城镇燃气管道阴极保护系统杂散排流及改进研究

张万杰

（深圳市燃气集团股份有限公司 深圳 518049）

随着我国城市建设的快速发展，埋地敷设的城镇燃气管道运行环境越来越复杂。尤其是城市轨道交通的纵横交错，带来了杂散电流干扰的问题。这种杂散电流干扰促进了电化学腐蚀的传质过程，加剧了周围埋地金属管道的电化学腐蚀速率，极大地缩短了金属管线的服役寿命，造成了管道维修更换成本的提高。同时，杂散电流腐蚀规律多变，腐蚀速率难以预测，降低管道的承压能力甚至可能酿成灾难性的事故。从已经公开发表的文献来看，有的城市已运行多年的地铁周围杂散电流造成的埋地管道腐蚀状况非常严重。一般来讲，受杂散电流干扰影响的管道金属的腐蚀速率与电流密度紧密正相关，据报道某壁厚8～9 mm的钢管在受地铁杂散电流影响仅仅3个朋就发生了腐蚀穿孔，地铁的杂散电流干扰问题已成为城镇埋地钢制管道安全服役的主要影响因素之一[1]。

本文针对某城镇燃气管道的阴极保护系统受到直流杂散电流干扰的情况，通过现场对管道阴极保护系统进行直流干扰检测，理论与数值模拟相结合分析保护电位分布规律，并开展杂散排流和效果评估，从而提升改善城镇燃气管道阴极保护系统性能。

1 检测与评价

1.1 管道概况

某规格为φ508×7.9 mm的次高压燃气管道于2008年4朋投产，钢管材质为L360MB，设计压力不大于1.6 MPa，运行压力不大于1.5 MPa，管线采用3PE外防腐层，并配备牺牲阳极阴保系统。选取某收费站阀室—盐排阀室之间的管段（见图1）：该段管线长度5.5 km，沿某高速公路边敷设，与地铁某线几乎处于平行位置，并与某铁路交叉，管道与地铁间最近距离约为1.3 km，周围多山地，运行环境复杂。

图1 某收费站阀室—盐排阀室管线路由图

1.2 杂散电流干扰现场检测

在埋地钢制管道受轨道交通杂散电流干扰的测试技术方面，目前国内研究还处于起步阶段。现阶段较常用的测试仪器设备也主要来自国外技术的引进消化和吸收转化，相关研究开发工作正在进行。目前，常用的埋地管道杂散电流测试技术主要包括管地电位正向偏移法、管地电位梯度检测法、管地电位连续监测、杂散电流干扰探针测试法、SCM智能杂散电流测绘法，以及检查片腐蚀监测等方法[2]。国内基于仪器设备的限制，以及使用条件的考量，目前相对较多地应用管地电位正向偏移法进行杂散电流干扰的现场检测。

为了准确调查管线的杂散电流干扰情况，对管线测试桩处的阴极保护电位进行测试，数据见表1。

表1 阴保测试桩电位数据

如图2所示，管线通电电位的变化剧烈，特别是在A-YZ-125测试桩处最为剧烈，最大值和最小值的绝对值均超过了10 V。管线通电电位的剧烈变化表明存在严重的直流杂散电流干扰问题。

图2 通电电位变化曲线

根据测试数据，发现共计6处测试桩的断电电位无法达到阴极保护要求（不高于-850 mV），见图3，这6处测试桩位置的管道处于欠保护状态，占比达30%。

图3 测试桩阴极保护效果

1.3 杂散电流排流方法

针对埋地管道受到的杂散电流干扰，目前的主要治理措施是进行排流，主要包括直接排流法、极性排流法、强制排流法和接地排流法4种[3]。

1）直接排流法：当管地电位高于轨地电位时，可以采取直接排流的方法。这种排流方法不需要采用专有设备，排流效果好，简单易行，成本低廉。但这种方法的适用性受到现场工况的限制，当管道的对地电位低于地铁轨道的对地电位时，地铁轨道中的电流将流人管道内，从而产生逆流，加重杂散电流干扰对管道的腐蚀影响，也使得该方法的使用受到了限制。

