成品油管道直流杂散电流干扰及治理分析

王昌楠

(中国石化销售股份有限公司，北京 100035)

随着城市化进程的不断推进，城市运输网络规模日渐增大，经常会出现高铁、地铁、城铁等电气化铁路与城市内埋地输油管道并行、交叉的情况。如防护措施不当，可能导致电气化铁路中的电流随着大地流入到埋地管道中，对埋地管道自身的阴极保护系统造成影响，使原本处于阴极保护下的管道产生杂散电流干扰，存在腐蚀风险。埋地输油管道一般输送的介质都存在有毒有害、易燃易爆的特性，由于腐蚀造成穿孔泄漏时，往往不易第一时间发现，一旦发现时由于泄漏量的积累，极易产生爆炸，造成人员伤亡、环境污染、巨大经济损失等。在特定环境下，管道存在杂散电流腐蚀且腐蚀电流较大时，往往可能会在短时间内腐蚀穿孔。据统计，中国东北地区超过2×103km的埋地油气管道中80%的腐蚀穿孔是由于杂散电流引起的。一旦杂散电流产生后，管道在数年甚至数月内就会腐蚀穿孔，对管道的危害极大，因此研究电气系统对管道的杂散电流腐蚀以及排流方法有重大的意义。

1 杂散电流干扰原理

按照干扰源种类，杂散电流干扰对于管道的影响大致可分为直流杂散电流和交流杂散电流干扰。直流杂散电流干扰包括： 直流制电力牵引运输系统(如电气化铁路和电车等)、直流输送线路、其他结构或设备自身安装使用的阴极保护系统等；交流杂散电流干扰包括： 电网中高压电力线路设施和交流电气化铁路相关设备等。由于交流杂散电流干扰比直流杂散电流的干扰能力弱，按照国际标准，当交流杂散电流大于100 A/m2时才会出现可预测的腐蚀，在某成品油管道周边并未检测到该量级的交流杂散电流产生，因此实际中某成品油管道的杂散电流干扰，更多是由于地铁等直流制电力牵引运输系统引起的。但是对于交流电流产生的杂散电流干扰，还是需要引起管道检测人员的关注，例如： 定期观测管道中交流杂散电流的电压是否超过4 V的标准。

目前，中国地铁等的供电系统主要采用了直流供电的方式， 首先通过架空电力线路或者运行中接触的轨道向地铁列车输送直流电，之后通过线路中的走行轨道将电流传输回牵引变电所，牵引变电是该类运输设备的电流来源。由于工艺标准、材料绝缘性、老化等情况，最终钢制轨道并不可能做到对地面的完全绝缘，所以造成了部分电流从钢轨泄漏到大地，再通过大地流回牵引变电所，流入大地的这部分直流电流对于埋地管道的影响被称之为直流杂散电流干扰。相对于大地中的土壤电阻，管道的电阻更低，所以电流会优先选择在土壤中的管道作为回流路径，从管道防腐层破损靠近牵引变电站的阳极位置流入，并从管道中靠近远端钢轨阴极区域流回，在土壤与管道间形成一个闭合的回路。其中在埋地管道电流流出的位置将根据电流强度产生不同程度的腐蚀，甚至可能导致管道在较短时间内就腐蚀穿孔，为管道的安全运行带来很大的风险。直流杂散电流干扰示意如图1所示。

图1 直流杂散电流干扰示意

当管道存在杂散电流腐蚀时，电流进出位置分别在管道的阴极区域和阳极区域，当杂散电流干扰源的阳极区域与管道接近时，由于电势差，造成电流流入管道，该位置为管道的阴极区域，在该区域内测量管道对地电位普遍偏负，此时进入的电流势必会在某处流出并流回干扰源的远端阴极，该情况易出现在埋地管道与轨道或设备较近的位置，该位置为管道的阳极区域，在该位置中管道流出电流至轨道或设备，同时流出的电流造成管道的铁离子流失，形成腐蚀，主要通过测量管道对地电位出现正向偏移来体现。一条受直流杂散电流干扰的管道势必存在至少一对的阳极区域和阴极区域，这两种区域内根据不同的土壤环境可发生不同的化学反应。

2 直流杂散电流监测

一般情况下，在检测埋地输油管道受到的直流杂散电流干扰时，可以利用未开启阴极保护系统时埋地管路上任一点的管地电位和管道自腐蚀电位进行比对，分析和评测管道本身电位偏移的情况，在出现复杂情况时，也可利用直流电压梯度(DCVG)检测法来进行测试和分析。埋地管道直流杂散电流干扰程度参考指标见表1所列。

