地铁交流干扰对地埋输油管道腐蚀影响及其防护措施

摘 要：阐述了地铁交流干扰对地埋钢质输油管道腐蚀的影响及危害，提出了地埋钢质输油管道交流干扰的判断指标及其防护措施。

关键词：地铁 埋地输油管道 交流干扰 防护措施

一、前言

城市的不断发展，带来了城市人口急剧膨胀，地面公路交通承受着前所未有的压力。1998年12月28日，深圳正式建设地铁1号线一期工程；2005年，沈阳、成都、南京等三座城市地铁建设相继开工。2010年，全国运行的地铁线路数量增至48条，2015年预计增长为96条。我国的地铁建设，已经驶入了快车道，深圳、武汉、南京、沈阳、长沙、成都、重庆、西安地铁纷纷上马，中国城市已经进入了“地铁时代”。

与此同时，交通的快速发展，能源需求也在不断增长，输油管道的里程也在往前延伸。在输油管道与地铁的设计和建设过程中，不可避免的出现平行或交叉穿跨越等情况，埋地油气管道因此会受到地铁的交流干扰。若处理不当，将会造成较大危害。因此，探讨地铁对埋地输油管道的干扰成因并采取相应的预防措施，降低外来干扰对埋地金属管道的腐蚀影响，保证输油管道的安全、平稳运行，意义十分重大。

二、杂散电流产生的原因

目前，我国地铁的供电系统，基本上是直流牵引供电方式，地铁列车由牵引变电所提供需要牵引的电流，先通过架空电力线或接触铁轨向地铁列车输送直流电，再通过走行铁轨，与牵引变电所形成回路。铁轨架设在枕木上，理论上对地为绝缘安装，但由于施工工艺及绝缘材料性能等多方面的原因，铁轨做不到对地面的100%绝缘。再铁路运行多年以后，铁轨的绝缘能力会随着绝缘材料的老化失效而渐 渐降低，造成部分电流不从走行铁轨回流，而是流入大地，再返回牵引变电所，从而形成杂散电流。

杂散电流从走形铁轨漏出，经地铁的道床流入大地，然后流回铁轨回流点。若地铁附近有导电性能好的埋地金属管线（如金属自来水管、金属煤气管道、电力电缆等），一部分杂散电流就选择电阻率较低的埋地金属管线作为流通路径，在变电所附近从金属管线中流出，流回到变电所。对于走形轨而言，杂散电流是在远离变电所的地段流出；对于埋地金属管线而言，杂散电流是从变电所附近的部位流出。由于土壤、大气或其它介质的作用，金属结构上有电流流出的部位发生电化学反应，金属单质因电化学腐蚀而变成金属离子。电化学反应腐蚀了地铁铁轨、地铁钢筋混凝土结构中的钢筋、地铁线路附近的埋地金属管线，缩短了埋地金属管线的使用寿命，降低了承载结构的耐久性和耐用强度，甚至导致灾难性的事故。地铁的铁轨埋设在地表面，巡检过程中易于发现，维护方便，导致事故的危害性较小；但埋地金属输油管线埋设在地下，受地铁钢结构对检测信号的屏蔽作用，检测不容易真实检测到金属输油管线的腐蚀状况，危害极大。据相关资料文献记载，北京、天津地铁附近，自来水管存在杂散电流导致的侵蚀穿孔现象；香港液化气管道也曾因杂散电流腐蚀，引起液化气泄漏。近年的科学研究表明，频率为60HZ交流电的腐蚀强度，约为直流电的1～2%左右。10V交流电压引起的输油管线腐蚀，相当于0.5V直流电压引起的腐蚀量。虽然同等条件下，交流腐蚀比直流腐蚀轻，但考虑到外界强电场作用，电流强度成为了决定交流腐蚀的一个重要物理量，它和地下输油管道材质、表面状况和形状有关，和介电系数成正比。随金属输油管道外防腐涂层漏点数量及表面积增大而减小。由于土壤密实度存在差异，是不均匀介质，各处土壤的氧气浓度不一致，管道绝缘层的泄露状况不相同。在输油管道腐蚀过程中，金属表面会变的十分粗糙，使得电场变的非常极不均匀，造成了强电场处的集中腐蚀。上世纪七十年代，铁岭一秦皇岛输油管道发现交流干扰腐蚀，是供电引起的持续干扰腐蚀，在7年的时间最大腐蚀深度达5mm，腐蚀速率超过0.7mm/年。