2）极性排流法：为了防止管地电位低于轨地电位（可能由负荷的变动，变电所负荷分配的变化等引起）而产生逆流，可在排流线路中设置排流器装置，包括单向导通的二极管整流器、逆电压继电器等。这些装置使杂散电流只能由管道流入地铁轨道，从而防止逆流，且排流器安装方便，可广泛应用。上述排流方法称之为极性排流法。

3）强制排流法：通过强制排流器将管道和地铁轨道连通，在管道和地铁轨道的电气接线中主动加入直流电流，当杂散电流流入管道时，通过强制排流器主动促进排流，整流环使杂散电流排放到地铁轨道上；当管道内无杂散电流时，强制排流器可为管道提供阴极保护。强制排流法适用于管地电位正负极性交变，电位差较小，且环境腐蚀性较强的情况。虽然强制排流法适用范围广，还可为油气管道提供阴极保护，但该方法需要专用的排流设备，成本较高，且这种方法需要外加电源，会对地铁轨道上的电位分布产生影响。

4）接地排流法：该方法与强制排流法的原理相同，不同之处在于管道上的排流电缆未直接连接到地铁轨道上，而是与一个埋地辅助阳极相连，将管道上的杂散电流排出至辅助阳极上，再经过土壤回到地铁轨道上。接地排流法需要埋设辅助阳极，还要定期更换，操作相对复杂，成本较高，且排流效果与其他方法相比并无显著优势。

本工作通过比选不同排流方法的优缺点，分析试验段现场测试数据及管道运行环境，结合各种排流方法的适用条件，推荐选择极性排流和强制排流相结合的方式。此外，对传统强制排流方法进行了改进，传统强制排流器的整流环一般将管道上的杂散电流排放到地铁轨道上，为了不对地铁和乘客安全造成影响，通过连接深井阳极地床，既可以把管道上的杂散电流排走，又可以减少排流过程对地铁系统的影响。

地铁系统产生的杂散电流和埋地钢制管道的阴极保护系统都属于电场相关的问题，可以通过数值模拟技术研究分析地铁、管道、土壤、牺牲阳极等排流节点上的电位和电流密度分布，根据云图的展示分析，进行排流方案优化。本工作综合管线情况、土壤环境、牺牲阳极埋设位置及相关参数，对管线进行数学建模。一般来说，对于已经达到稳态（即不随时间而变化）的阴极保护系统，电位的分布情况可以用拉普拉斯（Laplace）方程来描述[4]。基于模拟分析了极性排流和强制排流相结合的排流效果，优化了深井阳极地床的数量及安装位置，避免了直接盲目施工造成工程浪费，其中电位模拟云图如图4所示。

图4 建设强排站后（结合极性排流）模拟结果电位云图

通过上述模拟，极性排流和强制排流相结合的方案有利于管线阴极保护系统提升和改善，提前预判排流效果，优化各项参数，细化指导排流措施，避免盲目施工，节约了项目成本。

1.4 排流效果评估

根据模拟优化方案，现场安装了极性排流器及强制电流阴保站，运行稳定后对阴保数据进行了测试。通过将实测数据与数值模拟数据进行对比分析，数值模拟计算出的极化电位与现场测试的数据基本相符。这表明数值模拟计算优化方案的方法是可行的，管道排流后的阴极保护系统性能得到了提升和改善，阴极保护电位满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的要求[5]，如图5所示。

图5 测试电位与模拟电位的比对

2 结论

1）城市内轨道交通（地铁）的泄漏电流可能导致周围某段埋地管道的阴极保护不达标，使城镇埋地钢制管道受到动态直流杂散电流干扰的影响，加速管道腐蚀，降低管道承载能力，为管道安全运行埋下重大隐患。

2）基于数值模拟技术可以提前模拟评估排流效果，能对排流方案中的各种参数进行优化，避免盲目实施排流造成项目成本的浪费。

3）极性排流和强制排流方法相结合，可以相互补充，有效改善管道的阴极保护系统。强制电流的深井阳极应尽量靠近地铁牵引所附近，通过阳极地床把多余的杂散电流排走，再通过牵引所回归铁轨。