摘　要：采用BEASY軟件模擬方法，對城鎮(zhèn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)在動態(tài)直流雜散電流干擾下的提升進行研究。對單純采用極性排流措施的情況進行模擬和測試，模擬結果與測試結果吻合較好，證明了模擬方法和模擬結果的可靠性。單純采取極性排流措施時，管道未得到有效的保護。通過對極性排流、強制排流和接地排流相結合的方案進行數(shù)值模擬，得到電位分布云圖。依據(jù)模擬結果，對原陰極保護系統(tǒng)進行改造，對改造后數(shù)據(jù)進行測試及效果分析，發(fā)現(xiàn)陰極保護系統(tǒng)得到提升，符合陰極保護標準。

關鍵詞：城鎮(zhèn)燃氣管道；  陰極保護系統(tǒng)；　極性排流；  強制排流；  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)燃氣管道多為埋地敷設，隨著城市的發(fā)展，管道運行環(huán)境越來越復雜。尤其是地鐵發(fā)展帶來的雜散電流干擾，加劇了周圍埋地金屬管道電化學腐蝕的發(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，而且會降低地鐵中以鋼為主體結構的強度和耐久性，甚至釀成災難性事故[1-3]。從已運行多年的天津地鐵周圍的燃氣管道情況來看，雜散電流干擾造成的腐蝕破壞是非常嚴重的。雜散電流越大，金屬管道的腐蝕就越嚴重，甚至有些壁厚為8～9mm的鋼管在使用短短3個月后就發(fā)生了腐蝕穿孔。

本文針對城鎮(zhèn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)存在直流雜散電流干擾的情況，通過現(xiàn)場測試、理論分析、數(shù)值模擬、雜散排流、效果評估等方法，進行管道陰極保護系統(tǒng)的直流干擾檢測、保護電位分布規(guī)律及雜散排流技術研究，在此基礎上提升改善城鎮(zhèn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)。

2　直流雜散電流排流保護

2.1　研究對象

本次研究選取了某次高壓燃氣管道的龍翔收費站閥室與鹽排閥室之間的5.5km作為試驗段(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，設計壓力為1.6MPa，運行壓力為1.5MPa，鋼管材質為L360MB，管道采用3PE+犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)進行聯(lián)合保護，并采取了極性排流措施。管道每隔250m分布一組14.5kg的高電位鎂犧牲陽極，每組陽極由2支鎂合金陽極組成，鎂陽極開路電位取-1.7V，在每組犧牲陽極處安裝1個極性排流器。極性排流器阻止直流雜散電流通過犧牲陽極引入管道，在斷開狀態(tài)時其直流漏流量小于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，敷設環(huán)境復雜。

極性排流器主要由直流單向導通電路、交流旁路電路、浪涌保護電路3路構成。極性排流器負極連接被保護的結構件(如管道)，正極連接鎂陽極。其實現(xiàn)的功能為：

①存在直流干擾時，當被保護的結構件(負極)電位低于排流地床(正極)電位時，排流器處于斷開狀態(tài)，漏電流小于1mA；當被保護的結構件(負極)電位高于排流地床(正極)電位時開始導通，導通電流達到10A時，兩端的電位差不大于0.3V，可通過的最大瞬態(tài)電流為150A。該功能通過直流單向導通電路實現(xiàn)。

②極性排流器的浪涌保護電路可通過一定的浪涌電流，保護后級電路正常工作。

③存在交流干擾時，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試與模擬

為了獲得目前管道的雜散電流排流效果，對該管段測試樁處的陰極保護電位進行測試。目前國內(nèi)城鎮(zhèn)埋地燃氣管道受軌道交通雜散電流干擾測試的研究還處于起步階段，現(xiàn)階段較常用的測試技術包括管地電位正向偏移法、檢查片腐蝕監(jiān)測、雜散電流干擾探針測試法、管地電位連續(xù)監(jiān)測、地電位梯度檢測、SCM智能雜散電流測繪儀測繪等[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)值模擬技術是利用數(shù)值計算方法(如有限元或邊界元等)求解一些物理問題(如電場、磁場、溫度場等)，從而得到數(shù)值解的一種方法。對于地鐵雜散電流和陰極保護來說，它是一個電場問題，可以通過數(shù)值模擬技術得到管道、陽極等研究對象上的電位和電流密度分布，以云圖方式顯示結果。對于已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)(即不隨時間而變化)的陰極保護系統(tǒng)，電位的分布情況可以用拉普拉斯(Laplace)方程來描述[5]。BEASY軟件是國外開發(fā)的一款基于邊界元算法的模擬軟件，可對土壤、海水等環(huán)境下的電場分布進行計算，在陰根保護的設計優(yōu)化和效果評估方面有良好的應用。采用BEASY軟件對目前的管道電位情況進行模擬研究。實測的和模擬輸入的沿線測試樁處土壤電阻、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軟件中進行管道、陽極與土壤盒的建模(見圖2)與網(wǎng)格劃分，其中土壤盒的尺寸為12km×12km×12km。

