電氣化鐵路沿線(xiàn)油氣管道及罐區(qū)的電磁防護(hù)
摘 要：鐵路是國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，大眾化的交通工具和綜合運(yùn)輸體系的骨干，肩負(fù)著為全面建設(shè)小康社會(huì)提供運(yùn)力支持，當(dāng)好國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展先行的重任。隨著《中國(guó)鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》的出臺(tái)，各地紛紛興起高鐵投資熱潮。至2020年，中國(guó)將建成“四縱四橫”高鐵網(wǎng)，貫穿環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角三大城市群，這意味著，我國(guó)已正式步入高鐵時(shí)代！
一、電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_
1.1交流干擾的產(chǎn)生
按照電磁場(chǎng)理論分析，強(qiáng)電線(xiàn)路（含電氣化鐵路牽引系統(tǒng)）對(duì)金屬管道的交流干擾主要是通過(guò)阻性耦合、容性耦合、感性耦合3種方式來(lái)進(jìn)行。
（1）阻性耦合的產(chǎn)生
阻性耦合主要是由于故障電流和雜散電流流過(guò)干擾源的接地體，造成大地電位上升，當(dāng)管道通過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí)，管道本身相當(dāng)于遠(yuǎn)方零電位，這樣就在管道上產(chǎn)生一個(gè)電壓差，以離接地體最近為最高。上產(chǎn)生一個(gè)電壓差，以離接地體最近為最高。
在正常供電方式時(shí)，干擾源雜散電流一般很小，但對(duì)“二線(xiàn)一地”或“一線(xiàn)一地”的供電方式，其接地極是工作電流的通道，當(dāng)管道靠近接地電極時(shí)，由于金屬管道本身良好的導(dǎo)電性能，管道上將有雜散電流存在。
在故障情況下，由于故障電流引起的大地電位上升是很危險(xiǎn)的。由于故障電流大，幾百安培或幾千安培通過(guò)接地體入地，在其周?chē)纬梢粋�(gè)強(qiáng)大電場(chǎng)，它可能產(chǎn)生電弧燒穿金屬管道，擊毀管道防腐絕緣層和陰極保護(hù)設(shè)備，當(dāng)強(qiáng)大的電場(chǎng)作用在管道覆蓋層的缺陷處時(shí)更會(huì)導(dǎo)致電弧的形成，當(dāng)電弧達(dá)到足夠的量和較長(zhǎng)時(shí)間的流通時(shí)便會(huì)造成鋼管融化。如果鋼管離接地體的距離太小，可能會(huì)直接引起相當(dāng)于高電流的電弧擊穿，而鋼管上的覆蓋層限制了電弧的轉(zhuǎn)移，這樣，電弧作用集中在微小的一塊面積上，增加了融化的危險(xiǎn)。
（2）容性耦合的產(chǎn)生
容性耦合是由于交流電場(chǎng)的影響在導(dǎo)體中產(chǎn)生的電位而形成的。容性耦合主要發(fā)生在管道施工期間，因?yàn)楣艿辣旧韼в蟹栏^緣層，使得輸電系統(tǒng)的相線(xiàn)和管道、管道和大地之間存在電容，如果輸電線(xiàn)路和金屬管道平行，管道就有可能存在容性耦合電壓。
（3）感性耦合的產(chǎn)生
感性耦合是當(dāng)管道和強(qiáng)電線(xiàn)路近距離平行接近或斜接近時(shí)，當(dāng)電流在一條相導(dǎo)線(xiàn)中流動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)線(xiàn)周?chē)纯僧a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)作用在管道上產(chǎn)生干擾電壓。在三相輸電系統(tǒng)中，若三相電流相等，且三相架空導(dǎo)線(xiàn)與管道軸線(xiàn)距離相等，則在管道上產(chǎn)生的綜合感應(yīng)電壓為零。但在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，三相導(dǎo)線(xiàn)與管道是不對(duì)稱(chēng)的，管道中會(huì)形成一定的感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小和平行于強(qiáng)電線(xiàn)路的管道長(zhǎng)度、輸電線(xiàn)路不平衡電流的大小、輸電線(xiàn)路的頻率、導(dǎo)線(xiàn)和線(xiàn)路的距離、管道覆蓋層的電阻、管道周?chē)耐寥离娮杪�、管道的縱線(xiàn)電阻、干擾源的系統(tǒng)性質(zhì)等有關(guān)。
