摘要：埋地钢质燃气管道在杂散电流的影响下会快速的发生腐蚀，在干扰严重的情况下可能3个月左右就会发生腐蚀穿孔现象，造成燃气泄露，极有可能发生火灾或者爆炸等灾害。杂散电流还会引起埋地钢制管道电位偏移，超出阴极保护指标，并导致强制电流阴极保护失效。同时杂散电流也可能直接或者间距的造成对管道设备装置的损坏以及管道维护人员的伤害。本文根据管道防腐层的类型和等级，管道拓扑结构，电连续性检测结果和轨道建设及运行影响研究，用现有检测设备，找出一种切实可行简单准确方法，检测确定强制电流阴极保护系统区域内，杂散电流干扰阳极区，阴极区和交变区，为实施准确排流治理，打好坚实基础。

关键词：直流杂散电流；外加电流；阴极保护

前言

随着经济的快速增长，我国城市的轨道交通发展也十分迅猛，近年来国内的各大区域性中心城市都在大力发展各自的城市轨道交通项目，这些城市的基础设施建设给百姓出行带来极大方便的同时，也对原已十分密集的地下设施产生了前所未有的危害和挑战。在城市地铁和轻轨等轨道交通运输系统中，一般采用直流牵引走行轨回流的驱动方式。一旦回流通路与大地的绝缘存在问题，巨大的直流电流会流入大地，形成随时间变化的动态杂散电流。

城镇燃气管道多为埋地敷设，随着城市的发展，管道运行环境越来越复杂。尤其是地铁发展带来的杂散电流干扰，加剧了周围埋地金属管道电化学腐蚀的发生。这种电流干扰造成的腐蚀不仅缩短了金属管线的运行寿命，而且还会降低地铁中以钢为主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性事故。从已运行多年的重庆燃气管道的情况来看，杂散电流造成的腐蚀破坏是非常严重的。找出一种切实可行、易操作、效率高、经济性好的埋地钢制管道杂散电流干扰测试方法和治理方案。有助于提高在直流杂散电流干扰下外加电流阴极保护的有效性，并增强在实际腐蚀环境中实用性和可控性，使钢制埋地强制电流阴极保护系统更加完善有效，最大限度延长现有管道安全运行寿命。对直流杂散电流干扰下强制电流阴极保护有效运行提供科学依据和重要技术积累。研究直流杂散电流性质和治理方法，对埋地钢制管道安全平稳运行，有重大意义。

1 埋地钢质管道上杂散电电流的腐蚀机理

国内埋地燃气管道，一般情况下都是由金属制成，采用的金属通常是普通的碳钢。这种碳钢中碳原子和铁原子的电位不同，这就造成了管道的不同部位上的电位差，极容易形成腐蚀的原电池，这样金属就会发生很明显的腐蚀电化学反应。碳原子形成阴极，铁原子形成阳极，铁原子失去电子变成离子状态后，溶于腐蚀介质土壤中，从而形成腐蚀造成管体的减薄。在有氧气和水的情况下，铁原子这形成铁的水化态，及氢氧化亚铁或者是氢氧化铁，进一步的氧化后变成铁锈，一种体积较大的腐蚀产物。

如果管道的区域内有杂散电流流动，杂散电流流入大地后会产生地电场，在地电场的驱动下，在不同地电位之间会产生电流流动。由于管道电阻率小于等于土壤电阻率，所以杂散电流主要是沿着管道进行流动的。来自外部干扰源的杂散电流，通过土壤（或其他电解质），从管道防腐层破损点流入管道。杂散电流流入管道的地方带负电，该区域的管道受到保护，一般不会发生腐蚀。然而，当电流流入区电位太负时，在管道表面会发生阴极剥离，从而造成防腐层与管体丧失粘结力，进而发生防腐层剥离的现象。杂散电流流出管道的地方带正电，该区域管道将发生腐蚀。在实际工作过程中，该区域是需要重点关注的部分。

