高哲 常駿 牛文花

北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：本文概述了智能電位測(cè)試樁在埋地管道雜散電流干擾監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。在介紹智能電位測(cè)試樁的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、安裝方式、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型及其核心優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，給出了城市軌道交通動(dòng)態(tài)直流電流、地磁、潮汐、高壓直流接地極、交流輸電線路、交流電氣化鐵路等不同干擾類型以及干擾類型疊加的混合干擾的典型電位圖。研究表明，智能電位測(cè)試樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種干擾類型的有效監(jiān)測(cè)，并提出了未來(lái)發(fā)展建議。為管道陰極保護(hù)系統(tǒng)有效運(yùn)行和管道安全管理提供參考。

關(guān)鍵詞：埋地管道；智能電位測(cè)試樁； 干擾監(jiān)測(cè)； 直流干擾； 交流干擾

埋地管道作為石油、天然氣等重要能源的主要傳輸載體，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障能源供給和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。埋地管道在服役過(guò)程中受機(jī)械破壞、熱應(yīng)力、土壤應(yīng)力及自身老化等因素的影響，其外防腐層難免會(huì)出現(xiàn)缺陷，管體面臨局部腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，而陰極保護(hù)系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用的外腐蝕控制措施之一[1]。隨著高壓長(zhǎng)距離輸電網(wǎng)絡(luò)及配電網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越密集、電氣化鐵路網(wǎng)和城市直流軌道交通系統(tǒng)的不斷建設(shè)，雜散電流干擾成為管道安全運(yùn)行的重大威脅[2]。應(yīng)用智能電位測(cè)試樁作為陰極保護(hù)系統(tǒng)主要的監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)分析判斷埋地管道的陰極保護(hù)和雜散電流干擾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)管控及防護(hù)措施的實(shí)施調(diào)整提供重要的參考依據(jù)。

1  概述

智能電位測(cè)試樁用于對(duì)管道的通電電位、斷電電位、交流電壓及交/直流電流密度等參數(shù)進(jìn)行高頻次監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制，與普通測(cè)試樁的核心區(qū)別在于功能維度的“自動(dòng)化、智能化” 升級(jí)，可自動(dòng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)傳輸至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)本地+云端雙存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警+自動(dòng)報(bào)警功能，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。智能電位測(cè)試樁無(wú)需人員現(xiàn)場(chǎng)手工采集數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了無(wú)法實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的不足，在掌握現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)后，便可根據(jù)電位（或電流等數(shù)據(jù)）的波動(dòng)情況分析出現(xiàn)場(chǎng)是否有雜散電流干擾，受到何種類型的干擾，以便進(jìn)一步采取防控措施。

2  智能電位測(cè)試樁結(jié)構(gòu)組成

智能電位測(cè)試樁主要由測(cè)試樁樁體、智能電位采集儀主機(jī)及埋地部件組成，其中埋地部件可以采用一體式極化探頭或分離式參比電極和埋地試片（根據(jù)實(shí)際情況按需安裝）。

2.1  安裝方式

智能電位測(cè)試樁安裝分為地上與地下兩部分。地上主要為樁體、智能電位采集儀、電池、天線；地下主要為長(zhǎng)效參比電極和埋地試片。一般將試片埋于管底至1/3管徑深處，各自間距50 cm以上，試片中心與管壁凈距離10 cm～30 cm，確保試片的金屬裸露部分與土壤充分接觸[2]。回填部分土壤后，在試片上方安裝長(zhǎng)效參比電極。樁體立于附近，需澆筑混凝土以固定。

2.2  工作原理

智能電位測(cè)試樁融合了靈敏的電化學(xué)傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理、無(wú)線通訊及迅速發(fā)展的云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過(guò)ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)4G或北斗模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至系統(tǒng)平臺(tái)[1]。通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)藍(lán)牙調(diào)試，可對(duì)設(shè)備的采集頻率、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)類型有：管道通電電位、試片斷電電位、自腐蝕電位、交流電壓、交/直流電流（交/直流電流除以試片面積即可得到交/直流電流密度）等參數(shù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，便可對(duì)管道的陰極保護(hù)狀況、直流干擾和交流干擾進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3  智能電位測(cè)試樁監(jiān)測(cè)應(yīng)用