根據(jù)上述分析，當(dāng)管道埋入地下后，電氣化鐵路對(duì)鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖娜菪择詈细蓴_可以忽略不計(jì)，只存在著一定程度的阻性耦合干擾和感性耦合干擾。
1.2交流干擾的危害
交流電力線(xiàn)路對(duì)埋地鋼制燃?xì)夤艿赖碾姶庞绊懼饕婕皩?duì)人身安全的影響、對(duì)管道及其陰極保護(hù)設(shè)備安全的影響以及對(duì)管道的交流腐蝕等問(wèn)題。
1.2.1對(duì)人身安全的影響
當(dāng)管道與交流輸電線(xiàn)路接近且輸電線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)路中工作電流會(huì)通過(guò)磁耦合長(zhǎng)時(shí)間在管道上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得金屬管道的對(duì)地電壓升高。若該電壓較高，可能影響施工、維修或測(cè)量人員的正常工作，當(dāng)交流輸電線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，產(chǎn)生的交流干擾可能危及人身安全。
1.2.2 對(duì)管道安全影響
在管道的金屬表面一般都會(huì)敷設(shè)防腐層，具有較高電阻和較高介電常數(shù)，以防止土壤中有害物質(zhì)腐蝕金屬管道。當(dāng)交流輸電線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流通過(guò)感性耦合和阻性耦合的綜合影響在管道上產(chǎn)生較高的對(duì)地電壓，可能擊穿防腐層。
1.2.3 對(duì)管道陰極保護(hù)設(shè)備影響
在管道上設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)備是為避免防腐層漏敷及破損處的金屬表面產(chǎn)生腐蝕。交流輸電線(xiàn)路正常運(yùn)行情況下，工作電流通過(guò)感性耦合在油氣管道上產(chǎn)生電壓，可能干擾強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的恒電位儀和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的犧牲陽(yáng)極的正常工作。例如：強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的KKG-3 型和KKG-3BG 型恒電位儀的抗交流干擾能力分別為12V 和30V；犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的鎂犧牲陽(yáng)極的抗交流干擾能力為10V。這在目前的新建管道已經(jīng)幾乎不適用。
1.2.4 管道的交流腐蝕
研究表明，管道的交流腐蝕主要發(fā)生在絕緣性能較高的涂層上。鋪設(shè)在同一環(huán)境下的管道，當(dāng)管道外防腐層選用石油瀝青等級(jí)別的防腐層時(shí)，即便有交流干擾電壓的產(chǎn)生，一者是由于其絕緣性能較低，所以干擾電壓不會(huì)太高，另一方面則由于管道防腐層上所存在的較多的漏點(diǎn)而會(huì)使感應(yīng)的交流電壓隨時(shí)排入地下，因此，管道反而不會(huì)產(chǎn)生交流腐蝕。
近幾年國(guó)外的腐蝕調(diào)查報(bào)告中與研究文獻(xiàn)中，每年都有大量有關(guān)交流腐蝕導(dǎo)致管線(xiàn)腐蝕的報(bào)道與案例。在國(guó)內(nèi)的管道中，也同樣存在交流腐蝕及電磁耦合對(duì)管道監(jiān)測(cè)設(shè)施與陰極保護(hù)設(shè)施帶來(lái)危害的案例。但是關(guān)于交流腐蝕的機(jī)理，目前尚未有統(tǒng)一的解釋。國(guó)外研究表明，交流電流密度是決定交流腐蝕的一個(gè)主要因素而不是平常的交流電壓。
