随着经济的发展,城市规模越来越大,城市交通问题凸显,越来越多的城市开通地铁以缓解交通压力。由于空间限制,油气管道的建设不可避免会与地铁临近,而地铁牵引系统泄漏的直流电流,会影响管道阴极保护系统的正常运行,甚至还会导致管道腐蚀穿孔,输送介质泄漏[1-4]。 

固态去耦合器有“通交流阻直流”的性能,能为交流电流提供低阻抗通道,同时又可以在正常工况下阻断直流电流,维持阴保系统的运行[5],因此常用于管道的交流干扰防护中。但是固态固态去耦合器实现“阻直流”特性的前提是满足其阈值,而在管线遭受动态直流干扰时,管道电位会严重偏负或者偏正,有可能会超出固态去耦合器的阈值限制,当耦合器超出限制后,会将直流杂散电流引入或者排出,如果电流从管道表面流向土壤,就会导致管道发生腐蚀[6-8]。 

作者以地铁周边某段管道作为研究对象,测试分析动态直流干扰下,固态去耦合器（排流器）的电流行为与受动态直流干扰的影响程度,以便为行业提供参考与借鉴。 

1.   管线基本情况与测试方法

1.1   管线基本情况

该段管道长约50 km,管径设计压力10 MPa,管径ϕ1 016 mm,全线采用X70直缝埋弧焊钢管,壁厚17.5~26.2 mm,采用强制电流方式提供保护,距离上、下游阴保分别为42 km和3 km。管线与阴保站位置关系如图1所示。 

图  1  检测管段与上下游阴保站的距离

Figure  1.  Distance between detection pipe section and upstream and downstream cathodic protection station

研究管段处于ZJ-278测试桩与ZJ-344测试桩之间,长约50 km, ZJ-278至ZJ-344测试桩之间分布有28处固态去耦合器的交流排流装置,且该管段距离多条地铁较近,日常检测中发现白天电位波动幅度较大,夜间电位平稳,管段受到地铁动态直流干扰。 

该管段所用固态去耦合器的设备参数如下：冲击电流容量为100 kA,故障电流≥3 500 A,稳态电流为45 A,隔离电压（1 mA）为-2 V/+2 V,即本管段所用固态去耦合器的导通阈值电压为-2 V/+2 V。 

隔离电压即直流导通阈值是固态去耦合器设备数据中的一项重要参数[6]。以常用的导通阈值-2 V/+2 V为例说明导通电压的意义。对于阈值-2 V/+2 V的交流排流器,当管道电位偏正,与排流地床电位差值>+2 V时,电流由管道通过排流器流向排流地床,实现直流排流功能,此情况称为正向导通,起到排流的作用；当管道电位偏负,与排流地床电位差值<-2 V时,电流由排流地床通过排流器流向管道,管道中引入杂散电流,会增加其他位置杂散电流的流出,对管道其他位置杂散电流的缓解起到了负面影响,此情况称为负向导通,会引入直流杂散电流。正向导通和负向导通示意如图2所示。 

图  2  固态去耦合器的导通示意

Figure  2.  Conduction diagram of solid-state decoupling: (a) forward conduction; (b) negative conduction

通常,当有直流杂散电流进入管道时,直流杂散电流必定会在管道某一位置流出,在流出位置形成腐蚀。因此,固态去耦合器负向导通,应尽可能避免引入直流杂散电流。 

1.2   固态去耦合导通直流电流的监测方法

交流排流器中的电流监测方法：在交流排流回路中串入分流器,其电阻值为R,利用数据记录仪监测分流器两端直流电压差U,则根据欧姆定律,回路中直流电流为U/R。数据记录仪采集频率为1 s/次。监测方法示意见图3。 

