城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐绷麟s散電流排流保護(hù)

摘要

采用 BEASY 軟件模擬方法，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下的提升進(jìn)行研究。對(duì)單純采用極性排流措施的情況進(jìn)行模擬和測(cè)試，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好，證明了模擬方法和模擬結(jié)果的可靠性。單純采取極性排流措施時(shí)，管道未得到有效的保護(hù)。通過(guò)對(duì)極性排流、強(qiáng)制排流和接地排流相結(jié)合的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到電位分布云圖。依據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)原陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)改造后數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試及效果分析，發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)得到提升，符合陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

摘　要：采用BEASY軟件模擬方法，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?a href=http://www.jacksroad.com/e/tags/?tagname=%E9%98%B4%E6%9E%81%E4%BF%9D%E6%8A%A4 target=_blank class=infotextkey>陰極保護(hù)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下的提升進(jìn)行研究。對(duì)單純采用極性排流措施的情況進(jìn)行模擬和測(cè)試，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好，證明了模擬方法和模擬結(jié)果的可靠性。單純采取極性排流措施時(shí)，管道未得到有效的保護(hù)。通過(guò)對(duì)極性排流、強(qiáng)制排流和接地排流相結(jié)合的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到電位分布云圖。依據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)原陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)改造后數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試及效果分析，發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)得到提升，符合陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿溃?/span> 陰極保護(hù)系統(tǒng)；　極性排流；強(qiáng)制排流；直流雜散電流

DC Stray Current Drainage Protection for City Gas Pipeline

Abstract：BEASY software is used to study the improvement of cathodic protection system of city gas pipeline undergoing dynamic DC stray current interference．The conditions using only polar drainage are simulated and tested．The simulated results agree well with the test results，which proves the reliability of the simulation method and simulation resuhs．The pipeline is not effectively protected when only polar drainage is used．The potential distribution cloud is obtained by simulating the combination of polar drainage and forced drainage．According to the simulation results，the original cathodic protection system is reconstructed．The data after reconstruction are tested and analyzed．The results show that the cathodic protection system has been improved，and it meets the cathodic protection standard．

Keywords：city gas pipeline；cathodic protection system；polar drainage；forced drainage；DC stray current

1　概述

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿蓝酁槁竦胤笤O(shè)，隨著城市的發(fā)展，管道運(yùn)行環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。尤其是地鐵發(fā)展帶來(lái)的雜散電流干擾，加劇了周圍埋地金屬管道電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。這種電流干擾造成的腐蝕不僅縮短了金屬管道的使用壽命，而且會(huì)降低地鐵中以鋼為主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，甚至釀成災(zāi)難性事故[1-3]。從已運(yùn)行多年的天津地鐵周圍的燃?xì)夤艿狼闆r來(lái)看，雜散電流干擾造成的腐蝕破壞是非常嚴(yán)重的。雜散電流越大，金屬管道的腐蝕就越嚴(yán)重，甚至有些壁厚為8～9mm的鋼管在使用短短3個(gè)月后就發(fā)生了腐蝕穿孔。

本文針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)系統(tǒng)存在直流雜散電流干擾的情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析、數(shù)值模擬、雜散排流、效果評(píng)估等方法，進(jìn)行管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的直流干擾檢測(cè)、保護(hù)電位分布規(guī)律及雜散排流技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上提升改善城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)系統(tǒng)。

2　直流雜散電流排流保護(hù)

2.1　研究對(duì)象

本次研究選取了某次高壓燃?xì)夤艿赖凝埾枋召M(fèi)站閥室與鹽排閥室之間的5.5km作為試驗(yàn)段(位置見圖1)，該段管道于2008年4月投產(chǎn)，埋深1.2m，管道規(guī)格為Ø508×7.9，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，運(yùn)行壓力為1.5MPa，鋼管材質(zhì)為L360MB，管道采用3PE+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，并采取了極性排流措施。管道每隔250m分布一組14.5kg的高電位鎂犧牲陽(yáng)極，每組陽(yáng)極由2支鎂合金陽(yáng)極組成，鎂陽(yáng)極開路電位取-1.7V，在每組犧牲陽(yáng)極處安裝1個(gè)極性排流器。極性排流器阻止直流雜散電流通過(guò)犧牲陽(yáng)極引入管道，在斷開狀態(tài)時(shí)其直流漏流量小于1mA，交流阻抗小于0.5W，最大瞬態(tài)電流通過(guò)能力為150A。該段管道與地鐵龍崗線幾乎平行，最近處距離約為1.3km，周圍多山地，與平鹽鐵路交叉，周圍高壓電纜較多，敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐绷麟s散電流排流保護(hù)