表1 埋地管道直流杂散电流干扰程度参考指标

当埋地管道上任意一点的对地电位和管道自然电位对比产生偏移量达到正向20 mV或上方土壤的电压梯度大于0.5 mV/m时，可以判断为管道受到直流杂散电流干扰。在此基础上，当管地电位正向偏移大于100 mV或者土壤电压梯度大于2.5 mV/m时，由于干扰较强，管道管理单位应及时对该处的直流杂散电流进行排流或采取其他防护措施。

在分析中，当交流与直流杂散电流同时产生而无法区分时，也可采用对应的静态、动态杂散电路检测方法，主要分析和判断管道对地电位的波动值或管道产生的感应电流波动值。特殊情况下干扰程度的评价指标见表2所列。

表2 特殊情况下干扰程度的评价指标

当管地电位波动值大于200 mV或感应电流波动值大于2 A时，应采取杂散电流排流措施或其他保护措施。

3 某成品油管道现状

某公司外管道沿城市外环路敷设，其中输送汽油或柴油的成品油管道全长151.3 km，输送航空煤油的管道全程98 km。管道材质为L360，设计压力为6.4 MPa，设计温度和操作温度均为常温，管道规格分别为φ323.1 mm×7.1 mm，φ273.0 mm×6.4 mm。管道沿线与某市地铁X号线、Y号线、铁路等并行或者交叉，全线共设有4座强制排流阴极保护站。地铁/轻轨运输系统在运行期间，使该成品油管道在各管段均受到不同程度的直流杂散电流干扰，造成该成品油管道部分管段测试桩管地电位波动且频率快，波动范围中等，影响距离较远，未排流时已造成该成品油管道部分管段在地铁/轻轨运行期间阴极保护呈失效状态。此后该公司开展了多次的杂散电流排流工作，但直流制电力牵引运输系统的日益扩张仍不断给管道后期安全运行带来新的安全风险。以下详细介绍该公司杂散电流排流防护技术。

4 排流技术

为了防止管道的杂散电流腐蚀，在存在杂散电流的位置需要排流保护。依据杂散电流排流方式的不同，可分为跨接排流法、极性排流法、接地排流法和强制排流法四种。在实际工作中，根据管道周围不同的干扰环境选择合适的排流方法，采用一种或多种排流方法有效保护管道。

4.1 跨接排流法

对于直流制电力牵引运输设备附近的埋地管道，用电缆将埋地管道与运输设备的铁轨或者负回归线进行电连接，将流入管道的杂散电流直接通过导线跨接排回干扰源。

跨接排流法无需排流设备，是一种在国外常用且有效的排流方法，造价低廉，仅需要确定管道的阴极干扰区并对埋地管道和轨道通过线缆跨接即可。适合于管道上存在稳定不变的阴极区域的情况，在直接连接的电缆中可串联可调电阻、控制开关以及断路系统，据此可控制排流量的大小及管道的相对电位，以防止排流量过大造成管道防腐层的老化和剥离。同时为了更好地削弱杂散电流影响，也可在此基础上加固屏蔽阳极干扰区的管道防腐层，尽可能削减流入管道的杂散电流，跨接排流法如图2所示。

图2 跨接排流示意

该方法存在两个问题： 一是当前国内轨道交通行业出于对自身安全管理的考虑，并不同意进行该类跨接方式排流，同时在与某市相关轨道交通施工单位交流过程中了解到目前杂散电流排流轨道交通业标准与国家标准存在差异，需要相关部门重新修订相关内容，使双方能够处于共同的安全运行环境中；二是该方法只适用于管道的对地电位高于铁轨对地电位的情况，当管道电势低于干扰结构跨接位置的电势时，跨接后将造成新的干扰电流流入管道中，产生逆流，造成杂散电流干扰的增加和阴极干扰区的增强或增多，该情况概率在实际运行中较低。考虑在跨接后可能对直流制牵引运输设备产生额外的信号干扰，并且在运行维护中相对自身增加了新的监控点和管理负担，因此不建议采用该种排流方式。

4.2 极性排流法

在跨接排流法中提到的管道电势低于干扰结构跨接位置电势的情况，为了防止逆流的产生，设置一种装置，使埋地管道回路中的直流杂散电流单向由管道流入干扰结构中。这种装置主要是由逆电压继电器和二极管组成的，由于二极管的单向导通性，因此该方法也可称为极性排流法。

极性排流法是目前国内外广泛应用的排流方法之一，具有单向导电性，只允许杂散电流从管道排除，而不允许杂散电流流入管道，能防止逆流。该种排流法的特点： 一是当直流制电力牵引运输设备与管道产生的电势差产生波动时能够可靠排流；二是在排流过程中，由于二极管的特性，正向电流流通性好，反向抗压大，产生的逆电流较小；三是由于配件、结构简单，维护方便，同时适用于较复杂环境；四是该设备可以在发现异常电流时自我切断，降低了电流损坏设备本体或管道的概率。极性排流法如图3所示。