2 杂散电流干扰的检测手段

2.1检查片腐蚀监测

自然腐蚀孔蚀倾向较小，有黄色或黑色的质地较疏松的锈层，创面边缘不整齐，清除腐蚀产物后创面较粗糙；杂散电流腐蚀孔蚀倾向较大，创面光滑，有时是金属光泽，边缘较整齐，腐蚀产物似碳黑色细粉末，有水分存在时可明显观察到电解过程迹象。

检查片腐蚀监测通过现场埋设腐蚀挂片来判断杂散电流干扰作用下的管道钢的腐蚀程度。制作与管道材质相同的检查片，将其通过测试桩与管道进行电连接，埋设时间应在1年以上。根据杂散电流环境中管道钢腐蚀态貌上差异性来判断杂散电流干扰的存在。根据检查片失重、腐蚀表面形态等因素来判断杂散电流干扰的严重性。

然而检查片腐蚀监测方法存在如下局限性：对检查片的表面质量、材质、加工工艺的要求较高；检查片常规试验周期一般不能小于1年，有时甚至长达20年不利于及时发现杂散电流干扰和采取防治措施；检查片腐蚀失重指示只是管道腐蚀总体情况是土壤含水量、酸碱度、杂散电流等因素综合作用的结果，无法定量分析杂散电流干扰的严重性。

2.2管地电位正向偏移法

管地电位正向偏移法，以管地电位相对自然电位的正向偏移量来评价杂散电流的危害程度，在许多国家都有应用。其中国内埋地钢质管道直流排流标准SY/T0017提到：当管地电位较自然电位偏移≥20ｍＶ时，确认有杂散电流干扰；当管地电位较自然电位偏移≥100ｍＶ时，应该采取防护措施。英国标准BSEN 50162则分别考察了管道受杂散电流干扰而处于阳极区与阴极区两种情况，指出管地电位正向（阳极区）或负向（阴极区）偏移20ｍＶ存在杂散电流干扰。

管地电位正向偏移测试技术能够直接取得评价结果。然而在城镇环境下轨道交通供电系统、高压电网、临近管道阴极保护系统等都是杂散电流源。埋地燃气管道绝大部分时间处于干扰中，导致自然电位的测量存在较大困难。同时对于有阴保的管道，测量得到的管地电位值中包含了保护电位成分，不能真实反映杂散电流引起的电位偏移。

2.3管地电位动态连续监测

当城镇燃气埋地钢质管道中存在杂散电流干扰时，管地电位呈现随机波动状态。特别是轨道交通运行过程中产生的间歇性干扰，变化频率快、幅度大。可以通过上图示的管地电位测试方法。采用Data-Logger管地电位数字记录仪实时记录管地电位变化。依据管地电位变化幅度来评价杂散电流干扰严重性。若进行长期监测，发现管地电位明显升高时，可以判断该点为杂散电流进入点；而管地电位明显降低时，则为杂散电流流出点。

管地电位连续动态监测设备简单，对于杂散电流密集且严重的地域，还可以临时布线，进行多点同时监测，获取目标管道周围环境的杂散电流分布情况与时变信息。然而国内目前尚未制订对被干扰管道侧管地电位连续动态监测结果进行干扰评价的标准，检测人员只能依据工作经验来判断干扰情况。

3杂散电流干扰的缓解措施

3.1 直接排流法。

这种方法不需要排流设备，简单，造价低，排流效果好。但当管道的对地电位低于行走轨对地电位时，行走轨电流将流人管道内而产生逆流。因此这种排流方法只适合管地电位永远高于轨地电位、不会产生逆流的场所，而这种机会不多，限制了该方法的应用。

3.2 极性排流法。

由于负荷的变动，变电所负荷分配的变化等，管地电位低于轨地电位而产生逆流的现象比较普遍。为防止逆流，使杂散电流只能由管道流入行走轨，必须在排流线路中设置单向导通的二极管整流器、逆电压继电器等装置，这种装置称为排流器，这种防止逆流的排流法称为极性排流法。极性排流法安装方便，应用广泛。

3.3强制排流法。

就是在石油天然气管道和行走轨的电气接线中加入直流电流，促进排流的方法。在管地电位正负极性交变，电位差小，且环境腐蚀性较强时，可以采用此防护措施。通过强制排流器将管道和行走轨连通，杂散电流通过强制排流器的整流环排放到行走轨上，当无杂散电流时，强制排流器给管道提供一个阴极保护电流，使管道处于阴极保护状态。强制排流法防护范围大，铁路停运时可对油气管道提供阴极保护，但对行走轨的电位分布有影响，需要外加电源。

