高速鐵路對埋地輸油管道交流腐蝕干擾模型分析與應用
近年來，中國高速鐵路網絡建設速度爆發(fā)式增長，新建高速鐵路軌道路與原石油輸送管線出現大量的交叉及平行狀況，其對石化輸油管道的電氣干擾問題日益受到關注[1]。交流腐蝕干擾不僅會引起管道的交流腐蝕，造成管道腐蝕穿孔、原油或天然氣的泄露、引發(fā)爆炸等事故[2,3]。而且故障態(tài)下的交流腐蝕干擾還會嚴重威脅工作人員人身安全。電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一種單相工頻含地不對稱高壓供電系統(tǒng)，采用鋼軌或回流線作為回流路徑，運行時就存在顯著的地中電流。由于鋼軌與大地之間僅僅依靠道床和絕緣墊片絕緣，長時間運行絕緣效果相對較差，同時，與傳統(tǒng)電氣化列車相比，高速鐵路在上線運行時功率更大，電流更大，牽引負荷顯著增大，其對埋地輸油管道造成的交流雜散電流干擾形式更加復雜和嚴重[4]。高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)對同區(qū)域臨近金屬管道存在容性耦合、感性耦合和阻性耦合3種電磁耦合干擾影響。在缺乏有效保護措施的情況下，長時間作用將會使埋地管道受到嚴重腐蝕甚至穿孔，影響其安全運營。
為了研究電氣化列車對于埋地輸油管道交流雜散電流干擾的腐蝕機理及電磁干擾程度，往往需要借助數值模擬計算進行分析，國內外學者在這方面開展了大量的工作。Ferenc[5]使用一對垂直的探針測量了地表面的電極電位，同時表征了大地中雜散電流的電流方向。Zakowsk等[6]對輕軌電車的雜散電流進行了全天的監(jiān)測，分析了雜散電流隨時間的變化規(guī)律。Riordan[7]研究了不同敷設方式管線受高壓交流輸電線的影響的規(guī)律，從管線安全及相關環(huán)境條件等方面預測交流輸電的影響強度，同時對如何減小和排除感應電流和雜散電流對管線的危害進行了詳細的討論。Southey[8]運用計算機模擬技術研究了在高壓交流輸電線路故障情況下附近埋地管道的交流腐蝕干擾影響規(guī)律，并且討論了有關管道交流腐蝕干擾緩解評價標準的合理性。國內學者在交流雜散電流對于埋地輸油管道的腐蝕影響方面的研究較晚，開展了許多運用計算機模擬技術研究輸電線路等對埋地輸油管道雜散電流腐蝕影響的工作。龐原冰等[9]推導了單邊供電及雙邊供電下雜散電流的分布公式，利用C++語言實現了雜散電流對線路參數、列車參數、埋地金屬參數、模型原件參數的模擬。劉燕等[10]從雜散電流的產生機理著手，通過對地鐵雜散電流模型的微元分析，推導出土壤中雜散電流分布公式，運用MATLAB計算了不同過渡電阻及土壤電阻下雜散電流的分布，結果表明：雜散電流主要是由走形軌縱向電阻引起的。付安慶等[11]采用電化學技術和失重法研究了管線鋼在兩種碳酸鹽溶液中的交流雜散電流腐蝕行為。研究表明：當交流雜散電流密度為0~20 A/m2時，管道發(fā)生均勻腐蝕，當交流雜散電流密度為20~200 A/m2時，管道均勻腐蝕速率加快，當交流雜散電流密度為200~500 A/m2時，管道容易發(fā)生局部點蝕?，F價段大部分對于電磁干擾的研究工作，多集中采用等效電路法的傳統(tǒng)方法，是將整個系統(tǒng)等效劃分成不同的電器元件，如：電阻、電容、電感等，然后利用經典電工理論進行求解。其不足是為了求解方便過度簡化計算參數，導致計算精度低，因此逐漸被數值模擬技術所取代。本文采用數值模擬技術基于電磁場耦合理論，結合高速鐵路運行參數，研究了新型高速鐵路供電系統(tǒng)對臨近區(qū)域埋地輸油管道的交流腐蝕干擾情況。同時根據相關標準進行評估，在此基礎上對排流方案進行優(yōu)化計算，提出了針對受高速鐵路雜散電流干擾管段的綜合治理方案和建議。
