近年來(lái)，中國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度爆發(fā)式增長(zhǎng)，新建高速鐵路軌道路與原石油輸送管線出現(xiàn)大量的交叉及平行狀況，其對(duì)石化輸油管道的電氣干擾問(wèn)題日益受到關(guān)注[1]。交流腐蝕干擾不僅會(huì)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(huì)嚴(yán)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(duì)稱(chēng)高壓供電系統(tǒng)，采用鋼軌或回流線作為回流路徑，運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行絕緣效果相對(duì)較差，同時(shí)，與傳統(tǒng)電氣化列車(chē)相比，高速鐵路在上線運(yùn)行時(shí)功率更大，電流更大，牽引負(fù)荷顯著增大，其對(duì)埋地輸油管道造成的交流雜散電流干擾形式更加復(fù)雜和嚴(yán)重[4]。高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)對(duì)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(hù)措施的情況下，長(zhǎng)時(shí)間作用將會(huì)使埋地管道受到嚴(yán)重腐蝕甚至穿孔，影響其安全運(yùn)營(yíng)。

為了研究電氣化列車(chē)對(duì)于埋地輸油管道交流雜散電流干擾的腐蝕機(jī)理及電磁干擾程度，往往需要借助數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面開(kāi)展了大量的工作。Ferenc[5]使用一對(duì)垂直的探針測(cè)量了地表面的電極電位，同時(shí)表征了大地中雜散電流的電流方向。Zakowsk等[6]對(duì)輕軌電車(chē)的雜散電流進(jìn)行了全天的監(jiān)測(cè)，分析了雜散電流隨時(shí)間的變化規(guī)律。Riordan[7]研究了不同敷設(shè)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(guān)環(huán)境條件等方面預(yù)測(cè)交流輸電的影響強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)如何減小和排除感應(yīng)電流和雜散電流對(duì)管線的危害進(jìn)行了詳細(xì)的討論。Southey[8]運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)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(guān)管道交流腐蝕干擾緩解評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的合理性。國(guó)內(nèi)學(xué)者在交流雜散電流對(duì)于埋地輸油管道的腐蝕影響方面的研究較晚，開(kāi)展了許多運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究輸電線路等對(duì)埋地輸油管道雜散電流腐蝕影響的工作。龐原冰等[9]推導(dǎo)了單邊供電及雙邊供電下雜散電流的分布公式，利用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了雜散電流對(duì)線路參數(shù)、列車(chē)參數(shù)、埋地金屬參數(shù)、模型原件參數(shù)的模擬。劉燕等[10]從雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理著手，通過(guò)對(duì)地鐵雜散電流模型的微元分析，推導(dǎo)出土壤中雜散電流分布公式，運(yùn)用MATLAB計(jì)算了不同過(guò)渡電阻及土壤電阻下雜散電流的分布，結(jié)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(xué)技術(shù)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(dāng)交流雜散電流密度為0~20 A/m2時(shí)，管道發(fā)生均勻腐蝕，當(dāng)交流雜散電流密度為20~200 A/m2時(shí)，管道均勻腐蝕速率加快，當(dāng)交流雜散電流密度為200~500 A/m2時(shí)，管道容易發(fā)生局部點(diǎn)蝕。現(xiàn)價(jià)段大部分對(duì)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(gè)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(jīng)典電工理論進(jìn)行求解。其不足是為了求解方便過(guò)度簡(jiǎn)化計(jì)算參數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算精度低，因此逐漸被數(shù)值模擬技術(shù)所取代。本文采用數(shù)值模擬技術(shù)基于電磁場(chǎng)耦合理論，結(jié)合高速鐵路運(yùn)行參數(shù)，研究了新型高速鐵路供電系統(tǒng)對(duì)臨近區(qū)域埋地輸油管道的交流腐蝕干擾情況。同時(shí)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，在此基礎(chǔ)上對(duì)排流方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，提出了針對(duì)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(duì)臨近埋地管道的交流腐蝕干擾

根據(jù)GB/T 50698-2011標(biāo)準(zhǔn)中建議借助專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)管道的干擾危害情況進(jìn)行評(píng)估。本研究通過(guò)資料收集及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，獲得相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測(cè)高速鐵路運(yùn)營(yíng)后供電系統(tǒng)對(duì)埋地管道的交流雜散電流干擾影響。綜合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)分析雜散電流影響水平，結(jié)合前期調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)排流方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(shù)路線如圖1所示。