图  3  交流回路中电流监测示意

Figure  3.  Schematic diagram of current monitoring in AC drain circui

2.   结果与讨论

2.1   管道动态干扰现状

采用管道电位数据记录仪检测管道电位,采用铜/硫酸铜参比电极,采集频率1 s/次,管道电位监测数据结果见表1。 

对于动态直流杂散电流干扰评价,目前行业内多依据澳大利亚标准AS2832.1-2015 Cathodic Protection of Metals-pipes and Cables,该标准要求长时间记录管道的阴极极化电位,并按照埋地金属受杂散电流极化时间的长短分为短时间极化和长时间极化。对于短时间极化且涂层性能良好的埋地金属建筑物,电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的5%；正于保护准则+50 mV（对应钢铁构筑物电位为-800 mV）的时间不应超过测试时间的2%；正于保护准则+100 mV（对应钢铁构筑物电位为-750 mV）的时间不应超过测试时间的1%；正于保护准则+850 mV（对应钢铁构筑物电位为）的时间不应超过测试时间的0.2%。测试管段采用3PE涂层,且涂层性能良好,由表1可见,ZJ-301至ZJ-305测试桩管段不符合标准要求。 

以电位波动较大的ZJ-305测试桩为例,其电位数据如图4所示,本段管道的管道电位为白天电位波动,夜晚（地铁停运时间段内）电位稳定,符合动态直流杂散电流干扰的特征。 

图  4  ZJ-305测试桩处电位监测数据

Figure  4.  Data chart of potential monitoring at ZJ-305 test pile

依据依据AS 2832.1-2015《金属的阴极保护,第一部分：管道和电缆》标准,根据电位监测结果：ZJ-301至ZJ-305测试桩管段的断电电位不符合标准,该管段也是通电电位波动较大的管段,通电电位为-5~2 V。 

2.2   直流电流

本次监测10处采用固态去耦合器排流的交流排流设施中的直流电流,监测结果见图5、负向电流统计结果见图6。 

图  5  交流排流回路中直流电流监测图（电流为正值表示正向导通,电流为负值表示负向导通）

Figure  5.  Monitoring diagram of DC current in AC drainage circuit (positive current means positive conduction, and negative current means negative conduction)

图  6  测试桩处负向电流最大值、最小值和平均值

Figure  6.  Maximum, minimum, and average negative current at the test pile

由图5可见：在641 km+139 m、644 km+586 m、661 km+361 m三处排流桩位置,正向与负向电流均较大,其中644 km+586 m处负向电流最大可达到4.4 A。其余7处排流桩正向与负向电流均比较小,均不超过0.5 A,在每个监测周期的0点至6点,非动态直流干扰时间段内（此时间段地铁停运）,管道电位几乎没有波动,且基本无负向电流与正向电流,这表明此种电流并非全部是回路中直流导通引入的动态直流干扰电流,有部分是管道电位的动态波动引起的排流器电容充放电造成的,而此种负向电流对管道的阴保电位干扰影响不大。 

由图6可见：641 km+139 m、644 km+586 m两处排流桩负向电流平均值较大,这两处排流桩位于ZJ-301至ZJ-305管段之间,644 km+586 m处排流器与ZJ-305测试桩仅相距1 m,与2.1节中动态直流干扰导致电位不符合标准的管段一致。 

2.3   断开所有排流器后管道受干扰情况

断开该管段所有排流器后,再次监测管道电位,对比断开排流器前后管道的受干扰情况。由表2可见：ZJ-301至ZJ-305测试桩管段的排流器断开后,ZJ-301、ZJ-303测试桩的断电电位满足标准,ZJ-305测试桩处不满足标准的数据占比也明显下降。这表明断开交流排流器能够减缓管道受动态直流干扰的程度。 

2.4   负向导通大阈值排流器的应用效果

选取2.2节中负向电流较大的644 km+586 m处的排流设施,将原-2 V/+2 V固态去耦合器更换为-30 V/+0.5 V排流器,采用原有的排流地床,更换完成后,监测其回路中的直流电流情况。 

对比图7与图5可见：更换-30 V/+0.5 V阈值的排流器后,负向电流明显减小,这表明负向电流主要是由于管道电位波动造成的排流器中电容充放电。 

图  7  644 km+586 m测试桩处更换大阈值排流器后的电流监测结果

Figure  7.  Current monitoring results after replacing the high threshold current collector at the 644 km+586 m test pile

3.   结论

（1）动态直流干扰下,隔离电压为-2 V/+2 V的固态去耦合器能够导致排流回路负向导通,引入直流杂散电流。 

（2）管道受动态直流干扰时,管道的电位波动会引起交流排流器的电容充放电,引起负向电流,但此电流对管道的阴极保护影响不大。 

（3）增大排流器的负向导通阈值,能够有效抑制负向电流的引入。