高铁杂散电流对石油天然气管道的安全影响分析

高铁杂散电流对石油天然气管道的安全影响分析

潘龙飞

浙江城建煤气热电设计院有限公司 310000

摘要：某新建杭绍台铁路在铁路桩号DK21+919处与甬绍金衢成品油管道存在一处交越，对已建成品油管道产生了一定的杂散电流干扰，为了排查和消除不安全隐患，本文进行了相关的论述与研究，仅供交流、探讨。

关键词：管道项目；成品油管道；杂散电流；防护措施

1.原理

杭绍台铁路采用电力牵引，采用带回流线的交流电直接供电模式（图1），它是由牵引变电所通过沿线路敷设的牵引网为电动车辆供电的系统，主要由架空的正极接触网供电，以行走轨道作为负极回流导体。在运行中会有不少的电流不沿回流轨道回到牵引变电所或者根本不回到牵引变电所，而是流向大地低电位处，形成了杂散电流。这会导致埋设在跌路附近的金属管道上电压升高，影响管道上接地设备、阴极保护设备等的正常运行，甚至造成破坏。

埋地金属管道的外壁腐蚀形式主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀和杂散电流干扰腐蚀等。

图1 电气化铁路牵引供电示意图

2.工程概况

杭绍台城际铁路线路全长269公里，其中新建线路全长224公里；为高架双线铁路，采用电力牵引，计划于2021年底完工。

甬绍金衢成品油管道，全长378公里，管道起点为浙江省宁波市北仑区镇海炼化算山储运油库，终点为浙江省衢州市龙游油库，全线途径宁波、绍兴、金华、衢州4个市的13个县（区），设计年输油量760万吨，主要输送汽油和柴油两大类油品，总投资18.2亿元，于2013年投产运行。全线设绍兴、诸暨、义乌、金华、游龙5个分输站，沿途逐站分输，依输量降低干线管径由Φ508逐段变小至Φ457，干线管道设计压力为8.5MPa和9.5MPa。上虞段管道管径Φ508，设计压力8.5MPa，管道壁厚为7.9mm，按照三级地区设计。管道采用螺旋缝埋弧焊钢管，钢管材质为L415，钢质管道防腐采用外防腐层与电防腐结合的方式，外防腐层采用三层PE防腐，并采用外加电流阴极保护形式。该评估段管道采用埋地方式敷设，与成品油管道同期同沟敷设的还有一条专用通讯光缆。

由于新建杭绍台铁路在铁路桩号DK21+919处与甬绍金衢成品油管道存在一处交越，会对成品油管道产生一定的电流干扰，因此，需要分析原因，采取积极的应对措施。

3.问题分析

在铁路桩号DK21+919处与甬绍金衢成品油管道的交越处，某铁路投运后运行阶段，对已建成品油管道的危险因素，主要是杂散电流对埋地钢管的腐蚀。

3.1电气化铁路杂散电流形成原因

机车从牵引网上获取电流， 经走行轨和回流线回流。由于走行轨存在纵向电阻及对地存在过渡电阻，其电流有一部分要泄漏到大地中， 经大地流回变电站。这部分在地中流动的电流就是杂散电流，其形

3.2电气化铁路交流干扰形式

电气化铁路对埋地管道的干扰方式主要有 3种：容性耦合干扰、阻性耦合干扰和感性耦合干扰。

容性耦合干扰仅存在于管道存放于地面且与大地绝缘时，当管道埋入地下后，电气化铁路对钢质管道的容性耦合干扰可以忽略不计，只存在着一定程度的阻性耦合干扰和感性耦合干扰。分别是：（1）阻性耦合干扰。钢轨作为牵引供电系统的重要组成部分之一，除了作为机车车辆的走行轨之外，还起到牵引供电网回流线的作用。但是，由于道渣床上的钢轨与大地间并不是完全绝缘，机车正常运行时部分牵引电流可在机车附近 （电流泄漏点）通过钢轨泄入大地。这样，流入大地的部分杂散电流会对埋地金属管道造成阻性耦合干扰，威胁管道安全运行。此外，在故障情况下，几百安培或几千安培的故障电流通过接地体入地，在管道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。（2）感性耦合干扰.管道和接触网近距离平行或斜接近时，接触网中流动的交流电流会在导线周围产生交变磁场，根据Faraday电磁感应定律，管道在该交变磁场作用下产生感应电压和感应电流。

此外，按照干扰电压的作用时间长短，分为：（1）瞬间干扰。干扰时间相对短暂，一般在几秒钟之内。（2）间歇干扰。该类干扰最要是随干扰源和负荷的变化而变化。（3）持续干扰。尤其对于金属管道，在交流干扰的长期作用下，会产生交流腐蚀，防腐层剥离、析氢腐蚀等。

