車停運時，干擾則消失。因此，埋地管道受到 干擾與否，通常用管

14、地電位的變化來進行判定。我國標準中 規(guī)定：對于交流干擾，當管道任意點上管地電位持續(xù)1V以上時，確定為存在交流干擾；當中性土壤中的管道任意點上 管地交流電位持續(xù)高于 8V、堿性土壤中高于10V或酸性土壤 中高于6V時，管道應采取交流排流保護或相應的其它保護 措施。具體干擾程度判定指標見表1。表1埋地管道交流干擾判定指標級別 土壤類別嚴重程度弱中強堿性土壤（V ）< 1010-20>20中性土壤（V ）<8815>15酸性土壤（V ）< 66-10> 10另外，土壤中若存在大量雜散電流，必然會引起大地電位 梯度的變化。因此，可根據(jù)地電位梯度來判定土壤中是否存 在

15、雜散電流及其嚴重程度，并據(jù)此推斷管道受干擾的可能 性。地電位梯度與雜散電流干擾強度的關系見表2 o表2地電位梯度與雜散電流干擾強度的關系地電位梯度，mV/m雜散電流干擾程度< 05弱0.5-5中等>5強六、交流干擾的防護措施6.1 相關規(guī)范及標準目前，國內(nèi)已制定管道交流干擾保護的相關規(guī)范及標準，在電氣化鐵路和埋地鋼質(zhì)管道建設過程中主要采用的技術標準如下：埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術標準 SY/T0032-2000、交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫) 的影響容許值及防護措施TB/T2832-1997、油氣管道管理與維護規(guī)程(Q/SY GD0008- 2001)、鋼質(zhì)管道穿越鐵路和

16、 公路推薦做法SY/T 0325-2001 、原油、天然氣長輸管道 與鐵路相互關系的若干規(guī)定(石油部(87)油建第505號文、鐵道部鐵基(1987) 780號文)、城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)(GB50028-2006 )、輸氣管道工程設計規(guī)范(GB50251-2003)及石油庫設計規(guī)范(GB50074-2002)。6.2 防護措施總體來說，對交流干擾的防護，鐵路方面可采取盡量減 少電流流失的相關措施；管道方面可采取屏蔽、分段隔離、 直接接地、鉗位式排流等綜合治理措施。目前，對交流干擾 的防護已向干擾方、被干擾方及其他有關方面按“四統(tǒng)一分”（統(tǒng)一測試、統(tǒng)一設計、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一評價、分別實施）原則聯(lián)合防護的方

17、向發(fā)展。6.2.1 盡量避開被干擾對象在新建電氣化鐵路線路方案設計過程中，應以滿足鐵路功能定位為前提，合理選擇走向，優(yōu)化線路方案，盡量避開地埋金屬管道，尤其是諸如西氣東輸這樣的長大干線管道。一般認為，交流電氣化鐵路雜散電流干擾的判據(jù)如下：（ 1）管道與交流電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的距離大于1000m 時，接近長度不受限制，認為不受干擾；（ 2）管道與交流電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的距離小于1000m 時，如果兩者接近長度小于1000ml或接觸網(wǎng)上的電流不超過400A,發(fā)生短路事故時不超過 10000A,則認為不受干擾。如果接近長度在1000m 到 3000m 之間，在滿足上述條件的同時，當管道距牽引變電所的

18、圍墻大于50m,距接觸網(wǎng)支柱大于 10m 時，也可認為管道不受干擾。6.2.2 防護措施隨著電氣化鐵路和燃氣管道建設里程的增加，以及受到地理環(huán)境的制約，不可避免會發(fā)生電氣化鐵路與管道平行接近或交叉，那么必須要有針對雜散電流對管道干擾的防護措施。（ 1）對交流電氣化鐵路采取的措施電氣化鐵路可采用帶回流線的直接供電或自耦變壓器供電方式。帶回流線的直接供電方式使原來流經(jīng)軌道、大地的回流，一部分改由架空回流線流回牽引變電所，其方向與接觸網(wǎng)中電流方向相反，從而牽引網(wǎng)阻抗和軌道電位都有所降低。該方式的吸流效果比直接供電方式約增加10%-20%。自耦變壓器供電方式（也稱AT 供電方式），其吸流效果約為90%

19、-95%，即地中電流約占接觸網(wǎng)電流比例的5%-10%。此外，加強鐵軌與枕木間的絕緣, 以減少入地電流，也可以降低電氣化鐵路對埋地管道的阻性耦合干擾。（ 2）對管道采取的措施對于管道交流雜散電流干擾問題可采用的措施：1）在有干擾的管段，加強防腐涂層質(zhì)量，降低交流電氣化鐵路對管道的容性耦合干擾；2）加大管道與鐵路接地體的距離，并采取措施防止雷電或故障電流對管道的有害影響，降低阻性耦合干擾；3）對管道本身采取接地排流，降低感性耦合煩擾。接地排流是將管道上感應的交流電排放到大地中去，消除交流電壓對人身及設備的危害。一般接地體材料使用廢鋼即可，無特殊要求。但其接地電阻應盡可能小，不宜大于0.5 歐，可以

20、通過增加接地體的并聯(lián)根數(shù)，或采用鹽等減阻劑進行處理，接地體埋設在距防護管道30m 以外的管道一側(cè)。接地排流一般分為直接接地排流、排流節(jié)排流和犧牲陽極排流。直接接地排流是將受干擾管道通過接地線直接與接地體相連，其優(yōu)點是設備比較簡單，缺點是陰極保護電流將在接地點入地， 大大縮短保護距離，降低保護效果。如果將排流接地體直接 與管道連接，由于接地電阻很小，保護電流流失，相當大面 積的防腐層破壞，陰極保護電流量增加，以致破壞陰極保護 正常運行，所以需要增加排流節(jié)。排流節(jié)排流又分為電容排 流、二極管排流和鉗位式排流，通常采用鉗位式排流。根據(jù)實際工程運行經(jīng)驗及檢測結(jié)果，當電氣化鐵路單純 跨越埋地管道時，一般

21、雜散電流很小，在埋地管道與交流接 地體的安全距離符合表3的要求時，一般不需要增加排流防 護措施，但需在管道穿越處增加一處綜合測試樁，以檢測鐵 路投運后管道電位的變化。若測得電壓值超過規(guī)范埋地鋼 質(zhì)管道交流排流保護技術標 SY/T 0032-2000 »管道交流干擾 判斷指標，或超過陰極保護設備交流干擾能力則必須采取排 流保護的措施。因此，對于交流干擾下的管道，正常的陰極 保護非常重要，陰極保護設備應具有一定的交流抗干擾力。表3埋地管道與交流接地體的安全距離接地形式電力等級(kV )1035110220安全距離(m)臨時接地0.5L03.05.0鐵塔或電桿接地1.0305.05.050

22、HZfe氣當電氣化鐵路與埋地管道近距離平行時，必須增加排流防 護措施。其中，德國標準給由了涂敷良好的管道與化鐵路平行時的限制長度，它是平行間距和干擾電流的函 數(shù)。如表4所示。表4涂敷良好的管道與50HZfe氣化鐵路平行日t的限制長度（km）間距（m 有蚊干擾電流（kA11098765432州Ofo.w0750JS51加I.2SLft2-44.250n.g稹。L0jj31.612第47.710011L2.51鬲2.1253.45.620nlLfii.oza2,74,47,7知1243.J4 J.54400333.947jno4不S.27.7>60()不限管道本身交流干擾防護措施，主要有接地排流，但直 接排流會對原有的陰極