图3 极性排流法示意

针对在阴极干扰区产生的埋地管道电势低于直流制电力牵引运输系统电势的情况，根据实际情况分析，由于存在第三种干扰源正在干扰运输系统，因此在进行该种方式排流时应当分析范围内全部设备设施情况，共同治理，才能达到较经济且有效的治理方案。该种排流方式还存在以下问题： 一是如果选用连接轨道设备的方式则同样存在跨接排流的问题；二是如果间接通过辅助阳极流入大地，由于辅助阳极的局限性，根据干扰强度，排流更趋近于缓解而非彻底解决；三是由于二极管整流作用，该种方式不适用于缓解交流干扰；四是当阻止电流逆向流入管道时可能造成电流在就近管道区域流入，在其他位置形成新的管道阳极区域，需要在实际应用时加以关注；五是该种排流方式在应对异常大电流时主要依靠损坏二极管来保护管道设备，虽然二极管价格低廉，但在损坏期间将无法得到有效排流，需要经常对排流设备进行检查维护。

4.3 接地排流法

接地排流法与其他排流方法不同之处在于，排流电缆不直接连接到铁轨上，而是连接到一个埋地辅助阳极上，电流先在大地中疏散，然后再经过土壤流回到铁轨上，这样避免了对铁路信号造成直接干扰。

由于地铁运行和管道运行归属不同的管理企业，因此企业之间相互协调难度大。目前最常见的直流杂散电流排流措施就是接地排流，通过导线将管道与排流接地体连接，利用排流接地体将管道上的杂散电流排入大地，降低杂散电流经管道流入大地所造成的管道母材腐蚀风险。

接地排流法对排流地床材质和接地电阻具有较高的技术要求，排流地床接地电阻应尽可能低，这样有利于杂散电流经排流地床流入大地。排流地床材质应选择相对电位较负的材料，这样有利于提高管道正电位的抑制能力，目前，排流地床接地材质一般选用镁阳极。接地排流法如图4所示。

图4 接地排流法示意

以某市地铁X号线排流为例：X号线与某成品油管道垂直交叉，排流点位于交叉点西侧约100 m处，治理前管道电位波动范围-5.062 6～4.999 4 V，平均值-0.848 1 V，管道电位波动幅度10.062 V。采取接地排流措施后，管道电位波动范围-3.499 7～0.899 3 V，管地电位平均值-1.571 7 V，波动幅度4.399 V左右，依据直流杂散电流排流准则计算正电位平均值比η为90.97%，满足排流准则规定正电位平均值比为85%的规定。排流前后管道管地电位V1，V2监测数据(截取最大波动时间段，时长4 h)如图5所示。

图5 排流前后管地电位监测数据(截取最大波动时间段)示意

接地极采用的是牺牲阳极组，该方式可以给管道提供部分保护电位，受限于每组牺牲阳极与管道产生的保护电流，也可看出，此处直流杂散电流排流虽然采用了接地排流，但由于接地排流驱动电流较小，造成了排流效果一般，如果想继续提高排流效果，就需要安装更多的排流地床，施工范围规模扩大，并且牺牲阳极组需要定期更换，在城市用地协调费用高的现实情况下，无形中给企业带来巨大的经济投入。

4.4 强制排流法

强制排流法的原理类似于外加了一套阴极保护系统，是在管道与铁轨(或接地阳极)之间安装一个整流器，可起到电位控制器的作用。在外部存在电位差的条件下强制进行排流，其功能兼具排流和阴极保护的双重作用，比较经济、有效。

强制排流技术就是针对目前排流技术存在的弊端而研发的一种全新排流技术。当前该公司正在使用的直流杂散电流强制排流系统是通过安装在管道上的监测探头实时监测管道管地电位，将采集到的数据反馈给系统中心处理器单元，通过处理后向设备电流补偿单元或电流吸收单元发出控制指令，调整补偿电流或吸收电流的大小，将管道电位控制在规定的范围内，是一套自适应强制排流系统。该强制排流系统组成及原理如图6所示。

图6 强制排流系统组成及原理示意

以某成品油管道与地铁Y号线垂直交叉为例，强制排流点位于干扰源南侧约160 m处，监测桩选择位于排流点北侧500 m测试桩。通过监测数据分析，治理前管道试片断电电位波动范围为-1.203 4～0.811 7 V，平均值-0.640 7 V，波动幅度2.015 1 V，欠保护电位比例为69%，试片电流流向正负交变。未排流管道管地电位V3和试片电流I1监测曲线分别如图7，图8所示。

