柯甜甜 方江敏 钱瑶虹 彭泽标

(华南理工大学机械与汽车工程学院,510640,广州∥第一作者,硕士研究生)

地铁杂散电流对埋地金属管道阴极保护的影响

柯甜甜 方江敏 钱瑶虹 彭泽标

(华南理工大学机械与汽车工程学院,510640,广州∥第一作者,硕士研究生)

运用有限元分析软件ANSYS建立了走行轨-大地-金属管道的有限元模型。通过改变走行轨回流、走行轨纵向电阻、土壤电阻率、走行轨与金属管道间距大小,模拟杂散电流的影响,模拟结果表明:走行轨回流越小、土壤电阻率越大、走行轨与管道间距越小对阴极保护电位的影响越小;当走行轨电压载荷为80 V、走行轨与金属管道间距为20 m时,杂散电流无法使金属管道阴极保护电位偏离正常范围。

地铁; 金属管道; 杂散电流; 走行轨; 有限元分析; 阴极保护电位

1 地铁杂散电流的形成及危害

我国大多城市轨道交通采用电力牵引方式,其供电系统也大多采用直流供电,比如北京地铁采用的是750 V直流供电电压,上海地铁、广州地铁、深圳地铁等均采用的是1 500 V直流供电电压。直流牵引供电系统在理想的状况下,牵引电流由牵引变电站的正极出发,经由接触网、电动列车和走行轨返回牵引变电站的负极。但钢轨与隧道或道床等结构钢之间的绝缘电阻不是很大,这样势必造成牵引电流不能全部经由钢轨流回牵引变电站的负极,有一部分的牵引电流会泄漏到隧道或道床等结构钢上,然后经过结构钢和大地流回牵引变电站的负极,这部分泄漏的电流就是地铁杂散电流[1]。地铁杂散电流对钢质管道的影响见图1,其中I1和I2为变电站发出的牵引电流,I3和I4为通过走行轨回流到各自的牵引变电站的电流,I5和I6即为通过走行轨泄漏到土壤中的杂散电流。

图1地铁供电系统及杂散电流危害示意图

杂散电流会造成地下金属结构的电腐蚀。如果这种电腐蚀长期存在,将会严重损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线,破坏结构钢的强度,影响其使用寿命[2]。当轨道沿线地下有金属管道或建筑物钢筋等导电物时,地中杂散电流必沿金属导体流动,到了变电站附近再流向钢轨回变电站,因此在变电站附近的金属管道形成了阳极区(对大地为正)。对“正”接触导线情况,阳极区总是在回流点处不动,这就使阳极区内的金属物正离子流向大地,发生电解腐蚀现象[3-4]。

2 地铁杂散电流有限元模拟

通过对地铁杂散电流形成及流动的研究,利用有限元法研究地铁杂散电流对埋地金属管道阴极保护电位的影响[5]。为了反映地铁走行轨杂散电流对埋地钢质燃气管道影响的真实情况,在有限元仿真分析中定义了5种材料:走行轨、走行轨绝缘层、土壤、管道、外覆盖层。根据相关标准及实际情况,结合ANSYS电场模块需要定义的材料属性,选取并定义5种材料属性。本文选用SOLID231分析单元[7-8]。有限元模型材料属性见表1。

表1 有限元模型材料属性表

基于地铁走行轨和埋地管道的的实际情况[9],选取牵引变电站间距为1 500 m的模型,埋地管道沿走行轨水平敷设,水平间距为5 m。城市埋地管道阴极保护方式大部分为牺牲阳极法阴极保护[10]。为了简化模型,假设走行轨为实心圆柱体,模拟大地土壤环境的区域为1 500 m×40 m×20 m的立方体区域。其具体参数见表2。建模过程:将模型全局坐标系的X轴设为管道径向方向,Z轴为管道轴向方向,坐标系的原点为管道末端中心点[11]。建立的走行轨与管道的有限元模型如图2所示。

本文仿真分析中,只考虑第一类边界条件。在管道左右两端面分别施加-1.2 V电压,走行轨左右两端面分别施加-40 V、40 V的电压,考虑到实际管地电流回路情况及自由度约束,大地立方体下表面模拟大地无限远处,施加电压为0 V的约束[12-13]。

3 模拟结果分析

图3为无地铁杂散电流影响管道阴极保护电位分布云图,图4为地铁杂散电流影响管道阴极保护电位分布云图,图5为地铁杂散电流影响前后管道阴极保护电位分布对比图。从图3和图4的对比可知:地铁周边土壤电位受走行轨的影响非常大,远离走行轨土壤电位受走行轨影响较小,整个模型中土壤电位梯度较大,土壤中存在杂散电流。由图5可知:管道阴极保护电位在无走行轨影响时电位分布在-1 200 mV～-920 mV之间,处于良好的阴极保护状态;有走行轨影响时,在走行轨电位处于正电位区间时,管地电位可达+918 mV,相对于原阴极保护电位偏移了+1 933 mV,走行轨电位处于负电位区间时,管地电位可达-2 765 mV,相对于原阴极保护电位偏移了-1 750 mV。

