慕進(jìn)良　王成　

西部管道塔里木輸油氣分公司

西部某原油管道總里程475 Km，管道材質(zhì)API 5L X65，管徑610.0 mm，壁厚7.1 mm，外防腐層材質(zhì)為3PE。在日常檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該管道與某交流電氣化鐵路（2015年初建成并正式通車(chē)，總里程334.1 km，雙線(xiàn)一級(jí)，沿線(xiàn)有8座牽引變電站，客貨混運(yùn)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度160 km/h，每日開(kāi)行列車(chē)約40對(duì)）距離較近的管段，當(dāng)機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)，管道交流干擾電壓出現(xiàn)瞬間升高的情況。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，管道與電氣化鐵路間距不足1 km的近距離并行管段長(zhǎng)度約80 km,部分管段間距不足50 m。為此，管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)按照GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓進(jìn)行了24 h連續(xù)檢測(cè)，以評(píng)價(jià)電氣化鐵路對(duì)并行段管道的交流干擾程度，分析其影響規(guī)律。

1  電氣化鐵路供電方式及特點(diǎn)

該交流電氣化鐵路采用工頻單相25 kv交流制供電方式，其工作方式為：將外部供電網(wǎng)的110 kv高壓交流電經(jīng)牽引變電站轉(zhuǎn)換為25 kv工頻單相交流電，通過(guò)饋電線(xiàn)輸送至接觸網(wǎng)，電力機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓引入電流后，通過(guò)鋼軌及回流線(xiàn)回流至牽引變電所。因鋼軌在地面敷設(shè)，鋼軌中的回流電流不可避免的會(huì)有一部分通過(guò)大地作為回路并最終流回牽引變電站，如圖1所示。

圖1 交流電氣化鐵路供電方式

電氣化鐵路的電力牽引負(fù)荷具有以下特點(diǎn)：

（1）非線(xiàn)性。電力機(jī)車(chē)產(chǎn)生的電力牽引負(fù)荷為諧波型，每臺(tái)機(jī)車(chē)的功率都很大，大多數(shù)時(shí)間同一供電臂上會(huì)同時(shí)運(yùn)行2~3臺(tái)電力機(jī)車(chē)，產(chǎn)生高達(dá)25 %~30 %的諧波電流畸變率。

（2）不對(duì)稱(chēng)性和單相獨(dú)立性。對(duì)于三相對(duì)稱(chēng)的電力系統(tǒng)而言，采用單相整流負(fù)荷的電氣化鐵路會(huì)產(chǎn)生大量負(fù)序電流，具有不對(duì)稱(chēng)性與單相獨(dú)立性。

（3）波動(dòng)性。由于電力機(jī)車(chē)的電壓不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷電流大幅度劇烈波動(dòng)，甚至?xí)�出現(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)從零躍升或是跌落至零。

（4）相位分布廣。單相整流負(fù)荷產(chǎn)生的諧波向量可以出現(xiàn)在復(fù)平面的四個(gè)象限之上，并且分布廣泛而均勻。

2  交流電氣化鐵路對(duì)管道干擾方式

 交流電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)管道的干擾方式主要有電容性耦合、電感性耦合和電阻性耦合3種。電容性耦合主要產(chǎn)生在管道施工期間，在本次評(píng)價(jià)中可不予考慮；本次評(píng)價(jià)主要考慮管道與電氣化鐵路長(zhǎng)距離并行或斜接近時(shí)所產(chǎn)生的電感性耦合干擾及管道靠近變電站的接地極或與電氣化鐵路交叉、接近時(shí)產(chǎn)生的電阻性耦合干擾。

3  交流干擾的測(cè)試方法及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

   交流干擾導(dǎo)致的管道腐蝕與交流電流密度有直接關(guān)系，交流電流密度可按下式計(jì)算：

 式中：—評(píng)估的交流電流密度（A/m2）；—交流干擾電壓有效值的平均值（V）；

—土壤電阻率（Ω·m）；—破損點(diǎn)直徑（m）。

（注：值應(yīng)取交流干擾電壓測(cè)試時(shí)測(cè)試點(diǎn)處與管道埋深相同的土壤電阻率實(shí)測(cè)值；值按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0.0113。）