在欧美一些发达国家，杂散电流对输油管道的腐蚀同样严重，如英国曾发生过杂散电流腐蚀而发生的输油管道锈蚀穿孔泄漏事故。1992年，Priz通过对德国境内的一条金属管道多年研究证实，在阴极保护系统达到直流防腐蚀要求的状态下，交流干扰引起的试片孔蚀速率达210mm/a

三、交流干扰对地埋输油管道的危害

1.交流干扰的腐蚀原电池原理

杂散电流对管道的腐蚀就是电化学腐蚀的过程，土壤相当于电解液，管道破损B点相当于阳极，A点为阴极，大地中杂散电流流动，高电位为正极，低电位为负极，金属管道电阻低，防腐层一旦破损，电流会从A流入，B流出，电流流入处不会腐蚀，流出点会形成电化学腐蚀（阳极腐蚀）。

2.交流干扰的危害

含地铁牵引系统在内的强电线路，对埋地钢质输油管道的交流干扰危害主要为：

2.1交流电压长期交替存在，产生交流杂散腐蚀影响，一般认为交流电的存在会引起金属表面的电极去极化作用，加剧管道腐蚀速度。

2.2交流干扰电压超高，还可引起输油管道外防腐层的剥离，加速输油管道外防腐层的老化。

2.3交流干扰会影响输油管道阴极保护系统的正常运行，使牺牲阳极发生极性逆转，牺牲阳极的电流效率被迫降低，输油管道得不到有效的防腐保护。

2.4故障状态下，瞬间高感应电压可能击穿输油管道绝缘层，击穿进、出站绝缘法兰，甚至击穿恒电位仪和站内低压仪表，威胁输油站操作人员的人身安全。

3.地埋钢质输油管道交流干扰判断指标

衡量地铁交流干扰对埋地钢质输油管道腐蚀影响程度的指标，是交流杂散电流的大小。但受实际条件限制，地铁的交流杂散电流无法用电工仪表直接测量。根据传统理论，输油管道受干扰腐蚀程度的主要判据为管地电位差、地电位梯度。其中管地电位是阴极保护最重要的参数，它既可以反映输油管道的阴极保护效果，又可以初步判定杂散电流的干扰特性。

在输油管道阴极保护电流源没有增加的情况下，管地电位的大幅度升高是杂散电流进入的直观迹象，管地电位的大幅度下降通常为杂散电流放电点的直观迹象。通过高阻抗万用表的电压档，测量发现管地电位不稳定、管地电位严重偏离正常值或地电位梯度反常等问题时，说明输油管道有杂散电流存在，通过地电位梯度的数据统计和分析，能判断出杂散电流流入、流出点及电流大小。

其他直观的方式为管地电位随机地铁机车负荷变化。当机车运行时，管地电位交变激烈；深夜时，管地电位波动可能明显减弱，阴极保护系统的干扰比较稳定；在地铁机车停运时，干扰则消失。可以很明显的看出，埋地管道是否受到干扰，管地电位的变化来是最直观的判定手段。我国现行的标准规定：对于交流干扰，当输油管道任意点上管地电位持续1V以上时，确定交流干扰存在；在中性土壤中的输油管道任意点上，管地交流电位值持续高于8V；碱性土壤中，管地交流电位值高于10V或酸性土壤中管地交流电位值高于6V时，管道应采取交流排流保护等措施。具体干扰程度判定指标见表1。