表2 有限元模型参数表

图2 有限元分析模型局部放大图

因此在地铁周边敷设管道时,需要考虑地铁杂散电流对管道阴极保护电位的影响[14],设置合理的走行轨与管道间距。通过改变牵引电流的大小、走行轨电位分布、地铁周边土壤电阻率的大小等因素,继续运用有限元法模拟不同条件下金属管道阴极保护电位的分布,避免地铁杂散电流对管道的阴极保护产生干扰[15]。

图3 管道阴极保护电位分布结果云图

图4 走行轨影响管道阴极保护电位分布结果云图

图5 走行轨影响管道阴极保护电位分布对比

4 不同因素下杂散电流对阴极保护电位的影响

4.1 走行轨回流大小对管道阴极保护电位分布的影响

在模型及材料属性不变的基础上,改变列车牵引电流大小研究牵引电流大小对管道阴极保护电位分布的影响[16],具体情况见表3。提取管壁上的节点电位值绘制沿管道长度阴极保护电位分布图,如图6所示。

表3 不同工况下走行轨载荷表

从图6可知:牵引电流越大,对管道阴极保护电位的影响也越大;在走行轨为正电位区间处,管道阴极保护电位偏正,在走行轨为负电位区间处,管道阴极保护电位偏负。由此可见走行轨电位为正电位区间处为杂散电流流出段,走行轨电位为负电位区间处为杂散电流流入段。

图6 走行轨回流大小对阴极保护电位分布影响图

4.2 土壤电阻率对管道阴极保护电位分布的影响

在模型及其他材料属性不变的基础上,在走行轨左右两端面分别施加-10 V、10 V的电压,以及500 A的电流。改变土壤电阻率的大小研究土壤电阻率对杂散电流分布的影响。提取管壁上的节点电位值绘制沿管道长度阴极保护电位分布图如图7所示。

图7 土壤电阻率对杂散电流分布的影响

由图7可知:在走行轨回流为500 A的载荷下,土壤电阻率越大,杂散电流在土壤中传导能力减弱,对管道阴极保护电位的影响也减弱;当土壤电阻率为150 Ω·m时,管道处于良好的阴极保护状态;杂散电流流出的地方区域增大,流入的区域减小,因此在土壤电阻率大的区域,需要加强牵引变电站区域的杂散电流防护。

4.3 走行轨与管道间距对阴极保护电位分布的影响

在模型及其他材料属性不变的基础上,改变走行轨与管道之间的间距,在走行轨两端面分别施加-80 V、80 V的电压,以及2 000 A的电流,研究走行轨与管道之间的间距对管道阴极保护电位分布的影响。提取管壁上的节点电位值绘制沿管道长度阴极保护电位分布图,如图8所示。

图8 走行轨与管道间距对阴极保护电位分布的影响

由图8可知:当走行轨与管道之间间距增大时,走行轨杂散电流对管道阴极保护电位分布的影响减弱,在走行轨电压为80 V、走行轨与管道间距为20 m时,走行轨杂散电流对管道的阴极保护电位分布影响非常小,管道的阴极保护电位都在正常范围值内。对于在地铁周边新建埋地钢质燃气管道,应选取合理的走行轨与管道间距。

5 结论

利用ANSYS有限元法模拟走行轨杂散电流对埋地钢质燃气管道阴极保护电位分布的影响,结果表明:

(1) 当走行轨与管道间距为5 m、走行轨电压为40 V、电流为2 000 A时,在走行轨电位处于正电位区间,管道阴极保护电位可达+935 mV,管道处于严重的腐蚀状态。在走行轨电位处于负电位区间,管道阴极保护电位可达-2 760 mV,电位过于偏负,会对外防腐层产生剥离效应。

(2) 列车牵引电流越小、土壤电阻率越大、走行轨与管道间距越小,对管道阴极保护电位分布的影响越小;当走行轨电压为80 V、走行轨与管道间距为20 m时,走行轨杂散电流已经不能使管道阴极保护电位偏离正常范围。因此,对于在地铁周边新建钢质燃气管道,应根据当地土壤电阻率的大小选取合理的地铁与管道间距,以保证管道阴极保护电位不受地铁杂散电流的影响。

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Effect of Metro Stray Current on Cathode Protection for Buried Metal Pipelines

KE Tiantian, FANG Jiangmin, QIAN Yaohong, PENG Zebiao

Software ANSYS is used to establish a finite element model of the running track-earth-steel pipeline. By changing the running rails reflux, running track longitudinal resistance,bsoil resistivity and the spacing sizes between running track and metal pipe tracks, the factors of stray current are simulated. It shows that the lower the running track current, the higher the soil resistivity, the smaller the space between running track and steel pipeline, the smaller the impact on cathode protection potential. When 80V voltage load is imposed to the running track, the distance between running track and steel pipeline is about 20 m, the stray current will not influence the cathode protection potential obviously.

metro; steel pipeline; stray current; running track; finite element analysis; cathode protection potential

School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,510640,Guangzhou,China

U 223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.03.020

2016-07-13)