極性排流器主要由直流單向?qū)娐?、交流旁路電路、浪涌保護(hù)電路3路構(gòu)成。極性排流器負(fù)極連接被保護(hù)的結(jié)構(gòu)件(如管道)，正極連接鎂陽(yáng)極。其實(shí)現(xiàn)的功能為：

①存在直流干擾時(shí)，當(dāng)被保護(hù)的結(jié)構(gòu)件(負(fù)極)電位低于排流地床(正極)電位時(shí)，排流器處于斷開狀態(tài)，漏電流小于1mA；當(dāng)被保護(hù)的結(jié)構(gòu)件(負(fù)極)電位高于排流地床(正極)電位時(shí)開始導(dǎo)通，導(dǎo)通電流達(dá)到10A時(shí)，兩端的電位差不大于0.3V，可通過(guò)的最大瞬態(tài)電流為150A。該功能通過(guò)直流單向?qū)娐穼?shí)現(xiàn)。

②極性排流器的浪涌保護(hù)電路可通過(guò)一定的浪涌電流，保護(hù)后級(jí)電路正常工作。

③存在交流干擾時(shí)，極性排流器的交流旁路電路提供電流通路，交流阻抗小于0.5W。

2.2　雜散電流排流效果測(cè)試與模擬

為了獲得目前管道的雜散電流排流效果，對(duì)該管段測(cè)試樁處的陰極保護(hù)電位進(jìn)行測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)埋地燃?xì)夤艿朗苘壍澜煌s散電流干擾測(cè)試的研究還處于起步階段，現(xiàn)階段較常用的測(cè)試技術(shù)包括管地電位正向偏移法、檢查片腐蝕監(jiān)測(cè)、雜散電流干擾探針測(cè)試法、管地電位連續(xù)監(jiān)測(cè)、地電位梯度檢測(cè)、SCM智能雜散電流測(cè)繪儀測(cè)繪等[4]。受到儀器及使用條件的限制，目前多采用管地電位正向偏移法，本文即選用此種方法。

數(shù)值模擬技術(shù)是利用數(shù)值計(jì)算方法(如有限元或邊界元等)求解一些物理問(wèn)題(如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等)，從而得到數(shù)值解的一種方法。對(duì)于地鐵雜散電流和陰極保護(hù)來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)電場(chǎng)問(wèn)題，可以通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)得到管道、陽(yáng)極等研究對(duì)象上的電位和電流密度分布，以云圖方式顯示結(jié)果。對(duì)于已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)(即不隨時(shí)間而變化)的陰極保護(hù)系統(tǒng)，電位的分布情況可以用拉普拉斯(Laplace)方程來(lái)描述[5]。BEASY軟件是國(guó)外開發(fā)的一款基于邊界元算法的模擬軟件，可對(duì)土壤、海水等環(huán)境下的電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，在陰根保護(hù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和效果評(píng)估方面有良好的應(yīng)用。采用BEASY軟件對(duì)目前的管道電位情況進(jìn)行模擬研究。實(shí)測(cè)的和模擬輸入的沿線測(cè)試樁處土壤電阻、電阻率見表1，在數(shù)值模擬中，雜散電流情況以管地電位的形式輸入軟件。在BEASY軟件中進(jìn)行管道、陽(yáng)極與土壤盒的建模(見圖2)與網(wǎng)格劃分，其中土壤盒的尺寸為12km×12km×12km。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐绷麟s散電流排流保護(hù)

在模型建立后，對(duì)單獨(dú)使用鎂陽(yáng)極極性排流的保護(hù)效果進(jìn)行模擬計(jì)算，得到管道斷電電位分布云圖，見圖3。從圖3可以看出，單獨(dú)使用鎂陽(yáng)極極性排流措施時(shí)，管道未達(dá)到有效的陽(yáng)極保護(hù)，很大一部分管段的電位正于-850mV，處于欠保護(hù)狀態(tài)，管道最負(fù)的電位僅達(dá)到-1055.7mV。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐绷麟s散電流排流保護(hù)

將電位的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見表2(因YZ116測(cè)試樁處的斷電電位漏測(cè)，所以模擬斷電電位也未給出)。從表2可以看出，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的吻合性，證明了模擬方法和模擬結(jié)果是可靠的。

2.3　排流方案確定

雜散電流的排流措施可分為直接排流法、極性排流法、強(qiáng)制排流法和接地排流法四種。

①直接排流法。這種方法不需要排流設(shè)備，簡(jiǎn)單，造價(jià)低，排流效果好。但當(dāng)管道的對(duì)地電位(以下簡(jiǎn)稱管地電位)低于行走軌對(duì)地電位(以下簡(jiǎn)稱軌地電位)時(shí)，行走軌電流將流入管道內(nèi)而產(chǎn)生逆流。因此這種排流方法只適合管地電位永遠(yuǎn)高于軌地電位、不會(huì)產(chǎn)生逆流的場(chǎng)所，而這種情況不多，限制了該方法的應(yīng)用。

