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，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

2、時代！ 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

3、路客運專線”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。牽引網是由饋電線、接觸網、鋼軌及回流線組成的供電網絡。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 供電方式，

4、聯絡線及既有線改線部分采用帶回流線的直接供電方式。 最簡單的牽引網是由饋電線、接觸網、軌道和大地、回流線構成的供電網的總稱。如：（圖1所示），牽引電流從牽引變電所主變壓器流出，經由饋電線送到接觸網后，由受電弓引入機車，而后經機車接地電刷、輪軸，沿軌道和大地、回流線流回牽引變電所。 三、 電氣化鐵路對埋地鋼質燃氣管道的交流干擾3.1 交流干擾的產生 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）阻性耦合的產生 阻性耦合主要是由于故障電流和雜散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

5、身相當于遠方零電位，這樣就在管道上產生一個電壓差，以離接地體最近為最高。上產生一個電壓差，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，其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

6、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）容性耦合的產生 容性耦合是由于交流電場的影響在導體中產生的電位而形成的。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，當電流在一條相導線中流動時，在導線周圍即可產生交變磁場，該磁場作用在管道上產生干擾電壓。在三相輸電系統(tǒng)中，若三相電

7、流相等，且三相架空導線與管道軸線距離相等，則在管道上產生的綜合感應電壓為零。但在大多數結構中，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)性質等有關。 根據上述分析，當管道埋入地下后，電氣化鐵路對鋼質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

8、腐蝕等問題。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，產生的交流干擾可能危及人身安全。 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，以防止土壤中有害物質腐蝕金屬管道。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在管道上產生較高的對地電壓，可能擊穿防腐層。 對管道陰極保護設備影響在管道上設置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生腐蝕

9、。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幾乎不適用。 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

10、會使感應的交流電壓隨時排入地下，因此，管道反而不會產生交流腐蝕。近幾年國外的腐蝕調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，陰極保護電位應控制在什么水平目前仍存在爭議。之前，一般認為根據行業(yè)標準施加陰極保護，能有效控制交流腐蝕。然而最近國內外發(fā)現，雖然陰極保護電位有效在標準規(guī)定范圍內，但由

11、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。四、 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的管段上受到來自包蘭電氣化鐵路的交流干擾，ECDA直接評價過程中，開挖檢測驗證點NS-39位于該區(qū)域寧-GX-59測試樁上游約104.6m處，防腐層缺陷發(fā)生在彎頭的FBE涂層上，時鐘位置為12點，磕傷形狀為長形3.0cm，黃褐色銹跡從FBE涂層下滲出，清除松動涂層后管體有黑色腐蝕產物，并呈現橢圓

12、形腐蝕坑，蝕坑面積為1.2×0.6cm2，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。 該地段的土壤電阻率為18.85·m 五、 埋地鋼質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為管地電位差、土壤電位梯度，該方法稱為電氣判別法。其中管地電位是最重要的參數，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

13、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出雜散電流流入、流出點及電流大小。 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、

14、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 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，可根據地電位梯度來判定土壤中是否存在雜散電流及其嚴重程度，并據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。表2 地電位梯度與雜散電流干擾強度的關系 六、交流干擾的防護措施6.1 相關規(guī)范及標準 目前，國內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管道建設過程中主要采用的技術標準如下：埋地鋼質管道交流排流保護技術標準SY/T0032-200

15、0、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 GD00082001）、鋼質管道穿越鐵路和公路推薦做法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

16、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）原則聯合防護的方向發(fā)展。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1000m，或接觸網上的電流不超過400

17、A，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圍墻大于50m，距接觸網支柱大于10m 時，也可認為管道不受干擾。 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，其方向與接觸網中電流方向相反，從而牽引網阻抗和軌道電

18、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%-95%，即地中電流約占接觸網電流比例的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

19、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，可以通過增加接地體的并聯根數，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。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

20、極管排流和鉗位式排流，通常采用鉗位式排流。根據實際工程運行經驗及檢測結果，當電氣化鐵路單純跨越埋地管道時，一般雜散電流很小，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 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，德國標準給出了涂敷良好的管道與50HZ電氣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。如表4所示。表4 涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時的限制長度（km） 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保護產生影響，因此，需要在管道和