圖1   高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對(duì)臨近埋地管道交流腐蝕干擾研究技術(shù)路線

1.1 交流腐蝕干擾計(jì)算模型的建立與求解方法

建立計(jì)算模型前，需要對(duì)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行收集并輸入模型中以保證計(jì)算結(jié)果的相關(guān)性和準(zhǔn)確性。主要收集數(shù)據(jù)分為管道參數(shù)、土壤環(huán)境參數(shù)和高速鐵路供電系統(tǒng)參數(shù)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、鋼軌參數(shù)及鋼軌漏電電阻等重要參數(shù)；同時(shí)收集輸油管道管徑，壁厚，防腐層類(lèi)型，防腐層絕緣電特性，埋深，陰極保護(hù)方式，陽(yáng)極分布位置和周?chē)寥离娮杪实刃畔ⅰ?/span>

本文采用Elsyca計(jì)算軟件中IRIS （Inductive & Resistive Interference Simulator） 模塊進(jìn)行仿真計(jì)算。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)將調(diào)研的其他信息輸入模型中作為計(jì)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(jì)算過(guò)程中會(huì)自動(dòng)考慮管道相對(duì)于供電系統(tǒng)的方向，逐段完成計(jì)算。穩(wěn)態(tài)感應(yīng)干擾建模的關(guān)鍵是正確計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （V） 及其產(chǎn)生的縱向電場(chǎng) （V/m）。其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算首先需要確定高鐵供電系統(tǒng)線路中電場(chǎng)產(chǎn)生的磁矢勢(shì)，計(jì)算方法如公式 （1） 所示，其中μ為磁導(dǎo)率，i—Sn為高鐵供電系統(tǒng)線路中單元內(nèi)的電流值，Gi?Sn為計(jì)算單元所用的格林函數(shù)，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(guān)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(jù)麥克斯韋方程可以計(jì)算出沿著一個(gè)封閉輪廓Γ的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，其中I為電流密度，ω為頻率，Aˉˉˉ
為磁矢勢(shì)：

根據(jù)以上方程 （1） 和 （2） 可以推導(dǎo)出在劃分的單元管段Ik上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算方程：

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shù)。所以管道相對(duì)于輸電線的位置將被自動(dòng)考慮，并且不需要在平行于 （或不平行于） 輸電線的部分細(xì)分管道。

根據(jù)上述方程獲得的電動(dòng)勢(shì)值，通過(guò)求解已知的傳輸線模型計(jì)算管線的感應(yīng)電壓和電流。傳輸線模型計(jì)算過(guò)程中對(duì)管道的每個(gè)單獨(dú)部分指定管道參數(shù) （包括直徑、涂層、土壤電阻率等） 進(jìn)行定義，確保計(jì)算的準(zhǔn)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(zhǎng)度阻抗 （Ω/m），y為線路管道接地單位長(zhǎng)度導(dǎo)納 （1/Ω·m），E為每單位長(zhǎng)度管道上的縱向感應(yīng)電場(chǎng)。由式 （4） 和式 （5） 推導(dǎo)出感應(yīng)電壓 （V） 的二階微分方程式，如公式 （6）。

運(yùn)用Ritz-Galerkin有限元方法對(duì)公式 （6） 進(jìn)行求解，其中γ=zy??√為管道接地回路的傳播常數(shù)。由于前期計(jì)算中將管道和輸電線分成若干段，所以在求解的過(guò)程中可以將連接管道的兩個(gè)連續(xù)“節(jié)點(diǎn)”分別指定z和y的值得到一組方程，其中節(jié)點(diǎn)上的電壓V為未知值。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)電阻連接部分可將其視為一根在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間具有已知阻抗的導(dǎo)線，同時(shí)接地和特性阻抗可視為管道節(jié)點(diǎn)與不影響遠(yuǎn)場(chǎng)之間的特殊連接。借助前期計(jì)算獲得縱向電場(chǎng)分布結(jié)合公式 （6） 可對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行求解，結(jié)合特性阻抗zo的表達(dá)式為z0=z/y???√，通過(guò)方程 （5） 可用于計(jì)算感應(yīng)電流i，這樣就獲得了埋地輸油管道的交流感應(yīng)電壓及電位結(jié)果。