雖然交流電流腐蝕可以通過(guò)提高陰極保護(hù)的保護(hù)電位得到抑制，在交流干擾下，陰極保護(hù)電位應(yīng)控制在什么水平目前仍存在爭(zhēng)議。之前，一般認(rèn)為根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)施加陰極保護(hù)，能有效控制交流腐蝕。然而最近國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)，雖然陰極保護(hù)電位有效在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，但由于交流干擾的存在，管道仍發(fā)生了腐蝕。研究還表明，但當(dāng)交流電流密度較大時(shí)，增加陰極保護(hù)的保護(hù)電位可能導(dǎo)致PH值增加，減小涂層缺陷處的接觸電阻，可能導(dǎo)致相反的作用——即加速腐蝕，其發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)越高，與一般的理論相反。
二、 埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_判斷指標(biāo)
能最直接反映出電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_腐蝕的是交流雜散電流的大小，但由于實(shí)際條件限制，電氣化鐵路交流雜散電流無(wú)法直接測(cè)出。因此，管道受干擾腐蝕程度的主要判據(jù)為管地電位差、土壤電位梯度，該方法稱(chēng)為電氣判別法。其中管地電位是最重要的參數(shù)，因?yàn)樗瓤梢苑从彻艿赖母g特性，又可以反映雜散電流的干擾特性。
在沒(méi)有增加電流源的情況下，管地電位的提高是雜散電流進(jìn)入點(diǎn)的跡象，管地電位的下降通常為雜散電流放電點(diǎn)的指示。通過(guò)電壓測(cè)量發(fā)現(xiàn)管地電位不穩(wěn)定、管地電位嚴(yán)重偏離正常值或土壤電位梯度反常等問(wèn)題時(shí)，說(shuō)明有雜散電流存在，并通過(guò)土壤電位梯度能夠分析出雜散電流流入、流出點(diǎn)及電流大小。
對(duì)電氣化鐵路而言，管地電位隨機(jī)車(chē)負(fù)荷變化，機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)管地電位交變激烈，但深夜時(shí)波動(dòng)可能明顯減弱。陰極保護(hù)系統(tǒng)等的干擾比較穩(wěn)定，所以，引起管地電位的變化亦很穩(wěn)定，在機(jī)車(chē)停運(yùn)時(shí)，干擾則消失。因此，埋地管道受到干擾與否，通常用管地電位的變化來(lái)進(jìn)行判定。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：對(duì)于交流干擾，當(dāng)管道任意點(diǎn)上管地電位持續(xù)1V以上時(shí)，確定為存在交流干擾；當(dāng)中性土壤中的管道任意點(diǎn)上管地交流電位持續(xù)高于8V、堿性土壤中高于10V或酸性土壤中高于6V時(shí)，管道應(yīng)采取交流排流保護(hù)或相應(yīng)的其它保護(hù)措施。具體干擾程度判定指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 埋地管道交流干擾判定指標(biāo)
另外，土壤中若存在大量雜散電流，必然會(huì)引起大地電位梯度的變化。因此，可根據(jù)地電位梯度來(lái)判定土壤中是否存在雜散電流及其嚴(yán)重程度，并據(jù)此推斷管道受干擾的可能性。地電位梯度與雜散電流干擾強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)表2。
表2 地電位梯度與雜散電流干擾強(qiáng)度的關(guān)系
三、交流干擾的防護(hù)措施
3.1 相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)
目前，國(guó)內(nèi)已制定管道交流干擾保護(hù)的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，在電氣化鐵路和埋地鋼質(zhì)管道建設(shè)過(guò)程中主要采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SY/T0032-2000、《交流電氣化鐵道對(duì)油（氣）管道（含油庫(kù)）的影響容許值及防護(hù)措施》TB/T2832-1997、《油氣管道管理與維護(hù)規(guī)程》（Q/SY GD0008－2001）、《鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦做法》SY/T 