3.4接地排流法。

管道上的排流电缆并不是直接连接到行走轨上，而是连接到一个埋地辅助阳极上，将杂散电流从管道上排出至辅助阳极上，经过土壤再返回到行走轨上。接地排流法使用方便，但效果不显著，需要辅助阳极，还要定期更换辅助阳极。

4渝中地区管道直流杂散电流情况分析

4.1重庆渝中地区埋地管道情况

重庆市渝中地区是重庆的“母城”，地处在长江、嘉陵江交汇地带，由于两江环抱，形似半岛，又名渝中半岛。渝中埋地燃气管道均为钢制管道，建设投运时间长（最早为70年代中期建成），受当时技术约束，无电火花和PCM检测，建设过程中均有防腐层损坏和现场施工防腐工作不到位情况发生，且由于城市建设道路拓宽、通信电缆下地、重复开挖、人为造成防腐层损坏，漏损事故时有发生，有较严重安全运行安全隐患。

渝中区埋地钢制管道防腐层种类多，但主要为沥青防腐，投运时间长，老化严重，绝缘性差，管道防腐层破损点多，直流杂散电流可通过防腐层破损点流入流出，极易发生电化学腐蚀并蚀穿漏气。根据近两年漏损现场分析，绝大多数泄漏管道防腐层均为沥青管。

4.2渝中地区埋地燃气管道直流杂散电流干扰危害

随着渝中地区城市建设发展，轨道交通网日趋密集，仅渝中过境轨道线在建和运行就有五条以上，轨道交通钢制结构与土壤绝缘不好或轨道交通附近有接地装置，该电流就会直接排入大地，且为未作任何处理直排入大地。另有轨道建设中大型直流焊机作业，接地靶线也直接向大地排放电流。故杂散电流干扰严重，根据实际漏损现场原因分析，渝中辖区内钢制管道蚀穿泄漏，大部分是杂散电流干扰腐蚀造成。渝中中压埋地钢制管道已建成并运行强制电流阴极保护系统，直流杂散电流干扰严重，导致个别区域保护失效。

埋地管道的直流杂散电流干扰主要来自于附近的直流电气化铁路系统、直流电焊机等电力传输系统，或某些工业电气设备以及外部的阴极保护系统。对于长距离带有涂覆层的埋地金属管道影响最普遍、最严重的直流杂散电流源是直流电气化铁路系统。由于杂散电流的强度一般都很大，从而使金属溶解量大大增加，并可使被干扰体系在短时间内发生点蚀穿孔，甚至诱发应力腐蚀开裂。此外，地铁直流杂散电流还会干扰阴极保护系统的正常运行，使牺牲阳极系统发生极性逆转，降低牺牲阳极的电流效率，致使管道得不到有效的防腐保护。

4.3 渝中地区直流干扰治理手段选择

4.3.1 常用直流干扰治理手段

目前最常用的直流杂散电流防护技术为接地排流，通过导线将管道与排流接地体连接，将管道上流动的直流杂散电流引回大地，这种直流杂散电流防护技术对排流接地体材料及接地电阻有较高要求，经多年现场应用，排流防护效果并不是特别理想。城市燃气管道的直流干扰问题，是目前困扰管道业界的一个重大课题。牺牲阳极和强制电流是埋地钢质管道常用的两种阴极保护方式，在城市天然气管道的腐蚀与防护中，这两种阴极保护系统都有使用。牺牲阳极阴极保护的管道在受到动态直流杂散电流干扰时，干扰电流可以通过牺牲阳极泄放入大地，减缓管道的腐蚀风险；但是这种保护模式存在的问题是在管道吸收杂散电流的部位，由于牺牲阳极的存在，相当于管道防腐蚀层存在诸多漏点，所以管道吸收的直流杂散电流量也会相应增加。近年来部分业主单位在利用牺牲阳极进行直流干扰排流时，为了减少牺牲阳极吸收直流杂散电流的数量，使用单向导通的装置连接牺牲阳极与管道。该装置只允许管道通过牺牲阳极排泄电流，直流电流不能通过牺牲阳极逆流进入管道。该方法的有效性有待进一步的研究。此外因为牺牲阳极本身排流能力有限，且单向导通装置在雷暴频繁地区易于损坏，所以其应用性受到限制。