②極性排流法。由于電負(fù)荷的變動(dòng)和變電所負(fù)荷分配的變化等，管地電位低于軌地電位而產(chǎn)生逆流的現(xiàn)象比較普遍。為防止逆流，使雜散電流只能由管道流入行走軌，必須在排流線路中設(shè)置單向?qū)ǖ亩O管整流器、逆電壓繼電器等裝置，這種裝置稱為排流器，這種防止逆流的排流法稱為極性排流法。極性排流法裝置安裝方便，應(yīng)用廣泛。

③強(qiáng)制排流法。就是在石油、天然氣管道和行走軌的電氣接線中加入直流電流，促進(jìn)排流的方法。在管地電位正負(fù)極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，可以采用此方法。通過(guò)強(qiáng)制排流器將管道和行走軌連通，雜散電流通過(guò)強(qiáng)制排流器的整流環(huán)排放到行走軌上，當(dāng)無(wú)雜散電流時(shí)，強(qiáng)制排流器給管道提供一個(gè)陰極保護(hù)電流，使管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)。強(qiáng)制排流法防護(hù)范圍大，鐵路停運(yùn)時(shí)可對(duì)油氣管道提供陰極保護(hù)，但對(duì)行走軌的電位分布有影響，需要外加電源。

④接地排流法。管道上的排流電纜并不是直接連接到行走軌上，而是連接到一個(gè)埋地輔助陽(yáng)極上，將雜散電流從管道上排出至輔助陽(yáng)極上，經(jīng)過(guò)土壤再返回到行走軌上。接地排流法使用方便，但效果不顯著，需要輔助陽(yáng)極，還要定期更換輔助陽(yáng)極。

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及運(yùn)行環(huán)境，結(jié)合不同排流方法各自的優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)，最終選擇極性排流、強(qiáng)制排流和接地排流相結(jié)合的方法進(jìn)行雜散電流排流。由于管道和地鐵執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且考慮乘客安全，強(qiáng)制排流的強(qiáng)制排流器的整流環(huán)并未排放到行走軌上，而是通過(guò)深井陽(yáng)極地床把管道雜散電流排走。

在上述采取極性排流的基礎(chǔ)上，建立一座強(qiáng)制電流排流站，即建立強(qiáng)制排流與極性排流、接地排流相結(jié)合的數(shù)值模型。采用恒電位儀以及深井輔助陽(yáng)極作為強(qiáng)制排流裝置，恒電位儀額定輸出為80V／30A。綜合管道情況、土壤環(huán)境、犧牲陽(yáng)極埋設(shè)位置及性能參數(shù)、電位情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性比較數(shù)據(jù)，優(yōu)選為在鹽排閥室設(shè)立一座強(qiáng)制電流排流站，使用一口直徑為300cm、深度為120m的深井和9組MMO陽(yáng)極進(jìn)行強(qiáng)制電流輸出，最大輸出電流為30A。

模擬得到的極性排流與強(qiáng)制排流、接地排流相結(jié)合的斷電電位分布云圖見圖4。由圖4可知，管道整體的斷電電位都負(fù)于-912mV，且最負(fù)電位控制在陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最負(fù)電位-1200mV以內(nèi)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電位控制要求。在這種穩(wěn)定且較負(fù)的電位保護(hù)下，陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾有很強(qiáng)的防護(hù)效果。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐绷麟s散電流排流保護(hù)

通過(guò)上述模擬研究，優(yōu)選采用極性排流和強(qiáng)制排流、接地排流相結(jié)合的方案，對(duì)該管段進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)的提升改善。通過(guò)數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)陰極保護(hù)以及雜散電流排流效果，避免盲目施工，且可以在方案中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約了項(xiàng)目成本。

根據(jù)模擬優(yōu)化方案，在鹽排閥室設(shè)立了一座強(qiáng)制電流排流站。相關(guān)設(shè)備及設(shè)備參數(shù)均與前述數(shù)值模擬一致。

在完成強(qiáng)制電流排流站的安裝調(diào)試后，使管道充分極化7d，然后對(duì)沿線測(cè)試樁的斷電電位進(jìn)行全面測(cè)試。測(cè)試電位與數(shù)值模擬電位的對(duì)比見表3。由表3可知，測(cè)試電位與數(shù)值模擬電位值吻合較好，陰極保護(hù)電位滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。這表明數(shù)值模擬計(jì)算優(yōu)化方案的方法可行，排流后陰極保護(hù)系統(tǒng)能得到提升和改善。