管道受到的雜散電流干擾主要來(lái)源于用電、輸電工程系統(tǒng)中的交、直流電流和大地中自然存在的地電流，以交流和直流干擾為主，具有多源性特征。目前已知主要的直流干擾源有直流軌道交通系統(tǒng)、高壓直流輸電系統(tǒng)、陰極保護(hù)系統(tǒng)、直流電焊機(jī)及大地電流等，主要的交流干擾源有交流輸電線路及交流牽引電氣化鐵路等。以下介紹主要雜散電流干擾特征及典型電位圖。

3.1  城市軌道交通動(dòng)態(tài)直流干擾

在地鐵進(jìn)出站時(shí)，牽引變電站提供的部分直流電通過(guò)鋼軌流入土壤，進(jìn)入附近的管道破損點(diǎn)，從而影響到管道的陰極保護(hù)電流，電位圖上呈現(xiàn)一定幅度的正負(fù)波動(dòng)（圖 1）。從圖中可明顯觀察到雜散電流對(duì)電位干擾的典型特征為白天的早高峰和晚高峰時(shí)段電位波動(dòng)劇烈，其他時(shí)段電位波動(dòng)減輕，深夜地鐵停運(yùn)時(shí)段電位波動(dòng)消失。

圖 1 某管段受地鐵干擾影響的電位圖 

3.2  地磁干擾

地磁干擾主要具備以下特點(diǎn)：電位無(wú)規(guī)律波動(dòng)，受地磁暴影響的電位波動(dòng)不僅持續(xù)存在，并且波動(dòng)幅度隨著地磁暴等級(jí)的增加而增大；異地電位同步變化，地磁干擾對(duì)埋地金屬結(jié)構(gòu)物都會(huì)產(chǎn)生影響（圖 2）。

圖 2 某管段受地磁干擾影響的電位圖 

3.3  潮汐干擾

潮汐干擾的典型特征有：管道電位向陽(yáng)極和陰極方向偏移；管道電位特征峰周期為12小時(shí)，與潮汐活動(dòng)的周期一致。在渤海灣、北部灣、東海附近管道上均監(jiān)測(cè)到了這類干擾（圖 3）。

圖 3 某管段受潮汐干擾影響的電位圖 

在部分地區(qū)，還會(huì)出現(xiàn)多種干擾類型疊加的情況，如潮汐與地鐵的混合干擾、潮汐與地磁的混合干擾。

（1）潮汐加地鐵干擾。在部分含有地鐵的沿海城市，牽引電流與潮水漲落引起的雜散電流共同對(duì)埋地管道造成影響。在電位圖上表現(xiàn)為既存在潮汐干擾的波峰波谷特征，又存在受地鐵干擾時(shí)白天電位波動(dòng)劇烈、夜間電位平穩(wěn)的特征（圖 4）。

圖 4 某管段受潮汐與地鐵干擾影響的電位圖 

（2）潮汐加地磁干擾。在有地磁暴發(fā)生時(shí)，一些高緯度沿海地區(qū)還可監(jiān)測(cè)到地磁與潮汐的疊加干擾。2025年8月19日發(fā)生地磁暴期間，某管段電位圖除了有潮汐干擾的特征外，還受地磁暴影響電位持續(xù)波動(dòng)（圖 5）。

圖 5 某管段受潮汐與地磁干擾影響的電位圖 

3.4  高壓直流接地極干擾

高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行時(shí)（一般為投運(yùn)初期、檢修或故障排查時(shí)），大量的電流通過(guò)大地回流，因此會(huì)對(duì)附近的管道造成明顯的干擾[3]。高壓直流干擾具有偶發(fā)性、不可預(yù)知性、難以捕捉和影響范圍廣的特點(diǎn)，智能電位測(cè)試樁只有通過(guò)高頻采集才可實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾范圍和強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。當(dāng)與管道接近的高壓直流接地極以陽(yáng)極模式運(yùn)行時(shí)，管道通電電位負(fù)向偏移，遠(yuǎn)離接地極位置的管道通電電位正向偏移。相反，當(dāng)與管道接近的高壓直流接地極以陰極模式運(yùn)行時(shí)，管道通電電位正向偏移，遠(yuǎn)離接地極位置的管道通電電位負(fù)向偏移。如某管段受到接地極檢修產(chǎn)生的高壓直流干擾時(shí)的電位圖（圖 6），該干擾持續(xù)13天，通過(guò)分布的智能電位測(cè)試樁監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，一側(cè)接地極干擾范圍達(dá)500公里，另一側(cè)接地極干擾范圍達(dá)100公里。