管道受交流干擾的程度可按表1所列判斷指標(biāo)進(jìn)行判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標(biāo)

根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，當(dāng)交流干擾程度判定為“強(qiáng)”時(shí)，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“中”時(shí)，宜采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“弱”時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

由此可見(jiàn)，評(píng)價(jià)管道交流干擾程度需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量管道交流干擾電壓有效值的平均值及管道埋設(shè)環(huán)境的土壤電阻率。

土壤電阻率采用“四極法”（溫納法）測(cè)量，測(cè)量時(shí)四支電極不能置于管道正上方，以免產(chǎn)生測(cè)量誤差。

本次評(píng)價(jià)過(guò)程中，采用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)管道交流干擾電壓進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，采樣頻率為10 s/次，采樣精度為±20 mV。采集的交流干擾電壓數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)芯片內(nèi)，并可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期分析和處理。測(cè)量點(diǎn)干擾電壓的最大值、最小值，從已記錄的各次測(cè)量值中直接選擇。平均值按下式計(jì)算：

式中：U_P —測(cè)量時(shí)間段內(nèi)測(cè)量點(diǎn)交流干擾電壓有效值的平均值（V）；—測(cè)量時(shí)間段內(nèi)測(cè)量點(diǎn)交流干擾電壓有效值的總和（V）；n—測(cè)量時(shí)間段內(nèi)讀數(shù)的總次數(shù)。

4  測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)管道與電氣化鐵路近距離并行的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)（間隔1 km）均采用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行24 h交流干擾電壓連續(xù)檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)交流干擾最大值、最小值及平均值數(shù)據(jù)，并繪制了電壓-里程曲線(xiàn)圖，如圖2所示。

圖2 交流干擾電壓-里程分布曲線(xiàn)

    045、054、105三處具有典型特征測(cè)試點(diǎn)的基本信息如表2所示。

表2 各測(cè)試點(diǎn)基本信息

    3處測(cè)試點(diǎn)24 h連續(xù)檢測(cè)得到的交流干擾電壓數(shù)據(jù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖3 045測(cè)試點(diǎn)24 h交流干擾曲線(xiàn)圖

圖4 054測(cè)試點(diǎn)24 h交流干擾曲線(xiàn)圖

圖5 105測(cè)試點(diǎn)24 h交流干擾曲線(xiàn)圖

根據(jù)以上測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)電氣化鐵路對(duì)該管道的交流干擾具有以下特點(diǎn)。

（1）上述3處測(cè)試點(diǎn)管道所受交流干擾呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，管道感應(yīng)交流電壓的變化規(guī)律與列車(chē)運(yùn)行規(guī)律具有明顯的相關(guān)性。當(dāng)不同載重量的貨運(yùn)、客運(yùn)列車(chē)通過(guò)時(shí)，交流干擾的峰值電壓各不相同，載重量較大的貨運(yùn)列車(chē)通過(guò)時(shí)往往峰值電壓較高。這表明電氣化鐵路對(duì)管道的干擾與其負(fù)載有明顯的相關(guān)性，負(fù)載越大，交流干擾越嚴(yán)重。

   （2）045測(cè)試點(diǎn)距離鐵路較近，僅52 m�，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電力機(jī)車(chē)通過(guò)該測(cè)試點(diǎn)附近時(shí)，垂直于管道向鐵軌方向20 m處測(cè)得的最大交流電位梯度達(dá)35 V。由圖3中的24 h交流干擾曲線(xiàn)圖也可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電力機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)，管道交流干擾電壓瞬間達(dá)到峰值；當(dāng)電力機(jī)車(chē)遠(yuǎn)離后，管道交流干擾電壓瞬間回落。這表明電阻性耦合是電氣化鐵路對(duì)045測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生交流干擾的主要原因。

