当前，国内外已经出现了多起电气化铁路对埋地输油气管道产生交流干扰腐蚀的案例。交流干扰不仅会使埋地管道发生交流腐蚀，而且会损坏管道设备，甚至危及人身安全。

秦沈客运专线对铁秦线管道产生的交流干扰电压最高达167 V。相对于普通电气化铁路，高铁所需的电流更大，其对管道产生的交流干扰问题更加复杂和严重。高速铁路的牵引供电系统采用钢轨和大地作为回流线，流入大地的交流电流会以电阻耦合的方式对附近埋地金属管道产生交流干扰；另一方面，轨道上方的牵引供电线也能通过感性耦合的方式使临近的金属管道产生交流感应电流和电压，导致埋地管道防腐层破损处发生交流腐蚀，引起埋地输油气管道快速穿孔失效。

京沪高铁途经中国社会经济发展活跃的地区，受地理空间资源的限制，京沪高铁山东段与某输油管道处在共同的交通走廊内。管道运营公司日常检测发现该输油管道的最高交流干扰电压达到46 V，超过了GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中安全电压限值不超过15 V的要求。

由高铁导致的管道间歇性交流干扰问题，国内外目前尚无针对性评价准则，因此，国家石油天然气管网集团和北京科技大学新材料技术研究院的技术人员对该管道进行了交流干扰全面检测，在此基础上采用数值模拟技术评估了京沪高铁对该管道交流干扰影响的分布规律，设计了针对性的缓解措施，并对最终的排流缓解效果进行了后评价，以期为其他同类问题的解决提供借鉴。

京沪高铁与管道的基本信息

京沪高铁采用AT供电方式，即在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。每隔约10 km设置一台自耦变压器，这种方式能将牵引网的供电电压提高一倍，而供给电力接车的电压仍为27.5 kV。

高铁列车由接触网(T)受电，牵引电流一般由钢轨(R)流回，由于自耦变压器的作用，钢轨上的回流电经自耦变压器绕组和正馈线(AF)流回变电所。其工作原理如图1所示。

图1 高铁AT供电方式的工作原理示意

为了降低回流电流对铁路沿线设备和设施产生的电磁影响，高铁一般采用综合接地系统。在综合接地系统中，建筑物、构筑物及设备在贯通地线接入处的接地电阻不应大于1 Ω。沿铁轨敷设的贯通地线每隔500 m横向连接一次。每个桥墩单点接地电阻不大于10 Ω。

某成品油管道管径为Φ355.6 mm，壁厚7.1 mm，平均埋深1.8 m，管道为X60钢，设计压力8 MPa，采用外加电流阴极保护和环氧粉末(FBE)防腐蚀层联合防护。本工作中输油管道与京沪高铁交叉并行轨迹如图2所示。

图2 管道与京沪高铁并行交叉段的卫星图

管道所受交流干扰情况

1 交流干扰的测试方法

交流干扰测试遵循GB/T 50698—2011和GB/T 21246—2020的规定，使用uDL1和uDL2数据记录仪对干扰强度较大的管段（测试桩K320-K369处管段）进行24小时连续监测，采集阴极保护电位、交流干扰电压和试片的电流密度等参数，数据采集频率为1 Hz。在测试桩位置采用温纳四极法测试土壤电阻率，测试深度为2 m，测试仪器为ZC-8土壤电阻率测试仪。

交流干扰严重程度和缓解效果评估遵循GB/T 50698—2011和新版交流腐蚀行标SY/T 0087.6—2021《钢质管道及储罐腐蚀评价标准 第6部分：埋地钢质管道交流干扰腐蚀评价》规定的交流腐蚀评价准则：

(1) 当交流电流密度≤30 A/m2时，交流腐蚀速率低，可不采取干扰缓解措施；

(2) 当30 A/m2<交流电流密度<100 A/m2时，则应满足-1.15 VCSE≤管道极化电位≤-0.90 VCSE或阴极保护电流密度≤1 A/m2，且EIR-free≤-0.90 VCSE。

(3) 当交流电流密度≥100 A/m2时，交流腐蚀速率高，应采取干扰缓解措施。

2 测试结果

图3 K320至K369管段24小时交流电压监测结果

由图3可见：该管段的交流干扰波形特征为白天高铁运行期间，管道遭受间歇冲击型交流干扰，最高交流干扰电压可达几十伏特，评估结果为强干扰；而在夜间高铁停运期间，管道交流干扰电压很低，不足白天峰值的10%，评估结果为弱交流干扰。基于管道交流电压变化情况与高铁运行情况的一致性，得出该管道K320至K369段的交流干扰源主要为京沪高铁。

图4 管段的交流电压最大值、平均值和最小值分布情况

由图4可见：受交流干扰最严重的管段集中在K323至K340测试桩之间，此段管道交流干扰电压最大值达到46 V，交流干扰电压平均值大于4 V。由图2可见，此段管道与京沪高铁并行，最小距离约为150 m，进一步证明了管道遭受的交流干扰主要来自京沪高铁。K347至K369段之间的管道与京沪高铁的距离较远，管道遭受的交流干扰也较小。

