慕進良　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，總里程334.1 km，雙線一級，沿線有8座牽引變電站，客貨混運，設(shè)計行車速度160 km/h，每日開行列車約40對）距離較近的管段，當機車通過時，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，管道與電氣化鐵路間距不足1 km的近距離并行管段長度約80 km,部分管段間距不足50 m。為此，管道運營企業(yè)按照GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》對管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓進行了24 h連續(xù)檢測，以評價電氣化鐵路對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

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，通過饋電線輸送至接觸網(wǎng)，電力機車通過受電弓引入電流后，通過鋼軌及回流線回流至牽引變電所。因鋼軌在地面敷設(shè)，鋼軌中的回流電流不可避免的會有一部分通過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荷具有以下特點：

（1）非線性。電力機車產(chǎn)生的電力牽引負荷為諧波型，每臺機車的功率都很大，大多數(shù)時間同一供電臂上會同時運行2~3臺電力機車，產(chǎn)生高達25 %~30 %的諧波電流畸變率。

（2）不對稱性和單相獨立性。對于三相對稱的電力系統(tǒng)而言，采用單相整流負荷的電氣化鐵路會產(chǎn)生大量負序電流，具有不對稱性與單相獨立性。

（3）波動性。由于電力機車的電壓不穩(wěn)定會導(dǎo)致負荷電流大幅度劇烈波動，甚至?xí)�出現(xiàn)極短時間內(nèi)從零躍升或是跌落至零。

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

2  交流電氣化鐵路對管道干擾方式

 交流電氣化鐵路對埋地鋼質(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，在本次評價中可不予考慮；本次評價主要考慮管道與電氣化鐵路長距離并行或斜接近時所產(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、接近時產(chǎn)生的電阻性耦合干擾。

3  交流干擾的測試方法及評價準則

   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算：

  

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

—土壤電阻率（Ω·m）；—破損點直徑（m）。

（注：值應(yīng)取交流干擾電壓測試時測試點處與管道埋深相同的土壤電阻率實測值；值按發(fā)生交流腐蝕最嚴重考慮，取0.0113。）

管道受交流干擾的程度可按表1所列判斷指標進行判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標

交流干擾程度	弱	中	強
交流電流密度/A·m－2	＜30	30～100	＞100

根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》規(guī)定，當交流干擾程度判定為“強”時，應(yīng)采取交流干擾防護措施；判定為“中”時，宜采取交流干擾防護措施；判定為“弱”時，可不采取交流干擾防護措施。

由此可見，評價管道交流干擾程度需要現(xiàn)場測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）測量，測量時四支電極不能置于管道正上方，以免產(chǎn)生測量誤差。

本次評價過程中，采用數(shù)據(jù)采集儀對管道交流干擾電壓進行24 h連續(xù)監(jiān)測，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)會自動存儲于存儲芯片內(nèi)，并可導(dǎo)入計算機進行數(shù)據(jù)的后期分析和處理。測量點干擾電壓的最大值、最小值，從已記錄的各次測量值中直接選擇。平均值按下式計算：

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

4  測試結(jié)果及分析

對管道與電氣化鐵路近距離并行的每個測試點（間隔1 km）均采用數(shù)據(jù)采集儀進行24 h交流干擾電壓連續(xù)檢測，統(tǒng)計交流干擾最大值、最小值及平均值數(shù)據(jù)，并繪制了電壓-里程曲線圖，如圖2所示。

 

圖2 交流干擾電壓-里程分布曲線

 

    045、054、105三處具有典型特征測試點的基本信息如表2所示。

 

表2 各測試點基本信息

測試點	距鐵路距離/m	Vmax	Vmin	Vavg	土壤電阻率/ Ω·m	備注
045	52	14.74	0.21	0.75	21.35
054	571	20.36	0.29	1.78	33.91
105	1083	19.03	0.25	2.28	150.72	靠近牽引 變電站

    3處測試點24 h連續(xù)檢測得到的交流干擾電壓數(shù)據(jù)曲線見圖3、圖4、圖5。

 

圖3 045測試點24 h交流干擾曲線圖

 

圖4 054測試點24 h交流干擾曲線圖

 

圖5 105測試點24 h交流干擾曲線圖

 

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

（1）上述3處測試點管道所受交流干擾呈現(xiàn)動態(tài)變化特點，管道感應(yīng)交流電壓的變化規(guī)律與列車運行規(guī)律具有明顯的相關(guān)性。當不同載重量的貨運、客運列車通過時，交流干擾的峰值電壓各不相同，載重量較大的貨運列車通過時往往峰值電壓較高。這表明電氣化鐵路對管道的干擾與其負載有明顯的相關(guān)性，負載越大，交流干擾越嚴重。

   （2）045測試點距離鐵路較近，僅52 m。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，電力機車通過該測試點附近時，垂直于管道向鐵軌方向20 m處測得的最大交流電位梯度達35 V。由圖3中的24 h交流干擾曲線圖也可發(fā)現(xiàn)，當電力機車通過時，管道交流干擾電壓瞬間達到峰值；當電力機車遠離后，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045測試點產(chǎn)生交流干擾的主要原因。

   （3）054測試點距離鐵路距離較遠，為571 m。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，電力機車通過該測試點附近時，垂直于管道向鐵軌方向20 m處測得的最大交流電位梯度為0.7 V。由圖4中的24 h交流干擾曲線可以發(fā)現(xiàn)，當干擾從剛發(fā)生、達到峰值并回落至無干擾的時間段內(nèi)，管道交流干擾電壓變化相對緩慢。故電氣化鐵路對管道的電阻性耦合不是054測試點受到交流干擾的主要原因。

（4）105測試點距離鐵路距離較遠，為1 083 m,但附近存在一處鐵路牽引變電所。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，測試點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交流干擾曲線可以發(fā)現(xiàn)，105測試點的交流干擾時間更長，干擾頻度明顯比045、054測試點大，交流干擾變化的規(guī)律也與電力機車是否通過測試點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，電力機車運行時大部分電流通過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，地面交流電位梯度相較回路中其他位置會表現(xiàn)得更加明顯。因此，只要電力機車處于牽引變電站的供電回路范圍中，就可對105測試點造成明顯的干擾，且交流干擾時間更長、頻度更大，故電氣化鐵路對管道的電阻性耦合也是對105測試點產(chǎn)生交流干擾的主要原因。

（5）由圖2可以看出，各測試點交流干擾電壓24 h平均值均小于4 V，但部分測試點的峰值電壓較高，最高達到28 V。按照國家標準GB/T 50698的規(guī)定，平均交流干擾電壓小于4 V，可不采取防護措施，但因峰值電壓較高，仍可能威脅現(xiàn)場管道操作人員的安全。

5  結(jié)論

本文通過對電氣化鐵路近距離并行對輸油管線交流干擾的檢測與分析，得出以下結(jié)論。

（1）油氣管道受交流雜散電流干擾規(guī)律與電氣化鐵路運行規(guī)律具有明顯的相關(guān)性，電力機車功率越大，對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，鐵路與管道之間的電阻性耦合是對管道產(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，無地電場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)出交流干擾時間更長、頻度更大、干擾變化規(guī)律與電力機車運行情況相關(guān)性不明顯的特點，作為交流雜散電流的主要流出點，應(yīng)作為重點防護區(qū)域采取交流排流防護措施。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)濟實用，又不影響現(xiàn)有陰極保護系統(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的測試點設(shè)置均壓柵等防護裝置，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。 

作者：慕進良，男，1973年生，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），工學(xué)學(xué)士，工程師，中國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》2017年第1期（總第32期）