   （3）054測(cè)試點(diǎn)距離鐵路距離較遠(yuǎn)，為571 m�，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電力機(jī)車(chē)通過(guò)該測(cè)試點(diǎn)附近時(shí)，垂直于管道向鐵軌方向20 m處測(cè)得的最大交流電位梯度為0.7 V。由圖4中的24 h交流干擾曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干擾從剛發(fā)生、達(dá)到峰值并回落至無(wú)干擾的時(shí)間段內(nèi)，管道交流干擾電壓變化相對(duì)緩慢。故電氣化鐵路對(duì)管道的電阻性耦合不是054測(cè)試點(diǎn)受到交流干擾的主要原因。

（4）105測(cè)試點(diǎn)距離鐵路距離較遠(yuǎn)，為1 083 m,但附近存在一處鐵路牽引變電所�，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，測(cè)試點(diǎn)附近至牽引變電所方向存在明顯的交流電位梯度。由圖5中的24 h交流干擾曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，105測(cè)試點(diǎn)的交流干擾時(shí)間更長(zhǎng)，干擾頻度明顯比045、054測(cè)試點(diǎn)大，交流干擾變化的規(guī)律也與電力機(jī)車(chē)是否通過(guò)測(cè)試點(diǎn)附近不具有明顯的相關(guān)性。由圖1交流電氣化鐵路供電方式可知，電力機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)大部分電流通過(guò)鐵軌回流至牽引變電站，牽引變電站接地網(wǎng)作為交流雜散電流的集中匯流點(diǎn)，地面交流電位梯度相較回路中其他位置會(huì)表現(xiàn)得更加明顯。因此，只要電力機(jī)車(chē)處于牽引變電站的供電回路范圍中，就可對(duì)105測(cè)試點(diǎn)造成明顯的干擾，且交流干擾時(shí)間更長(zhǎng)、頻度更大，故電氣化鐵路對(duì)管道的電阻性耦合也是對(duì)105測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生交流干擾的主要原因。

（5）由圖2可以看出，各測(cè)試點(diǎn)交流干擾電壓24 h平均值均小于4 V，但部分測(cè)試點(diǎn)的峰值電壓較高，最高達(dá)到28 V。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50698的規(guī)定，平均交流干擾電壓小于4 V，可不采取防護(hù)措施，但因峰值電壓較高，仍可能威脅現(xiàn)場(chǎng)管道操作人員的安全。

5  結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電氣化鐵路近距離并行對(duì)輸油管線(xiàn)交流干擾的檢測(cè)與分析，得出以下結(jié)論。

（1）油氣管道受交流雜散電流干擾規(guī)律與電氣化鐵路運(yùn)行規(guī)律具有明顯的相關(guān)性，電力機(jī)車(chē)功率越大，對(duì)附近管道的交流干擾越大。

（2）油氣管道與電氣化鐵路近距離并行時(shí)，鐵路與管道之間的電阻性耦合是對(duì)管道產(chǎn)生交流干擾的主要原因，電容性和電感性耦合現(xiàn)象不明顯。距離電氣化鐵路較遠(yuǎn)，無(wú)地電場(chǎng)影響的管段受到的交流干擾主要是交流干擾傳導(dǎo)導(dǎo)致的。

    （3）距離鐵路牽引變電站較近的管段，表現(xiàn)出交流干擾時(shí)間更長(zhǎng)、頻度更大、干擾變化規(guī)律與電力機(jī)車(chē)運(yùn)行情況相關(guān)性不明顯的特點(diǎn)，作為交流雜散電流的主要流出點(diǎn)，應(yīng)作為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域采取交流排流防護(hù)措施。目前普遍采用的交流排流方式為固態(tài)去耦合器接地排流法,既經(jīng)濟(jì)實(shí)用，又不影響現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)。

（4）為保證管道操作人員的人身安全，建議在峰值電壓大于15 V的測(cè)試點(diǎn)設(shè)置均壓柵等防護(hù)裝置，使地表與管道保持同一電壓，從而消除接觸電壓和跨步電壓，避免潛在的觸電風(fēng)險(xiǎn)。 

作者：慕進(jìn)良，男，1973年生，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），工學(xué)學(xué)士，工程師，中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司副經(jīng)理，從事油氣管道管理工作。

《管道保護(hù)》2017年第1期（總第32期）