现场监测试片（1 cm2）的交流电流密度最大值超过300 A/m2，K323至K340测试桩之间管段的最大交流电流密度均超过100 A/m2。根据GB/T 50698—2011标准计算各个测试点24小时内交流电流密度平均值为30～50 A/m2，这是因为24小时的监测数据中含有高铁停运期间数据，造成计算得到的交流电流密度值偏小，这说明使用现行稳态交流干扰标准去评价高铁造成的冲击型交流干扰，结果偏乐观。

交流干扰测试结果表明，K323-K340测试桩位置管段的交流干扰程度为强干扰，应进行交流干扰缓解。

数值模拟评估与排流设计

为进一步明确京沪高铁对管道的交流干扰分布规律，保证排流设计的合理性，使用CDEGS软件建立了高铁对管道的交流干扰计算模型，如图5所示。高铁牵引供电系统、钢轨、接地系统和管道系统均使用现场收集的实际参数，平均土壤电阻率为23 Ω·m，高铁运行过程中，上、下行机车电流分别为318 A和712 A。

图5 交流干扰计算模型

计算发现，当上行和下行机车均位于匡庄AT变电所附近位置时，交流干扰强度最大。高铁对管道的交流干扰电压分布如图6所示。双机车运行时干扰最大，其次是下行机车，最后是上行机车，说明机车运行电流越大，对管道的交流干扰影响越大。

图6 双列车行驶时管道的交流干扰电压分布情况

由图6可见：双机车运行时，遭受交流干扰最大的管段为K323-K336测试桩间，最大交流干扰电压为46.7 V，数值模拟结果与现场检测结果基本吻合。数值模拟计算得到的干扰电压和电流密度均超过标准规定的15 V和100 A/m2限值条件，管道应采取交流干扰缓解措施。

控制交流腐蚀的典型方法是在关键位置提供接地极，将交流电流的释放点从管道上转移到接地电极上。常用的管道交流干扰缓解方法为固态去耦合器加锌带排流方法，根据管道最大干扰电压进行缓解设计，通过不断调整锌带长度及敷设位置，计算得到管道排流点数量以及最终缓解效果。该管道所在区域主要地形为农田，为了减小排流施工对农田庄稼的影响，采用安装深井阳极方法，每个排流点在垂直管道距离4 m和8 m的位置开挖两口30 m深的深井，锌带型号为ZR-2，3根锌带并联捆扎后放入深井中。计算过程中，随着锌带敷设长度和位置的增加，管道沿线交流干扰强度明显减小，当管道上安装敷设8处锌带时，最大干扰情况下管道沿线干扰电位分布如图7所示。安装排流地床的位置分别为K325、K327、K330、K332、K335、K339、K344、K350测试桩处。

图7 安装8处排流设施后的管道电位分布

由图7可见：安装排流地床后，管道最大干扰电压为7.34 V，满足15 V的人身安全电压限值要求。并且计算得到电流密度数值均小于30 A/m2，结合管道阴极保护断电电位为-0.96 V，判断管道受到的交流干扰腐蚀风险为弱，达到缓解目标，确定该方案为缓解方案。

缓解效果后评价

排流地床投入使用后，根据GB/T 50698—2011和GB/T 20246—2020标准规定的测试方法再次对交流干扰强度进行了测试。

首先测试了单个排流地床的排流效果，对K323测试桩位置的排流地床进行了固态去耦合器连接和不连接管道情况下的排流效果试验，两种状态分别持续监测24小时，该处排流地床接地电阻为0.75 Ω。

图8 固态去耦合器连接与不连接管道交流电压对比图

由图8可见：当固态去耦合器与管道连接时，管道最高交流干扰电压为5.8 V；断开时，管道最大交流干扰电压达为26 V；说明排流地床缓解干扰能力达到78%。排流地床较好地缓解了干扰，显著降低了交流干扰的腐蚀风险和对人的潜在电击伤害。

后评价发现若排流地床接地电阻大于1.5 Ω，缓解干扰能力低于50%，在管道上的影响距离也大大缩短。一般情况下，若排流地床接地电阻小于1 Ω，则每2~3 km设置一处排流地床就能起到较好的缓解效果，但若施工位置土壤电阻率高或者填包料安装不均匀导致地床接地电阻大于1.5 Ω时，缓解效果将不如预期，需要加密设置排流地床。

图9 管道排流前后交流干扰电压平均值对比

由图9可见：经过排流，管道的交流电压大幅度下降，排流效果良好，有效解决了管道的交流干扰问题。

结论

(1) 高铁导致的间歇性交流干扰问题，目前国内外尚无针对性评价准则，依据GB/T 50698—2011标准进行评价会导致结果偏乐观，这主要是由于引入了高铁停运期间的无干扰数值，导致平均电流密度变小。

(2) 排流地床的接地电阻应小于1.5 Ω，否则排流效率低，无法达到预期的缓解效果。因此在无法降低排流地床接地电阻的情况下，需要设置更多的排流地床。

(3) 数值模拟能够明确高铁对管道的交流干扰电压分布规律，并且可以有效解决排流地床的设计问题。