3.3电气化铁路杂散电流的影响

由于电气化铁路采用带回流线的交流电直接供电模式，并且与传统电气化列车相比，高速铁路在上线运行时功率更大，电流更大，牵引负荷显著增大，其对埋地输油管道造成的交流杂散电流干扰形式更加复杂和严重。因此，铁路投入运行之后产生的杂散电流会带来一些影响：（1）导致埋地金属管道、通讯电缆发生电化学腐蚀，大大缩短了金属管、线的使用寿命，造成管道腐蚀穿孔、原油或天然气的泄露、引发爆炸等事故，产生安全隐患。（2）受杂散电流干扰影响，管道阴极保护系统保护电位数据会出现异常变化，导致检测数据发生偏差。（3）故障态下的交流腐蚀干扰还会严重威胁工作人员人身安全。电气化铁路牵引供电系统是一种单相工频含地不对称高压供电系统，采用钢轨或回流线作为回流路径，运行时就存在显著的地中电流。由于钢轨与大地之间仅仅依靠道床和绝缘垫片绝缘，长时间运行绝缘效果相对较差。（4）在整流过程中，会产生直流分量。高铁附近会存在明显的直流成分的杂散电流，一般认为直流杂散电流对管道的腐蚀是交流杂散电流的50-100倍，因此直流杂散电流引起的管道腐蚀更为严重。

图2 交流杂散电流热效应对管道的影响

4.方法

根据电连接回路不同，交流杂散电流排流方法分为直接排流法，隔直排流法（包括电容排流，二极管排流和钳位式排流），负电位排流法三大类杂散电流排流方法。

4.1直接排流法

在实验中将干扰管线和地床用导线实现相连；地床材料为钢材等；接地电阻必须小于管线接地电阻。优点：杂散电流排流效果好；杂散电流排流装置简单、经济。缺点：地下管线杂散电流排流过程中，此时阴极保护电流容易造成漏失现象。

4.2隔直排流法

在干扰管线与地床两者之间加入一个排流节，排流节可埋于地下，也可将其放置地面之上。要保证接地电阻一定比管线接地电阻小。这样做有其优点：有效保护阴极管线；也有其缺点：杂散电流排流装置结构复杂、价格贵。

4.3负电位排流法

被干扰管线与牺牲阳极用导线连接。优点：排流效果好；向管线提供阴极保护电流。缺点：杂散电流排流装置价格较贵，且易产生牺牲阳极极性逆转问题。

根据以上项目的实际，采用隔直排流和负电位排流相结合的方式进行排流，即采用排流装置（如固态去耦合器）进行极性排流的同时，接地极选用锌合金阳极。这样既具有两种排流方式的优点，也弥补了两种排流方式的缺点。该方法特点：固态去耦合器可有效的排除各种高于阴保要求的杂散电流，并且防止雷击损坏，耦合交流电压；杂散电流排流装置安装简便；应用范围广；不要电源；杂散电流排流效果好；在杂散电流排流的同时还可以向管线提供阴极保护电流，同时也解决了负电位排流法中牺牲阳极极性逆转问题。

5.措施

待新铁路运行后，若油气管道上的交流干扰电压高于4V时，应根据规范要求采用交流电流密度进行评估，当交流干扰程度判定为“中”或“强”时，需采取防护措施，如在穿越段管道两端安装单向极性排流器和牺牲阳极的联合系统进行排流。

为保证管道的安全运营，杜绝事故隐患，针对流经管道的杂散电流提出以下几种防护方案。

5.1电气化铁路防护

电气化铁路方面：（1）增设屏蔽。在电气化铁路与管道间加设屏蔽措施，可以使得电气化铁路对管道的阻性耦合干扰降低。该法主要用于确定的干扰电流集中流入管道的部位，目的在于阻断杂散电流流入管道，从而降低干扰程度。在受阻性耦合干扰的管段可以采用增设屏蔽措施，屏蔽物铺设在管道附近，与管道无连接。（2）提高钢轨泄露电阻。钢轨泄漏电阻的决定因素有：a.钢轨在绝缘安装点的绝缘电阻大小；b.钢轨与道床表面的空隙距离大小；c.道床环境条件情况；d.钢轨连接电缆绝缘情况及钢轨隔离效果。因此，为了提高钢轨泄露电阻，主要是要求：①适当提高钢轨在绝缘安装点的绝缘电阻大小；②保证钢轨与道床表面的空隙距离大小；③加强对轨道绝缘的巡视和维护力度，定期清扫全线轨道路线，保持路线清洁干燥，尽量做到无积水、无脏污、无杂质覆盖，避免残留易导电物质；④枕木的端面和螺纹道钉孔必须经过绝缘处理，或设置专门的绝缘层，螺纹道钉孔不应贯通；⑤保证钢轨连接电缆绝缘情况及钢轨隔离效果。此外，在铁道运营过程中，应定期打扫道床，使其清洁得以保持，避免由于这些原因降低了钢轨的泄漏电阻。（3）对供电系统的要求，主要是：尽量在牵引网中采用双边供电。在牵引网制式、牵引变电所间距以及走行轨电阻等条件相同的情况下，采用双边供电相对于采用单边供电， 其牵引电流值减小近一倍，而杂散电流值仅为单边供电的1/4。（4）杂散电流排流，主要是：①利用整体道床内的钢筋进行电气连接，形成电气通路，建立起杂散电流的收集网，使杂散电流从走行轨流向道床后，通过收集网并经走行轨流回牵引变电所；②在牵引变电所内设置杂散电流排流装置。当轨道绝缘性下降、杂散电流增大时，系统能及时通过智能排流装置收集和导走杂散电流，从而保护整个轨道。（5）增设屏蔽措施，主要是：在受阻性耦合干扰的管段可以采用增设屏蔽措施，屏蔽物铺设在管道附近，与管道无连接。（6）实时监测，主要是：①实时监测杂散电流相关参数，按杂散电流各项指标对杂散电流采取及时有效的防护；②定期检查监测系统中智能传感器、参比电极及其连接是否良好。

