电气化铁路杂散电流对燃气管道的交流干扰腐蚀与防护措施.docx
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电气化铁路杂散电流对燃气管道的交流干扰腐蚀与防护措施
探讨埋地金属管道交流杂散电流防治技术
陈亮中国石油天然气管道局管道投产运行公司
【摘要】:
本文重点阐述了电气化铁路交流杂散电流对埋地燃气管道腐蚀基本原理,分析杂散电流特点,并根据这些特点提出对埋地燃气管道采取防护措施。
【关键词】:
电气化铁路、交流杂散电流、干扰腐蚀、管道防护
一、前言
铁路是国家重要基础设施,大众化交通工具和综合运输体系骨干,肩负着为全面建设小康社会提供运力支持,当好国民经济发展先行重任。
随着《中国铁路中长期发展规划》出台,各地纷纷兴起高铁投资热潮。
至2020年,中国将建成“四纵四横”高铁网,贯穿环渤海地区、长三角、珠三角三大城市群,这意味着,我国已正式步入高铁时代!
管道运输是当今油气工业重要运输手段,其输量大、运费少优点非常突出,为满足各地不断增长能源需求,中国许多省份也在加快速度建设天然气管道项目,天然气行业发展同时带来了机遇,省级天然气管网里程也与日俱增。
在管道与铁路设计建设过程中,不可避免出现并行、交叉、穿跨越敷设情况,埋地天然气金属管道将会受到电气化铁路交流干扰,若处理不当,将会形成较大危害。
因此,探索电气化铁路对埋地天然气金属管道干扰规律并采取相应预防措施,降低电气化铁路对埋地金属管道干扰影响,对于保证天然气管道安全、平稳运行具有十分重要意义。
以山西省太原为例,目前在建“大西铁路客运专线”以及建成“石太铁路客运专线”存在多处穿跨越或近距离平行于山西省高压天然气管道。
本文结合对“大西铁路客运专线”与山西省高压天然气管道近距离平行或交叉穿跨越路段所进行工程安全咨询评估相关研究内容以及在实际建设过程中所采取解决方案,浅析电气化铁路对钢质燃气管道交流干扰与防护技术。
二、电气化铁路牵引供电方式
我国电气化铁路采用牵引供电方式有:
有自耦变压供电(简称AT供电)、直接供电(简称TR供电)、吸流变压器供电(简称BT供电)和带回流线直接供电(简称DN供电)等供电方式。
牵引网是由馈电线、接触网、钢轨及回流线组成供电网络。
目前,在建“大西铁路客运专线”;“原平—西安段”即为正线采用AT供电方式,联络线及既有线改线部分采用带回流线直接供电方式。
最简单牵引网是由馈电线、接触网、轨道和大地、回流线构成供电网总称。
如:
(图1所示),牵引电流从牵引变电所主变压器流出,经由馈电线送到接触网后,由受电弓引入机车,而后经机车接地电刷、轮轴,沿轨道和大地、回流线流回牵引变电所。
三、电气化铁路对埋地钢质燃气管道交流干扰
3.1交流干扰产生
按照电磁场理论分析,强电线路(含电气化铁路牵引系统)对金属管道交流干扰主要是通过阻性耦合、容性耦合、感性耦合3种方式来进行。
(1)阻性耦合产生
阻性耦合主要是由于故障电流和杂散电流流过干扰源接地体,造成大地电位上升,当管道通过这个区域时,管道本身相当于远方零电位,这样就在管道上产生一个电压差,以离接地体最近为最高。
上产生一个电压差,以离接地体最近为最高。
在正常供电方式时,干扰源杂散电流一般很小,但对“二线一地”或“一线一地”供电方式,其接地极是工作电流通道,当管道靠近接地电极时,由于金属管道本身良好导电性能,管道上将有杂散电流存在。
在故障情况下,由于故障电流引起大地电位上升是很危险。
由于故障电流大,几百安培或几千安培通过接地体入地,在其周围形成一个强大电场,它可能产生电弧烧穿金属管道,击毁管道防腐绝缘层和阴极保护设备,当强大电场作用在管道覆盖层缺陷处时更会导致电弧形成,当电弧达到足够量和较长时间流通时便会造成钢管融化。
如果钢管离接地体距离太小,可能会直接引起相当于高电流电弧击穿,而钢管上覆盖层限制了电弧转移,这样,电弧作用集中在微小一块面积上,增加了融化危险。
(2)容性耦合产生
容性耦合是由于交流电场影响在导体中产生电位而形成。