0325-2001 、《原油、天然氣長(zhǎng)輸管道與鐵路相互關(guān)系的若干規(guī)定》（石油部（87）油建第505 號(hào)文、鐵道部鐵基（1987）780 號(hào)文）、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)（ GB50028-2006 ）、《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50251-2003）及《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074-2002）。
3.2 防護(hù)措施
總體來(lái)說(shuō)，對(duì)交流干擾的防護(hù)，鐵路方面可采取盡量減少電流流失的相關(guān)措施；管道方面可采取屏蔽、分段隔離、直接接地、鉗位式排流等綜合治理措施。目前，對(duì)交流干擾的防護(hù)已向干擾方、被干擾方及其他有關(guān)方面按“四統(tǒng)一分”（統(tǒng)一測(cè)試、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一評(píng)價(jià)、分別實(shí)施）原則聯(lián)合防護(hù)的方向發(fā)展。
3.2.1盡量避開(kāi)被干擾對(duì)象
在新建電氣化鐵路線(xiàn)路方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)以滿(mǎn)足鐵路功能定位為前提，合理選擇走向，優(yōu)化線(xiàn)路方案，盡量避開(kāi)地埋金屬管道，尤其是諸如西氣東輸這樣的長(zhǎng)大干線(xiàn)管道。一般認(rèn)為，交流電氣化鐵路雜散電流干擾的判據(jù)如下：
（1）管道與交流電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的距離大于1000m 時(shí)，接近長(zhǎng)度不受限制，認(rèn)為不受干擾；
（2）管道與交流電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的距離小于1000m 時(shí)，如果兩者接近長(zhǎng)度小于1000m，或接觸網(wǎng)上的電流不超過(guò)400A，發(fā)生短路事故時(shí)不超過(guò)10000A，則認(rèn)為不受干擾。如果接近長(zhǎng)度在1000m 到3000m 之間，在滿(mǎn)足上述條件的同時(shí)，當(dāng)管道距牽引變電所的圍墻大于50m，距接觸網(wǎng)支柱大于10m 時(shí)，也可認(rèn)為管道不受干擾。
3.2.2 防護(hù)措施
隨著電氣化鐵路和燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)里程的增加，以及受到地理環(huán)境的制約，不可避免會(huì)發(fā)生電氣化鐵路與管道平行接近或交叉，那么必須要有針對(duì)雜散電流對(duì)管道干擾的防護(hù)措施。
（1）對(duì)交流電氣化鐵路采取的措施
電氣化鐵路可采用帶回流線(xiàn)的直接供電或自耦變壓器供電方式。帶回流線(xiàn)的直接供電方式使原來(lái)流經(jīng)軌道、大地的回流，一部分改由架空回流線(xiàn)流回牽引變電所，其方向與接觸網(wǎng)中電流方向相反，從而牽引網(wǎng)阻抗和軌道電位都有所降低。該方式的吸流效果比直接供電方式約增加10%-20%。自耦變壓器供電方式（也稱(chēng)AT 供電方式），其吸流效果約為90%-95%，即地中電流約占接觸網(wǎng)電流比例的5%-10%。此外，加強(qiáng)鐵軌與枕木間的絕緣,以減少入地電流，也可以降低電氣化鐵路對(duì)埋地管道的阻性耦合干擾。
（2）對(duì)管道采取的措施
對(duì)于管道交流雜散電流干擾問(wèn)題可采用的措施：
1）在有干擾的管段，加強(qiáng)防腐涂層質(zhì)量，降低交流電氣化鐵路對(duì)管道的容性耦合干擾；
2）加大管道與鐵路接地體的距離，并采取措施防止雷電或故障電流對(duì)管道的有害影響，降低阻性耦合干擾；