若输油管道附近的土壤中存在大量杂散电流，就会引起地电位梯度发生变化。因此，测试出地电位梯度来，就可以用来判定土壤中是否存在杂散电流及杂散电流的数值的大小，并据此推断输油管道受干扰的可能。地电位梯度与杂散电流干扰强度的关系见表2。

表1 埋地管道交流干扰判定指标 表2 地电位梯度与杂散电流干扰

强度的关系

四、交流干扰的防护措施

1.相关标准及规范

目前，国内已制定了输油管道交流干扰保护的相关标准及规范，埋地输油管道中主要采用的技术标准如下：《原油、天然气长输管道与铁路相互关系的若干规定》（石油部（87）油建第505号文、铁道部铁基（1987）780号文）、钢质管道穿越铁路和公路推荐做法》SY/T 0325-2001、《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》SY/T0032-2000、《交流电气化铁道对油（气）管道（含油库）的影响容许值及防护措施》TB/T2832-1997、《输油管道工程设计规范》（GB50253-2003）。

2.防护措施

目前杂散电流防护方法可分为3类，分别为：一是控制产生杂散电流的源头，减少杂散电流的数量，即“堵源头”；二是对存在的杂散电流实时监测，防止杂散电流值超高对输油管道产生危害，即“监测”法；三是对已产生危害的杂散干扰电流，采取电流排流或其它方法减少其危害，即“排流法”。

当管道埋入地下后，地铁对埋地钢制输油管道的干扰则主要为通过阻性耦合和感性耦合来进行，其中，对于与铁路近距平行的埋地钢制输油管道，感性耦合是其最主要的干扰方式。对阻性耦合和感性耦合的防护，目前在实际工程中主要是通过加大管道与接地体的距离，减少干扰源的杂散电流，以及采取屏蔽、分段隔离、直接接地、钳位式排流等综合治理措施。

根据输油管道实际运行经验及检测结果，当地铁单纯跨越埋地钢质输油管道时，杂散电流数值一般很小，在埋地输油管道与交流接地体的安全间距符合表3的要求时，一般不需要专门增设排流防护措施，只需在穿越交叉处增加1个电位测试桩，以检测管道电位的变化。若电压测试值超过《埋地钢质管道交流排流保护技术标准SY/T 0032-2000》输油管道交流干扰判断指标，或超过恒电位仪设备的抗交流干扰能力时，则应当立即采取增设排流保护措施。因此，对于交流干扰下的输油管道，正常的阴极保护是非常重要的，而且恒电位仪等阴极保护设备应具备一定的交流抗干扰能力。

表3 埋地管道与交流接地体的安全距离

当地铁线路与埋地输油管道近距离平行时，必须增加杂散电流排流防护措施。其中，德国标准给出了输油管道防腐层涂敷良好的输油管道与工频地铁（50HZ）平行时的限制长度。如表4所示。

3.目前杂散电流防护主要的做法

3.1 从源头上控制杂散电流产生

3.1.1降低回流回路的阻值。铁轨本身有一定的电阻阻值，当电流流过铁轨时，因为铁轨存在电阻上，就会在铁轨上产生电位差降，但铁轨对地绝缘电阻不可能特别大，故产生电位差和杂散电流。所以降低杂散电流的数值，可以减小铁轨压降。根据前面的论述，降低铁轨压降的方法有：增加走形轨的长度，减小铁轨的电阻；各铁轨之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径；缩短变电所之间的距离，采用双边供电；增加杂散电流流通路径的电阻。

3.1.2 增加埋地输油管线的阻值

敷设在地铁沿线的输油管道，应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层；地铁运行的各种电缆和敷设在地铁隧洞中的电缆、水管等金属结构，应以加强级绝缘方式敷设；所有通向隧洞外的输油管线，必须装有绝缘接头或绝缘法兰。