容性耦合主要发生在管道施工期间,因为管道本身带有防腐绝缘层,使得输电系统相线和管道、管道和大地之间存在电容,如果输电线路和金属管道平行,管道就有可能存在容性耦合电压。
(3)感性耦合产生
感性耦合是当管道和强电线路近距离平行接近或斜接近时,当电流在一条相导线中流动时,在导线周围即可产生交变磁场,该磁场作用在管道上产生干扰电压。
在三相输电系统中,若三相电流相等,且三相架空导线与管道轴线距离相等,则在管道上产生综合感应电压为零。
但在大多数结构中,三相导线与管道是不对称,管道中会形成一定感应电压。
感应电压大小和平行于强电线路管道长度、输电线路不平衡电流大小、输电线路频率、导线和线路距离、管道覆盖层电阻、管道周围土壤电阻率、管道纵线电阻、干扰源系统性质等有关。
根据上述分析,当管道埋入地下后,电气化铁路对钢质燃气管道容性耦合干扰可以忽略不计,只存在着一定程度阻性耦合干扰和感性耦合干扰。
3.2交流干扰危害
交流电力线路对埋地钢制燃气管道电磁影响主要涉及对人身安全影响、对管道及其阴极保护设备安全影响以及对管道交流腐蚀等问题。
3.2.1对人身安全影响
当管道与交流输电线路接近且输电线路正常运行时,线路中工作电流会通过磁耦合长时间在管道上产生纵向感应电动势,使得金属管道对地电压升高。
若该电压较高,可能影响施工、维修或测量人员正常工作,当交流输电线路发生短路故障时,产生交流干扰可能危及人身安全。
3.2.2对管道安全影响
在管道金属表面一般都会敷设防腐层,具有较高电阻和较高介电常数,以防止土壤中有害物质腐蚀金属管道。
当交流输电线路发生短路故障时,短路电流通过感性耦合和阻性耦合综合影响在管道上产生较高对地电压,可能击穿防腐层。
3.2.3对管道阴极保护设备影响
在管道上设置阴极保护设备是为避免防腐层漏敷及破损处金属表面产生腐蚀。
交流输电线路正常运行情况下,工作电流通过感性耦合在油气管道上产生电压,可能干扰强制电流阴极保护恒电位仪和牺牲阳极阴极保护牺牲阳极正常工作。
例如:
强制电流阴极保护KKG-3型和KKG-3BG型恒电位仪抗交流干扰能力分别为12V和30V;牺牲阳极阴极保护镁牺牲阳极抗交流干扰能力为10V。
这在目前新建管道已经几乎不适用。
3.2.4管道交流腐蚀
研究表明,管道交流腐蚀主要发生在绝缘性能较高涂层上。
铺设在同一环境下管道,当管道外防腐层选用石油沥青等级别防腐层时,即便有交流干扰电压产生,一者是由于其绝缘性能较低,所以干扰电压不会太高,另一方面则由于管道防腐层上所存在较多漏点而会使感应交流电压随时排入地下,因此,管道反而不会产生交流腐蚀。
近几年国外腐蚀调查报告中与研究文献中,每年都有大量有关交流腐蚀导致管线腐蚀报道与案例。
在国内管道中,也同样存在交流腐蚀及电磁耦合对管道监测设施与阴极保护设施带来危害案例。
但是关于交流腐蚀机理,目前尚未有统一解释。
国外研究表明,交流电流密度是决定交流腐蚀一个主要因素而不是平常交流电压。
虽然交流电流腐蚀可以通过提高阴极保护保护电位得到抑制,在交流干扰下,阴极保护电位应控制在什么水平目前仍存在争议。
之前,一般认为根据行业标准施加阴极保护,能有效控制交流腐蚀。
然而最近国内外发现,虽然阴极保护电位有效在标准规定范围内,但由于交流干扰存在,管道仍发生了腐蚀。
研究还表明,但当交流电流密度较大时,增加阴极保护保护电位可能导致PH值增加,减小涂层缺陷处接触电阻,可能导致相反作用——即加速腐蚀,其发生腐蚀风险越高,与一般理论相反。
四、西气东输交流干扰腐蚀实例
西气东输管道宁陕西段管道在宁-GX-18~宁-GX-65约52km管段上受到来自包兰电气化铁路交流干扰,ECDA直接评价过程中,开挖检测验证点NS-39位于该区域宁-GX-59测试桩上游约104.6m处,防腐层缺陷发生在弯头FBE涂层上,时钟位置为12点,磕伤形状为长形3.0cm,黄褐色锈迹从FBE涂层下渗出,清除松动涂层后管体有黑色腐蚀产物,并呈现椭圆形腐蚀坑,蚀坑面积为1.2×0.6cm2,蚀坑深度0.9mm。
开挖检测时测得交流干扰电位为23V,管道保护电位为-1.11~-1.16V。