在模型建立后，對單獨使用鎂陽極極性排流的保護效果進行模擬計算，得到管道斷電電位分布云圖，見圖3。從圖3可以看出，單獨使用鎂陽極極性排流措施時，管道未達到有效的陽極保護，很大一部分管段的電位正于-850mV，處于欠保護狀態(tài)，管道最負的電位僅達到-1055.7mV。

將電位的模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比，見表2(因YZ116測試樁處的斷電電位漏測，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)場實測數(shù)據(jù)有較好的吻合性，證明了模擬方法和模擬結果是可靠的。

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備，簡單，造價低，排流效果好。但當管道的對地電位(以下簡稱管地電位)低于行走軌對地電位(以下簡稱軌地電位)時，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高于軌地電位、不會產(chǎn)生逆流的場所，而這種情況不多，限制了該方法的應用。

②極性排流法。由于電負荷的變動和變電所負荷分配的變化等，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置單向導通的二極管整流器、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，應用廣泛。

③強制排流法。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，促進排流的方法。在管地電位正負極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕性較強時，可以采用此方法。通過強制排流器將管道和行走軌連通，雜散電流通過強制排流器的整流環(huán)排放到行走軌上，當無雜散電流時，強制排流器給管道提供一個陰極保護電流，使管道處于陰極保護狀態(tài)。強制排流法防護范圍大，鐵路停運時可對油氣管道提供陰極保護，但對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，而是連接到一個埋地輔助陽極上，將雜散電流從管道上排出至輔助陽極上，經(jīng)過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，需要輔助陽極，還要定期更換輔助陽極。

通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)及運行環(huán)境，結合不同排流方法各自的優(yōu)勢及缺點，最終選擇極性排流、強制排流和接地排流相結合的方法進行雜散電流排流。由于管道和地鐵執(zhí)行標準不統(tǒng)一，且考慮乘客安全，強制排流的強制排流器的整流環(huán)并未排放到行走軌上，而是通過深井陽極地床把管道雜散電流排走。

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

模擬得到的極性排流與強制排流、接地排流相結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于-912mV，且最負電位控制在陰極保護標準所規(guī)定的最負電位-1200mV以內(nèi)，滿足相關標準的電位控制要求。在這種穩(wěn)定且較負的電位保護下，陰極保護系統(tǒng)對地鐵動態(tài)直流干擾有很強的防護效果。

通過上述模擬研究，優(yōu)選采用極性排流和強制排流、接地排流相結合的方案，對該管段進行陰極保護系統(tǒng)的提升改善。通過數(shù)值模擬，可以預測陰極保護以及雜散電流排流效果，避免盲目施工，且可以在方案中對各參數(shù)進行優(yōu)化，節(jié)約了項目成本。

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

在完成強制電流排流站的安裝調試后，使管道充分極化7d，然后對沿線測試樁的斷電電位進行全面測試。測試電位與數(shù)值模擬電位的對比見表3。由表3可知，測試電位與數(shù)值模擬電位值吻合較好，陰極保護電位滿足國家標準要求。這表明數(shù)值模擬計算優(yōu)化方案的方法可行，排流后陰極保護系統(tǒng)能得到提升和改善。

3　結論

①采用數(shù)值模擬技術能對城鎮(zhèn)燃氣管道雜散電流排流方案中的各參數(shù)進行優(yōu)化，預測評估排流效果，避免盲目施工，節(jié)約了項目成本。

②極性排流、強制排流和接地排流相結合的方法能有效提高和改善陰極保護系統(tǒng)的陰極保護效果。

參考文獻：

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本文作者：周吉祥

作者單位：深圳市燃氣集團股份有限公司