圖 6 某管段受高壓直流干擾影響的電位圖 

3.5  交流輸電線路干擾

通過(guò)觀察智能電位測(cè)試樁采集的交流電壓和交流電流密度便可識(shí)別交流輸電線路干擾。觀察某管段這兩個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的分布特點(diǎn)。交流電壓和交流電流密度都以日為單位呈現(xiàn)“峰—谷”周期性波動(dòng)，這就是典型的由交流輸電線路引起的穩(wěn)態(tài)交流干擾（圖 7）。

圖 7 某管段受交流輸電線路干擾影響的電壓及交流電流密度圖

3.6  交流電氣化鐵路干擾

管道上產(chǎn)生的交流電壓和交流電流密度數(shù)據(jù)曲線波動(dòng)劇烈，而且有明顯的脈沖式尖峰，這與交流電氣化鐵路的電力牽引供電回路采用直接供電方式密切相關(guān)，屬于動(dòng)態(tài)交流干擾（圖 8）。

圖 8 某管段受交流電氣化鐵路干擾影響的交流電壓及交流電流密度圖

4  結(jié)論與建議

（1）智能電位測(cè)試樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通動(dòng)態(tài)直流電流、地磁、潮汐、高壓直流接地極、交流輸電線路、交流電氣化鐵路等多種干擾類型的有效監(jiān)測(cè)。在部分地區(qū)，還會(huì)出現(xiàn)多種干擾類型疊加的情況，如潮汐與地鐵、潮汐與地磁等的混合干擾，建議關(guān)注及監(jiān)測(cè)。

（2）通過(guò)對(duì)智能電位測(cè)試樁運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的高頻采集和日常采集。對(duì)于干擾段管道，建議至少每10分鐘采集一次數(shù)據(jù)，確保精準(zhǔn)捕獲雜散電流干擾的瞬時(shí)變化與持續(xù)特征。

（3）智能電位測(cè)試樁極大地提高了對(duì)埋地管道雜散電流干擾監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，降低因干擾導(dǎo)致的管道腐蝕泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提升埋地管道的安全運(yùn)行水平。

同時(shí)，建議優(yōu)化提升以下幾個(gè)方面。

加強(qiáng)數(shù)據(jù)深度分析與整合。構(gòu)建功能更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，將智能電位測(cè)試樁傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）、管道歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行深度融合分析。通過(guò)挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)聯(lián)，不僅能更全面地了解管道沿線干擾分布情況，還能預(yù)測(cè)干擾發(fā)展趨勢(shì)，為制定科學(xué)合理的防護(hù)策略提供有力支持。例如，結(jié)合管道周邊地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)與干擾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同地質(zhì)條件下各類干擾的影響規(guī)律。

建立干擾防護(hù)協(xié)同機(jī)制。推動(dòng)與電力、鐵路等相關(guān)部門建立信息共享與協(xié)同防護(hù)機(jī)制。對(duì)于交流輸電線路干擾、交流電氣化鐵路干擾等涉及多部門設(shè)施的干擾問(wèn)題，共同開(kāi)展聯(lián)合監(jiān)測(cè)與研究，制定統(tǒng)一的干擾防控標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)出現(xiàn)干擾異常情況時(shí)，能夠及時(shí)溝通協(xié)調(diào)，采取聯(lián)合行動(dòng)，通過(guò)快速溝通協(xié)調(diào)與聯(lián)合處置，保障管道及相關(guān)設(shè)施的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：高哲，1997年生，本科，運(yùn)維工程師，現(xiàn)從事智能陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、故障診斷、數(shù)據(jù)分析等工作。聯(lián)系方式：15091189008，gaoz@ancorr.cn。