5.2管道防护

（1）加强管道日常监测。管道运行中应定期进行管道常规检测、系统检测、管道内检测以及防腐层检测等，并根据检测结果，采取必要的措施。（2）增设排流装置。考虑到杂散电流的形成时间在高铁通车之后，因此，相关单位应统筹协调，建立长效机制，并结合现场实际，就排流方案达成一致意见。①排流点的确定。排流点的设置应根据详细测试或计算结果分析确定，通常情况下，可按下述条件综合确定：A.相互位置条件：被干扰管道首、末端；管道接近或离开干扰源处；管道与干扰源距离最小的点；管道与干扰源距离发生突变的点；管道穿越干扰源处。B.技术条件：交流电流密度较大的点；管道交流干扰电压较高，且持续时间较长的点；电压输电线导线换位处；土壤电阻率低，便于接地体设置的场所。②排流技术要求。建议采用固态去耦合+锌合金阳极排流方式。固态去耦合器应与锌合金阳极安装在管道的同一侧，固态去耦合器在测试桩旁边。接地极应与管道平行敷设，距离管道3m，阳极之间的间距为3m，锌合金阳极的埋深应与成品油管道底部等高或更深。（3）防腐涂层检测。由于防腐涂层的高阻抗使得电化学反应很难发生，但是在实际中，不论何种涂层，质量如何，都不可避免的存在部分缺陷和针孔，可能是进行运输、施工或者安装工程中形成的；也可能是由于涂层的剥落、土壤压力的影响、地下管道运动而形成的。因此，在用于敷设在地下的油气管道保护时，尽量不单独使用涂层，应当与其他保护措施相结合。以上项目成品油管道外防腐层可以采用三层PE普通级防腐，这种涂料的粘结性能、机械性能和电绝缘性能都很好。（4）接地防护。接地防护是通过安装接地地床来对交流干扰进行缓解，以消除交流干扰电压对人身及设备的危害。接地防护一般分为直接接地防护、牺牲阳极防护和钳位排流防护等。以上项目成品油管道可采用外加电流阴极保护的电防腐措施。

5.3运行前的防护

在电气化铁路运行前，建议采取以下两个管道防护措施：

（1）管道测试桩加密。在电气化铁路与管道交越点3km范围内，增设管道测试桩。原管道测试桩设置密度为每公里管道1个测试桩，现提升为每公里管道不少于3个测试桩。（2）增设杂散电流排流网。在电气化铁路与管道交越点1km范围内，在管道上方预加装镁铝锌条，每间隔300m设置一段，单段长度30-50m。

上述防护措施在具体实施前，需根据第三方单位设计细化后实施。落实后，才能极大降低电气化铁路对油气管道的干扰影响。

6.结论

综述所述，新建杭绍台铁路在铁路桩号DK21+919处与甬绍金衢成品油管道存在一处交越，主要危险控制点为铁路运行过程产生的杂散电流对已建成品油管道的影响。因而，根据《中华人民共和国安全生产法》、《中华人民共和国石油天然气管道保护法》和《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》等法律法规的规定，项目铁路与油气管道交越间距、角度及高差均要符合法律、法规要求。需要采取的安全对策措施要求：（1）新建杭绍台铁路运行过程中对甬绍金衢成品油管道的主要干扰是感性耦合，铁路运行后，根据《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》GBT50698-2011，对本工程影响范围内的成品油管道进行调查和测试，若成品油管道上的交流干扰电压高于4V时，应采用交流电流密度进行评估，当交流干扰程度判定为“中”或“强”时，需采取防护措施，如在穿越段管道两端安装固态去耦合+锌合金阳极排流的联合系统进行排流。（2）为减少甬绍金衢成品油管道受电气化铁路干扰影响，在电气化铁路运行前，需做好管道测试桩加密和增设杂散电流排流网的管道保护措施。具体措施需根据第三方单位设计细化后实施。考虑到杂散电流的形成时间在高铁通电之后，因此，相关单位应统筹协调，建立长效机制，并结合现场实际，就排流方案达成一致意见。相信只有在严格充分落实好安全对策措施之后，新建杭绍台铁路HSTZQ-1工程施工对已建甬绍金衢成品油管道的安全风险，才是可控的。

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[7]《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》GBT 50698-2011

作者简介：潘龙飞（1964.7-），男，汉族，籍贯：浙江临安，学士，高级工程师，工作方向：油气管道工程。