丁继峰 刘晓龙 刘 凯 张福忠 王翔东

（1. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，山东 青岛 266071；2. 青岛海业油码头有限公司，山东 青岛 266599；3. 中国航空油料有限责任公司大连分公司，辽宁 大连 116033）

0 引言

随着我国城镇化进程的不断推进，地铁、轻轨等现代化城市轨道交通因节约土地空间、高效及大运量等优点，逐渐成为城市公共交通的支柱，也是一个城市城镇化水平高低的 “名片”。地铁、轻轨正常运行情况下，在车辆直流供电牵引系统中，运输列车所需要的电流由牵引变电所提供，通过架空电缆线向列车供电，然后经行走轨回流至牵引变电所电流经架空线驱动机车，电流从行走轨返回牵引变电所，电流是按照人们的设计路线所需，在指定的通路中流动。理想情况下行走轨电阻非常低，行走轨对大地的泄漏电阻为无穷大，此时经行走轨回流的电流等于牵引电流，即所有的电流都经行走轨回流至牵引变电所。但实际上行走轨有一定的电阻值，当有电流通过时就形成了电位差，并且行走轨对大地的泄漏电阻也不会为无穷大，就不可避免的造成了部分电流不经行走轨回流至牵引变电所，而是流入大地，然后通过大地回流至牵引变电所。泄露的电流会对线路周围的埋地金属管线产生严重的电化学腐蚀影响，若金属管线的表面有漏铁点，则部分电流就会选择电阻率较低的埋地金属管线作为电流回流路径，从牵引变电所附近的管线中流出流回至牵引变电所，形成了杂散电流，电气化铁路车辆直流供电牵引系统形成的杂散电流如图1所示。

图1 电气化铁路车辆直流供电牵引系统

当杂散电流在土壤中流动时，流入埋地金属管线的地方电位负向偏移，成为阴极区，处于阴极区的管线一般会受到杂散电流的电化学保护，但是当阴极区的电位值过负时，金属管道表面会发生析氢现象，导致此区域防腐层剥落和清脆；杂散电流流出管道的部位电位正向偏移，成为阳极区，管道阳极区域发生剧烈的电化学反应，导致埋地金属管线的电化学腐蚀侵害，造成埋地金属管线的管壁减薄，严重时能够导致埋地金属管线的穿孔，导致泄漏、爆炸、火灾等安全事故[1-5]。

其腐蚀机理如下：在中性、碱性或弱酸性的介质中，由于氧的存在，在阳极区一般发生吸氧腐蚀，即在腐蚀过程中氧气得到电子被还原生成OH-的腐蚀，其电化学反应式如下：

阳极：Fe-2e=Fe2+

阴极：O2+2H2O+4e-＝4OH-

总反应：2Fe+O2+H2O=2Fe（OH）2

反应产物2Fe（OH）2将进一步与氧气和水进行反应，2价铁离子继续被氧化成3价铁离子，最终生成疏松的铁锈（Fe3O4）。

而处于阴极区（即电流流入区）的管道一般不会被影响，但是如果持续大电流流入，造成高电位差，会使管道上产生氢气，造成析氢腐蚀。

通过对地铁杂散电流的研究可以设计以下杂散电流等效电路如图2所示。

图2 地铁杂散电流等效电路图

图中，It为牵引电流，Rr为行走轨电阻，Rt和Rs为牵引变电所及行走轨的泄漏电阻，R为土壤横向电阻。通过等效电路，可以求得杂散电流公式：

通过公式（1）可以看出，杂散电流的大小与牵引电流、行走轨电阻、泄露电阻及土壤横向电阻有关，特别的土壤横向电阻可以通过公式（2）计算得到。

其中ρ为土壤电阻率，l为行走轨段与变电所间的距离，A为土壤的横向面积，当A取无限大时，R近似为0Ω。

公式（1）可变为：

当牵引电流一致时，行走轨电阻越大，杂散电流越大，泄漏电阻越大，杂散电流越小。

因此，针对受杂散电流干扰的管道进行检测与评价，不仅能够提高地铁系统的可靠性，而且能够有效地降低城市埋地管线运输系统的安全风险。

1 杂散电流检测概述

本次对输油管道的通电电位、断电电位、交流杂散电流干扰、直流杂散电流干扰以及土壤电阻率和地表电位梯度进行测量，从而全面评估杂散电流的干扰情况。

针对直流杂散电流，对于没有实施阴极保护的管道，宜采用管地电位相对于自然电位的偏移值进行判断。当任意点上的管地电位相对于自然电位正向或负向偏移超过20mV时，应确认存在直流干扰；当任意点上的管地电位相对于自然电位正向偏移大于或等于100mV时，应及时采取干扰防护措施[6]。

对于已投运阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施。

对于交流杂散电流依据GB/T 50698-2011标准规定，当管道上的交流干扰电压不高于4V时，可不采取交流防护措施；高于4V时，应采用交流电流密度法进行更进一步评估。需要提出的是，使用交流电流密度法进行评估时，需要在管道上连接腐蚀检查片作为辅助评估措施。采用交流电流密度的计算公式[7]：

式中：Jac评估的交流电流密度（A/m2）；V交流干扰电压的有效值的平均值（V）；ρ土壤电阻率（Ω﹒m）；d破损点直径（m），d取0.0113。

当交流干扰程度判定为强时，应采取交流干扰防护措施；判定为中时，宜采取交流干扰防护措施；判定为弱时，可不采取交流干扰防护措施。

2 杂散电流评价

为了全面地反映目前某输油管道受地铁杂散电流干扰情况，我们选取了本次选取靠近地铁的某输油管道的3个测试桩作为检测对象，选取1001#～1003#共计3处测试点，3处测试点均未设置排流设施。

本次评价对3个测试点的通电电位、断电电位、交流电压及土壤电阻率进行测量。测量方式选择24h不间断测量，通电电位、断电电位的测量结果选择最大值与最小值进行记录；交流干扰电压选择最大值进行记录；土壤电阻率采用文纳四极法测量，测量5次取3次中间值再取平均的方法，以提高测量的准确性，其结果如表2和图3所示。

表1 交流干扰的程度判断表

表2 某输油管道杂散电流干扰情况统计表

通过表2和图3可以看出，1001#～1003#测试桩处管道受交流杂散电流影响较小，但是通电电位波动大，断电电位均大于-0.85V，未达到相应标准，管道受到直流杂散电流干扰，必须采取防护措施。

针对现状，对1001#～1003#测试桩处进行直流排流防护，采用极性排流器+镁合金牺牲阳极方式进行排流。

根据排流实施后24h的检测结果发现，1001#～1003#测试桩断电电位在-0.85～-1.20Vcse之间，断电电位正于-0.85Vcse准则百分比均小于5%，达到阴极保护相应标准。其结果如表3和图4所示。

表3 某输油管道杂散电流治理后检测统计表

图4 管道排流后24h不间断测试结果

3 结语

通过对某输油管道沿线管道进行实地考察，系统分析介绍了输油管道现行和维护情况，针对复杂的管道情况制定了可行有效的杂散电流排流实施方案，通过对管线沿途测试桩的保护电位测量可以发现，在阴极保护运行保护期内，管道保护电位符合-850 mV准则，管道处于保护状态。

展望：为了更加及时、精确掌握埋地输油管道的杂散电流干扰情况，在后期运营维护过程中还可对现行管道进行数智化升级改造，积极采用智能采集仪，建立和健全管道杂散电流数据库，为管道的安全稳定运营提供有力的保障[8,9]。