4.3.2 强制排流方法

渝中地区埋地燃气管道多样，防腐层种类众多，且管道年限较长，加之埋设管道周围的环境复杂，土壤电阻率高、干扰强度大、干扰源多等特点。渝中地区埋地燃气管道需要选择一种主动式，且对管道强干扰有充分能力来直流的手段，来治理直流杂散电流的干扰。因此，直流干扰强制排流的方法成为了渝中地区直流杂散电流干扰治理手段的最好选择。

直流干扰强制排流系统是一套自适应强制排流系统，安装在管道沿线，监测探头可自动连续监测管道上的直流杂散电流的强度，通过监测探头将监测到的数据反馈给强制排流器中心处理器控制器单元，由强制排流器杂散电流补偿和吸收单元自动完成管道上存在的杂散电流的补偿和吸收，消除管道上的直流杂散电流，保持管道上管地电位的平稳性，恢复管路各恒电位仪系统的有效工作，提高管道安全运行寿命。

强制排流需要在排流系统中加入强制排流器，强制排流器式基于电流补偿和吸收原理，利用强制排流器独特的硬件驱动电路、软件算法及高速响应和控制等特点，以FGPA多任务处理器为核心数据处理和控制单元，控制设备各单元工作。该直流杂散电流防护技术在管道电位处于正向波动的时候，强制排流器可以向管道补充电流，当管道为负向电位偏移的时候，可以通过排流地接体将管道上存在的杂散电流引回大地，以此来保持管道电位处于可控范围之内。直流杂散电流强制排流系统具备高速响应、实时在线远程通信控制、GPS授时同步中断控制等功能为一体，当管道管地电位因直流杂散电流干扰引起变化的时候直流杂散电流强制排流系统可以1MS内响应并进行控制，管地电位平稳的时候（ 如地铁造成的直流杂散电流干扰）系统自动恢复到普通恒电位仪状态。

4.4 渝中地区强制排流保护实施

以渝中区渝州路主干管为例，其管道直流杂散电流干扰源主要来源于城市地铁/轻轨交通运输系统，为最大程度验证直流杂散电流强制排流器系统在直流杂散电流干扰源下的应用效果。强制排流系统由：辅助排流接地极、强制排流器系统设备、控制电缆等组成。干扰源安装位置辅助排流接地体采用浅埋立式安装。

5结论

城区内燃气管道的杂散电流干扰治理是当前管道腐蚀与防护界内的一个难点，大部分现行的杂散电流排流保护手段都较难实现较好的排流保护效果。本次研究将一种大容量、高性能、快反应速度的强制排流的保护系统应用在渝中地区的排流保护中，取得了良好的保护效果。该套保护系统不但能够很好的实现对埋地钢质燃气管道上杂散电流的排流保护，同时也能够应用与管道的外加电流阴极保护，具有一机多能的效果。从当前研究的结果来看，该排流保护系统是值得在渝中地区、重庆地区乃至全国范围内进行推广，具有良好的经济效益和社会效应，能够保证管道的安全运行，提高燃气管道行业的管理水平。

参考文献

[1]岑康，黄夏雨，代敏雪，等.强制电流阴极保护阳极地床杂散电流干扰特性研究[J].中国安全生产科学技术， 2021.

[2]曹国民.高压直流接地极杂散电流对新建原油管道的干扰评估与防护方法[J].腐蚀与防护， 2022， 43（7）：8.

[3]尚兴彬孙丽李劲松席海宏景龙详.外加电流阴极保护中深井阳极的布置[J]. 装备环境工程， 2018， 15（8）：33-38.

[4]何鑫，李媛，刘正雄，等.重庆某输气管道地铁杂散电流干扰检测评价与防护案例研究[J].腐蚀科学与防护技术，2019.