1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對臨近埋地管道的交流腐蝕干擾
根據GB/T 50698-2011標準中建議借助專業(yè)計算機軟件對管道的干擾危害情況進行評估。本研究通過資料收集及現場檢測，獲得相關基礎數據。利用數值模擬技術預測高速鐵路運營后供電系統(tǒng)對埋地管道的交流雜散電流干擾影響。綜合現有標準分析雜散電流影響水平，結合前期調研數據對排流方案進行優(yōu)化計算，提出并行高速鐵路的埋地管段受交流雜散電流干擾綜合的治理方案和建議。具體的技術路線如圖1所示。
圖1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對臨近埋地管道交流腐蝕干擾研究技術路線
1.1 交流腐蝕干擾計算模型的建立與求解方法
建立計算模型前，需要對實地數據進行收集并輸入模型中以保證計算結果的相關性和準確性。主要收集數據分為管道參數、土壤環(huán)境參數和高速鐵路供電系統(tǒng)參數等，具體包括高速鐵路的供電方式及大小、牽引變壓器信息、變電所接地設計結構、鋼軌參數及鋼軌漏電電阻等重要參數；同時收集輸油管道管徑，壁厚，防腐層類型，防腐層絕緣電特性，埋深，陰極保護方式，陽極分布位置和周圍土壤電阻率等信息。
本文采用Elsyca計算軟件中IRIS （Inductive & Resistive Interference Simulator） 模塊進行仿真計算。首先根據現場采集的位置等信息建立高鐵供電系統(tǒng)與輸油管線的位置模型 （如圖2所示），同時將調研的其他信息輸入模型中作為計算條件。將高鐵供電系統(tǒng)線路和輸油管道線路劃分成若干連續(xù)可線性近似線段的集合，劃分方式如圖3所示。計算過程中會自動考慮管道相對于供電系統(tǒng)的方向，逐段完成計算。穩(wěn)態(tài)感應干擾建模的關鍵是正確計算感應電動勢 （V） 及其產生的縱向電場 （V/m）。其中感應電動勢的計算首先需要確定高鐵供電系統(tǒng)線路中電場產生的磁矢勢，計算方法如公式 （1） 所示，其中μ為磁導率，i—Sn為高鐵供電系統(tǒng)線路中單元內的電流值，Gi?Sn為計算單元所用的格林函數，Γcond為積分路徑輪廓。
圖2 高速鐵路與鄰近埋地輸油管道的位置關系模型
圖3 源線 （高鐵供電線路） 與受害線 （埋地輸油管道） 的分段線性化示意圖
然后根據麥克斯韋方程可以計算出沿著一個封閉輪廓Γ的感應電動勢e，其中I為電流密度，ω為頻率，
根據以上方程 （1） 和 （2） 可以推導出在劃分的單元管段Ik上感應電動勢的計算方程：
感應電動勢公式方程 （3） 給出的是高鐵供電系統(tǒng)線路與埋地輸油管線方向之間的交叉積函數。所以管道相對于輸電線的位置將被自動考慮，并且不需要在平行于 （或不平行于） 輸電線的部分細分管道。
根據上述方程獲得的電動勢值，通過求解已知的傳輸線模型計算管線的感應電壓和電流。傳輸線模型計算過程中對管道的每個單獨部分指定管道參數 （包括直徑、涂層、土壤電阻率等） 進行定義，確保計算的準確性。具體的傳輸線模型如下：
其中，z為線路管道接地單位長度阻抗 （Ω/m），y為線路管道接地單位長度導納 （1/Ω·m），E為每單位長度管道上的縱向感應電場。由式 （4） 和式 （5） 推導出感應電壓 （V） 的二階微分方程式，如公式 （6）。