3.1.3杂散电流排流保护措施

所谓排流法，就是将金属输油管道中的杂散电流，人为地通过导线使之直接回流到铁轨或变电所。排流又分直接排流、极性排流、强制排流3种。其中在地铁系统中应用最为广泛有效的方法是极性排流法。

3.1.4其他杂散电流防护方法

阴极保护是指向金属输油管道提供电流，有强制电流法、牺牲阳极法、阳极极化法，其原理为使被保护的输油管道电位提高到钝态电位，阻止杂散电流腐蚀。国外的技术专家研发了一种装置，控制地铁铁轨电压恒定，切断杂散电流的产生源头，将杂散电流减至最小。通过此设备，把铁轨对地电压叠加到铁轨上，使得铁轨各处电压相同，从而消除铁轨电位差。国外的另一种做法是利用向埋地电极施加支流电流，达到吸收杂散电流，减轻杂散电流腐蚀危害的目的。

3.2.5杂散电流的实时监测

为及时了解地铁牵引回的电流泄漏量和地下金属输油管道受杂散电流腐蚀的程度，必须定期进行专项测量。地铁附近的金属输油管道受杂散电流腐蚀的危险性指标，应由地铁的金属结构表面向周围电解质漏泄的电流密度和由电流泄漏引起的电位极化偏移来确定。同样，由于电流密度难以直接测量到相关数值，一般是通过测量金属输油管道的腐蚀危险性等间接指标，也就是由杂散电流引起的金属输油管道的电位极化偏移值来判断设备受杂散电流腐蚀的情况。所需监测的参数有轨道电压、地下金属输油管道的极化电位、钢轨过渡电阻和轨道纵向电阻等数值。

输油管道杂散电流测量点也应设置在地铁沿线的车站站台的两侧，进出站信号附近、每一个回流点处及需要进行测试的走形轨分断点处、地铁桥梁两段、地铁的尽头线和线路与车辆段的连接坡道处，并定期对监测点进行检查维护。可通过传感器将各测量点所采集的参比电极对结构钢筋及轨道对结构钢筋的电压的模拟量及时转化为数字量，再由安装在牵引变电所控制室内的监测装置传送到计算机系统，以供操作人员随时查询。

3.5深圳地铁杂散电流防护措施

深圳地铁为做好地下金属输油管道及其他金属构件的杂散电流防护工作，其主要防护原则是“以堵为主，以排为辅，防排结合，加强监测”。

3.5.1深圳地铁堵的措施有铁轨下加绝缘垫、使用绝缘扣件、枕轨下加绝缘垫、道岔处加强绝缘等。

3.5.2杂散电流监测系统是由参考电极、整体道床测量端子、车站隧道测量端子、信号电缆、信号测量端子箱、信号盒及微机综合测试装置构成。

3.5.3排流的措施是将每个道床结构段内部的纵向钢筋搭接处以焊接方式焊接，形成可靠电气连接，形成主要的杂散电流收集网；同时将隧道结构钢筋实现可靠焊接，形成辅助杂散电流收集网；车辆段引入线与正线间、停车库内铁轨与库外铁轨间设单向导通设备。

表4防腐层涂敷良好的输油管道与50HZ地铁平型时的限制长度（km）

五、结束语

随着国内经济的发展，今后我国必将建设更多的输油管道、铁路、高压输电线路等基础设施，新建或已建油气管道受地铁交流十扰的可能性也将更大。本文通过地铁交流干扰对输油管道腐蚀因素的产生原因进行了分析，并提出了相应的防护措施，可为今后相关输油管道的排流防护提供一定的参考。

参考文献

[1]胡士信.阴极保护工程手册[M].北京：化学工业出版社，1999：213：221～222

[2]尹国耀，魏振宏.杂散电流腐蚀与防护，焊管，2008；31（4）

作者简介：王普进，男，出生于1981年7月26日，2004年7月毕业于中国石油大学油气储运专业，本科，学士学位，中国石化销售有限公司华中分公司，2009年9月被评为工程师，从事输油站及管道安全环保管理工作。