图8 未排流管道试片电流监测曲线示意

采取强制排流措施后，试片断电电位波动范围为-0.941 4～-1.187 3 V，均处于保护范围，断电电位平均值-1.126 9 V，波动幅度0.245 9 V，试片电流I2均显示从大地流向管道，管道处于保护状态。排流后管道管地电位V4和试片电流I2监测曲线分别如图9，图10所示。

图9 排流后管道管地电位监测曲线示意

图10 排流后管道试片电流监测曲线示意

不同控制电位和模式下的通断电位情况如图11所示，不同强制电流排流设备在不同参数的设置同只运行恒电位仪进行对比可以看出，在启动强制排流设备后，正向电位有明显消除。

直流杂散电流强制排流器能够在一定范围内给管道提供足够的阴极保护电流，且管道极化电位均在阴极保护规则范围内。强制排流器系统运行后，线路各测试桩处管道极化电位波动范围较小，随着距离增大波动范围逐步变大。随着距离设备安装位置保护效果逐渐减弱，通过对各测试桩24 h电位监测，强制排流器系统运行后，可以给干扰源两侧约10 km处的管道提供保护电流。距排流设备9.5 km处管地电位V5保护情况如图12所示，强制排流设备运行/停机上下游测试桩电位V6分布如图13所示。

图11 在不同控制电位和模式下的通断电位情况示意

图12 距排流设备9.5 km处管地电位保护情况示意

图13 强制排流设备运行/停机上下游测试桩电位分布示意

该直流杂散电流强制排流器是一种全新的强制排流技术方案，直流强制排流器会实时监测管道存在的杂散电流变化，在管道保护电位正于保护电位设定的值时，系统启动强制排流器补偿电路，及时给管道提供保护电流。该系统采用目前较先进的电子、数字信号处理、数据通信与控制技术于一体，该设备具有体积小，质量轻、低噪音、数字化控制、无需人员值守等优点，只需1台能联网的计算机即可随时了解设备工作参数、状态，并远程控制设备的运行参数。其创新点如下：

1)开发了高性能电位采集滤波电路，加入了软硬件协同滤波技术，提升了电位采集电路对工频及谐波的抑制能力，解决了目前市面上电位采集电路对工频及谐波抑制能力低的问题。

2)开发了数据通信协议，防止非法数据入侵。

3)开发了直流杂散电流强制排流器应用服务管理系统，采用B/S构架，对系统特定功能的二次控制加密功能，保障设备参数的安全控制。

在应用该种排流方式时，还应注意防止管道过保护，一方面是避免阴极析氢造成防腐层剥离，另一方面是防止管道保护电流过大，在夜间直流制电力牵引运输设备停运时造成反向干扰，同时也可能会对周边埋地金属管道造成干扰，因此要根据现场实际情况进行适当排流，既要保护自身设备，也要注意不干扰其他设备。

4.5 排流效果

在排流保护设施安装完成、运行稳定后，需评定测试排流保护效果。在参考相关标准及文献后，一般要求排流应做到以下标准：

1)埋地管道在干扰源运行时的电位应在排流后达到管道阴极保护系统启动且干扰源电流断开时的电位值，且在阴极干扰区内的管地电位应分布均匀。

2)由于排流方式的不同，在采用强制电流排流时还应关注管道电位过负产生的过保护情况。

3)在日常管道管理中增加对于各排流点的监控，将发现的问题及时解决，确保管道处于阴极保护状态。

此外，在对复杂区域保护实验数据进行验证时，还可通过正电位平均值比进行排流保护排流效果的进一步评定，正电位平均值比计算如式(1)所示：

(1)

式中：ηv——正电位平均值比，%；V1(+)——埋地管道排流前所测得的平均正电位值，V；V2(+)——埋地管道排流后测得的平均正电位值，V。

针对式(1)的排流保护效果评定指标见表3所列。

表3 排流保护效果评定指标

在对该成品油管道应用的两处采用不同杂散电流排流方式进行数据监测后，对比了接地排流和强制排流的排流效果。采用强制排流技术后，管道管地电位正向电位安全消除，这是因为强制排流技术具有较大的杂散电流补偿和吸收能力。同时，强制排流器不受排流地床材质和天气等因素影响，这是传统的接地排流无法达到的，因此，强制排流技术排流效果优于传统的接地排流。

5 市场应用价值及展望

随着各地城市建设速度加快，越来越多的直流用电设备投入生产运行，埋地管道受杂散电流干扰影响情况也将会进一步加剧，直流强制排流器作为一种新的强制排流技术，具有排流效果好、影响距离远等优点，有较高的市场应用推广价值，也为国内外排流技术的发展探索了新的方向。

目前该系统功能及应用还需要进一步的完善和摸索，而且针对过度保护电流如何削弱还需要深化设计，笔者将继续保持对该技术的研究改进和应用试验。通过对该技术的逐步完善，达到最大化消除直流杂散电流的目的。