该地段土壤电阻率为18.85Ω·m
五、埋地钢质燃气管道交流干扰判断指标
能最直接反映出电气化铁路对埋地钢质燃气管道交流干扰腐蚀是交流杂散电流大小,但由于实际条件限制,电气化铁路交流杂散电流无法直接测出。
因此,管道受干扰腐蚀程度主要判据为管地电位差、土壤电位梯度,该方法称为电气判别法。
其中管地电位是最重要参数,因为它既可以反映管道腐蚀特性,又可以反映杂散电流干扰特性。
在没有增加电流源情况下,管地电位提高是杂散电流进入点迹象,管地电位下降通常为杂散电流放电点指示。
通过电压测量发现管地电位不稳定、管地电位严重偏离正常值或土壤电位梯度反常等问题时,说明有杂散电流存在,并通过土壤电位梯度能够分析出杂散电流流入、流出点及电流大小。
对电气化铁路而言,管地电位随机车负荷变化,机车运行时管地电位交变激烈,但深夜时波动可能明显减弱。
阴极保护系统等干扰比较稳定,所以,引起管地电位变化亦很稳定,在机车停运时,干扰则消失。
因此,埋地管道受到干扰与否,通常用管地电位变化来进行判定。
我国标准中规定:
对于交流干扰,当管道任意点上管地电位持续1V以上时,确定为存在交流干扰;当中性土壤中管道任意点上管地交流电位持续高于8V、碱性土壤中高于10V或酸性土壤中高于6V时,管道应采取交流排流保护或相应其它保护措施。
具体干扰程度判定指标见表1。
表1埋地管道交流干扰判定指标
另外,土壤中若存在大量杂散电流,必然会引起大地电位梯度变化。
因此,可根据地电位梯度来判定土壤中是否存在杂散电流及其严重程度,并据此推断管道受干扰可能性。
地电位梯度与杂散电流干扰强度关系见表2。
表2地电位梯度与杂散电流干扰强度关系
六、交流干扰防护措施
6.1相关规范及标准
目前,国内已制定管道交流干扰保护相关规范及标准,在电气化铁路和埋地钢质管道建设过程中主要采用技术标准如下:
《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》SY/T0032-2000、《交流电气化铁道对油(气)管道(含油库)影响容许值及防护措施》TB/T2832-1997、《油气管道管理与维护规程》(Q/SYGD0008-2001)、《钢质管道穿越铁路和公路推荐做法》SY/T0325-2001、《原油、天然气长输管道与铁路相互关系若干规定》(石油部(87)油建第505号文、铁道部铁基(1987)780号文)、《城镇燃气设计规(GB50028-2006)、《输气管道工程设计规范》(GB50251-2003)及《石油库设计规范》(GB50074-2002)。
6.2防护措施
总体来说,对交流干扰防护,铁路方面可采取尽量减少电流流失相关措施;管道方面可采取屏蔽、分段隔离、直接接地、钳位式排流等综合治理措施。
目前,对交流干扰防护已向干扰方、被干扰方及其他有关方面按“四统一分”(统一测试、统一设计、统一管理、统一评价、分别实施)原则联合防护方向发展。
6.2.1尽量避开被干扰对象
在新建电气化铁路线路方案设计过程中,应以满足铁路功能定位为前提,合理选择走向,优化线路方案,尽量避开地埋金属管道,尤其是诸如西气东输这样长大干线管道。
一般认为,交流电气化铁路杂散电流干扰判据如下:
(1)管道与交流电气化铁路牵引系统距离大于1000m时,接近长度不受限制,认为不受干扰;
(2)管道与交流电气化铁路牵引系统距离小于1000m时,如果两者接近长度小于1000m,或接触网上电流不超过400A,发生短路事故时不超过10000A,则认为不受干扰。
如果接近长度在1000m到3000m之间,在满足上述条件同时,当管道距牵引变电所围墙大于50m,距接触网支柱大于10m时,也可认为管道不受干扰。
6.2.2防护措施
随着电气化铁路和燃气管道建设里程增加,以及受到地理环境制约,不可避免会发生电气化铁路与管道平行接近或交叉,那么必须要有针对杂散电流对管
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- 电气化铁路 电流 燃气 管道 交流 干扰 腐蚀 防护 措施