運用Ritz-Galerkin有限元方法對公式 （6） 進行求解，其中γ=zy??√為管道接地回路的傳播常數。由于前期計算中將管道和輸電線分成若干段，所以在求解的過程中可以將連接管道的兩個連續(xù)“節(jié)點”分別指定z和y的值得到一組方程，其中節(jié)點上的電壓V為未知值。通過適當的邊界條件實現對方程的求解，其中包括電阻連接部分、接地和特性阻抗等。針對電阻連接部分可將其視為一根在兩個節(jié)點之間具有已知阻抗的導線，同時接地和特性阻抗可視為管道節(jié)點與不影響遠場之間的特殊連接。借助前期計算獲得縱向電場分布結合公式 （6） 可對感應電壓進行求解，結合特性阻抗zo的表達式為z0=z/y???√，通過方程 （5） 可用于計算感應電流i，這樣就獲得了埋地輸油管道的交流感應電壓及電位結果。
這種計算方式可用于對受交流雜散電流干擾的管道或管網進行交流腐蝕干擾分析、優(yōu)化緩解設計以及風險評估等。通過建立管道系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的真實模型，根據實際情況，設定管道、防腐層、土壤電阻率以及相關電力參數，可以快速準確地計算出不同輸電狀態(tài)下管道的受干擾情況，對存在的潛在風險進行評估。
1.2 不同運行狀況下雜散電流腐蝕風險評估
結合列車運行參數，利用交流雜散電流干擾模型分別對沒有列車經過、有列車經過和多車經過管道段的情況進行模擬計算，列車位置模擬如圖4所示。
圖4 模擬列車運行位置示意圖
1.2.1 無列車運行時管道的風險評估
模擬無列車經過時，管道的交流腐蝕干擾電壓計算結果如圖5a，相應的交流腐蝕干擾電流密度如圖5b所示。從模擬計算結果可以看出，當沒有列車經過時，管道的最大交流腐蝕干擾電壓0.9 V，最大交流感應電流密度為6.94 A/m2。按照國標GB/T 50698-2011規(guī)范中的要求，該管段均屬于“弱”級別影響管段，整體管道受到的交流腐蝕干擾影響比較微弱。
圖5 無列車經過時管道沿線交流感應電壓與電流密度結果
1.2.2 穩(wěn)態(tài)運行時管道風險評估
高鐵運行過程中在一個供電區(qū)間段內大部分時間為單車運行，為模擬高鐵在該區(qū)間的運行情況，將其抽象成為在該區(qū)域的3個不同位置。列車依次通過位置1、2和3，觀察高鐵經過不同位置時對埋地輸油管道的交流影響情況，結果如圖6所示。首先通過位置1時，管段的最大交流腐蝕干擾電壓14.6 V，最大交流電流密度109.8 A/m2。當列車行至位置2時，此時管道最大交流電壓為13.1 V，最大交流電流密度98.2 A/m2。最后當列車行至位置3時，管道最大交流電壓為12.3 V，最大電流密度為92.7 A/m2。
圖6 列車經過位置1、2、3時管道沿線交流感應電壓與電流密度結果
首先，從3處不同行車位置的模擬結果可以看出，當列車經過時整體管段都受到交流腐蝕干擾影響，最大交流腐蝕干擾電壓14.6 V，最大交流電流密度109.8 A/m2。根據GB/T 50698-2011規(guī)范要求，干擾級別屬于強干擾，需要采取有效的緩解措施。其次，從高速列車位于埋地管段不同相對位置對其交流腐蝕干擾影響的結果可以看出，列車對管道是動態(tài)干擾的，當列車經過管段時，列車行駛經過管道的位置，便會出現干擾的尖峰；當列車遠離后交流腐蝕干擾現象隨之減輕。
1.2.3 兩車相匯運行評估
在高速鐵路投入運行后，在一個供電區(qū)間內會有兩列高速列側相遇的情況。對這種極端情況下高速鐵路牽引系統(tǒng)對埋地輸油管道的交流腐蝕干擾影響也進行了研究。假設運行過程中當兩列車相向而行，交匯位置如圖3所示，其與單車經過時對比的交流腐蝕干擾電壓及電流密度的分布規(guī)律如下圖7所示。從計算結果可以看到，此時有兩列高速列車在該區(qū)間管段位置相向而行交匯后，管道最大交流腐蝕干擾電壓17.6 V，最大交流電流密度132.2 A/m2。與單車經過同一位置相比，兩列車相匯時，對埋地輸油管道所產生的交流雜散電流干擾最為嚴重，根據GB/T 50698-2011的規(guī)定，干擾級別屬于強干擾，需要采取有效的緩解措施。