3）對(duì)管道本身采取接地排流，降低感性耦合煩擾。接地排流是將管道上感應(yīng)的交流電排放到大地中去，消除交流電壓對(duì)人身及設(shè)備的危害。一般接地體材料使用廢鋼即可，無(wú)特殊要求。但其接地電阻應(yīng)盡可能小，可以通過(guò)增加接地體的并聯(lián)根數(shù)，或采用鹽等減阻劑進(jìn)行處理，接地體埋設(shè)在管道一側(cè)。接地排流一般分為直接接地排流、排流節(jié)排流和犧牲陽(yáng)極排流。直接接地排流是將受干擾管道通過(guò)接地線(xiàn)直接與接地體相連，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是陰極保護(hù)電流將在接地點(diǎn)入地，大大縮短保護(hù)距離，降低保護(hù)效果。如果將排流接地體直接與管道連接，由于接地電阻很小，保護(hù)電流流失，相當(dāng)大面積的防腐層破壞，陰極保護(hù)電流量增加，以致破壞陰極保護(hù)正常運(yùn)行，所以需要增加排流節(jié)。排流節(jié)排流又分為電容排流、二極管排流、鉗位式排流和去耦合器排流。
根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)電氣化鐵路單純跨越埋地管道時(shí)，一般雜散電流很小，在埋地管道與交流接地體的安全距離符合表3的要求時(shí)，一般不需要增加排流防護(hù)措施，但需在管道穿越處增加一處綜合測(cè)試樁，以檢測(cè)鐵路投運(yùn)后管道電位的變化。若測(cè)得電壓值超過(guò)規(guī)范《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)SY/T 0032-2000》管道交流干擾判斷指標(biāo)，或超過(guò)陰極保護(hù)設(shè)備交流干擾能力則必須采取排流保護(hù)的措施。因此，對(duì)于交流干擾下的管道，正常的陰極保護(hù)非常重要，陰極保護(hù)設(shè)備應(yīng)具有一定的交流抗干擾力。
表3 埋地管道與交流接地體的安全距離
當(dāng)電氣化鐵路與埋地管道近距離平行時(shí)，必須增加排流防護(hù)措施。其中，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)給出了涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時(shí)的限制長(zhǎng)度，它是平行間距和干擾電流的函數(shù)。如表4所示。
表4 涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時(shí)的限制長(zhǎng)度（km）
管道本身交流干擾防護(hù)措施，主要有接地排流，但直接排流會(huì)對(duì)原有的陰極保護(hù)產(chǎn)生影響，因此，需要在管道和接地體間串隔直環(huán)節(jié)，主要有固態(tài)去耦合器、鉗位式排流器、電容排流器、二極管排流器。
其次，我國(guó)的排流技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)步，已經(jīng)向微型化，智能化方向轉(zhuǎn)變。排流設(shè)備從過(guò)去的人工采集數(shù)據(jù)，手工分析，再進(jìn)行排流，已轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛟诩夹g(shù)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)制和排流一體化操作�？v觀多數(shù)排流設(shè)備，大都利用硅二極管正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦裕涣麟妷�，�?duì)雜散電流進(jìn)行極性排流，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)排流和自動(dòng)控制電流大小。其特點(diǎn)表現(xiàn)在：核心由單片機(jī)智能控制系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測(cè)、分析同步進(jìn)行；使用標(biāo)準(zhǔn)RS一485或RS一232串口；使用開(kāi)放式通訊協(xié)議。
但是，目前的排流技術(shù)還存在如下問(wèn)題：主要以直流排流為主，交流排流為輔；交流排流和混合排流研究少，檢測(cè)和排流缺乏同步性；在排流過(guò)程中，沒(méi)有排流效果反饋系統(tǒng)，排流誤差較大；在進(jìn)行排流電流整定后，固化不變，強(qiáng)電流流入大地時(shí)，只能局部保護(hù)管道，對(duì)防腐層破損的區(qū)域，將加速管道的腐蝕破壞；這些問(wèn)題都需要腐蝕研究工作者深入解決。
|