圖7 兩車相匯和單車分別經過同一位置時管道沿線交流感應電壓與電流密度結果
2 輸油管段受交流腐蝕干擾緩解方案設計及建議
針對管道遭受交流電磁干擾，目前國內外標準以及石油行業(yè)內普遍采取的緩解防護措施有：增設屏蔽網、增設接地排流和增設絕緣法蘭。結合實地情況及效果，建議采用結合新管道敷設過程安裝接地排流設備的方案。目前埋地輸油管道交流腐蝕干擾防護中排流接地極一般采用帶狀鋅合金、鎂塊陽極和鍍鋅角鋼3種材質導體鋪設而成[1]。
交流腐蝕干擾排流通常采用固態(tài)去耦合器加裸銅線或者鋅帶的接地排流方式。固態(tài)去耦合器具有“通交隔直”的功能，即防止陰極保護電流流失，同時排掉交流腐蝕干擾電流。如果采用固態(tài)去耦合器加裸銅線排流時，當固態(tài)去耦合器失效，陰極保護電流也會通過裸銅線流失。所以，本方案采用固態(tài)去耦合器加采用鋅帶排流。具體排流方案為在管段的起始端、中間位置和末端，分布設置300 m鋅帶接地，采用ZR-2型鋅帶，經過實地測量土壤電阻率取值設為30 Ω·m，鋅帶接地電阻為0.32 Ω·m。排流施工方案簡圖如圖8所示。
圖8 交流雜散電流干擾緩解示意圖
交流雜散電流干擾緩解效果如圖9所示，通過在輸油管道的前中后3個不同位置各安裝300 m的鋅帶，同時加裝固態(tài)去耦合器的排流方案的模擬結果可以看出，基本達到了排流的效果。采取緩解措施之后，管道的交流感應電壓最大為2.3 V，最大電流密度為17 A/m2，達到了標準要求緩解后管道的交流電流密度應小于60 A/m2的要求，交流腐蝕干擾降到了標準范圍內。
圖9 接地排流后管道沿線交流感應電壓與電流密度結果
針對埋地輸油管道受交流雜散電流干擾的實際情況，結合上述干擾預測評估及緩解設計過程的研究，提出以下建議：（1） 建議在高速鐵路全線建成運行后，對與之相臨近的埋地輸油管道的重點區(qū)域進行全方面的干擾情況檢測，同時對該改線管段區(qū)域的干擾水平和緩解效果進行復測；當干擾環(huán)境發(fā)生較大改變時，應及時進行各項調查，對防護設施進行調整或改進防護措施。（2） 檢測長距離平行及交叉管段的陰極保護情況，對存在交流腐蝕干擾的管道，在陰極保護系統(tǒng)設計中應給予更大的保護電流密度；在運行中應使管道保護電位 （相對于飽和Cu/GuSO4 （CSE），消除IR降后） 比陰極保護準則電位 （一般土壤環(huán)境中-850 mVCSE） 更負。（3） 建立長效的自檢程序，對交流腐蝕干擾防護系統(tǒng)的常規(guī)功能性檢測內容及周期，檢測內容及檢測周期如表1所示，應當按GB/T 50698規(guī)定進行，以確認防護系統(tǒng)是否運行正常，防護效果是否符合指標要求。
3 結論
（1） 當沒有列車經過時，管道的最大交流腐蝕干擾電壓0.9 V，交流電流密度均小于30 A/m2，埋地管線受到交流腐蝕干擾較弱。
（2） 當單輛高速列車經過時，整體管段都受交流腐蝕干擾影響，最大交流腐蝕干擾電壓14.6 V，最大交流電流密度109.8 A/m2，干擾強點隨列車移動，干擾級別屬于強干擾，需要采取有效的緩解措施。當兩列高速列車在該管段交匯是，最大交流腐蝕干擾電壓17.6 V，最大交流電流密度132.2 A/m2，列車交匯干擾更強，屬于強干擾，需要采取有效的緩解措施。
（3） 通過固態(tài)去耦合器連接鋅帶的排流方法，能夠有效的緩解高鐵供電系統(tǒng)運行過程對臨近埋地輸油管線的交流腐蝕干擾程度。