這種計(jì)算方式可用于對(duì)受交流雜散電流干擾的管道或管網(wǎng)進(jìn)行交流腐蝕干擾分析、優(yōu)化緩解設(shè)計(jì)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。通過(guò)建立管道系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的真實(shí)模型，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定管道、防腐層、土壤電阻率以及相關(guān)電力參數(shù)，可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算出不同輸電狀態(tài)下管道的受干擾情況，對(duì)存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

1.2 不同運(yùn)行狀況下雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

結(jié)合列車(chē)運(yùn)行參數(shù)，利用交流雜散電流干擾模型分別對(duì)沒(méi)有列車(chē)經(jīng)過(guò)、有列車(chē)經(jīng)過(guò)和多車(chē)經(jīng)過(guò)管道段的情況進(jìn)行模擬計(jì)算，列車(chē)位置模擬如圖4所示。

圖4   模擬列車(chē)運(yùn)行位置示意圖

1.2.1 無(wú)列車(chē)運(yùn)行時(shí)管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

模擬無(wú)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，管道的交流腐蝕干擾電壓計(jì)算結(jié)果如圖5a，相應(yīng)的交流腐蝕干擾電流密度如圖5b所示。從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)沒(méi)有列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，管道的最大交流腐蝕干擾電壓0.9 V，最大交流感應(yīng)電流密度為6.94 A/m2。按照國(guó)標(biāo)GB/T 50698-2011規(guī)范中的要求，該管段均屬于“弱”級(jí)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(wú)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)管道沿線交流感應(yīng)電壓與電流密度結(jié)果

1.2.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

高鐵運(yùn)行過(guò)程中在一個(gè)供電區(qū)間段內(nèi)大部分時(shí)間為單車(chē)運(yùn)行，為模擬高鐵在該區(qū)間的運(yùn)行情況，將其抽象成為在該區(qū)域的3個(gè)不同位置。列車(chē)依次通過(guò)位置1、2和3，觀察高鐵經(jīng)過(guò)不同位置時(shí)對(duì)埋地輸油管道的交流影響情況，結(jié)果如圖6所示。首先通過(guò)位置1時(shí)，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(dāng)列車(chē)行至位置2時(shí)，此時(shí)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(dāng)列車(chē)行至位置3時(shí)，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(chē)經(jīng)過(guò)位置1、2、3時(shí)管道沿線交流感應(yīng)電壓與電流密度結(jié)果

首先，從3處不同行車(chē)位置的模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)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(jù)GB/T 50698-2011規(guī)范要求，干擾級(jí)別屬于強(qiáng)干擾，需要采取有效的緩解措施。其次，從高速列車(chē)位于埋地管段不同相對(duì)位置對(duì)其交流腐蝕干擾影響的結(jié)果可以看出，列車(chē)對(duì)管道是動(dòng)態(tài)干擾的，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)管段時(shí)，列車(chē)行駛經(jīng)過(guò)管道的位置，便會(huì)出現(xiàn)干擾的尖峰；當(dāng)列車(chē)遠(yuǎn)離后交流腐蝕干擾現(xiàn)象隨之減輕。

1.2.3 兩車(chē)相匯運(yùn)行評(píng)估

在高速鐵路投入運(yùn)行后，在一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)會(huì)有兩列高速列側(cè)相遇的情況。對(duì)這種極端情況下高速鐵路牽引系統(tǒng)對(duì)埋地輸油管道的交流腐蝕干擾影響也進(jìn)行了研究。假設(shè)運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)兩列車(chē)相向而行，交匯位置如圖3所示，其與單車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)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(jì)算結(jié)果可以看到，此時(shí)有兩列高速列車(chē)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(chē)經(jīng)過(guò)同一位置相比，兩列車(chē)相匯時(shí)，對(duì)埋地輸油管道所產(chǎn)生的交流雜散電流干擾最為嚴(yán)重，根據(jù)GB/T 50698-2011的規(guī)定，干擾級(jí)別屬于強(qiáng)干擾，需要采取有效的緩解措施。

圖7   兩車(chē)相匯和單車(chē)分別經(jīng)過(guò)同一位置時(shí)管道沿線交流感應(yīng)電壓與電流密度結(jié)果

2 輸油管段受交流腐蝕干擾緩解方案設(shè)計(jì)及建議

針對(duì)管道遭受交流電磁干擾，目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)以及石油行業(yè)內(nèi)普遍采取的緩解防護(hù)措施有：增設(shè)屏蔽網(wǎng)、增設(shè)接地排流和增設(shè)絕緣法蘭。結(jié)合實(shí)地情況及效果，建議采用結(jié)合新管道敷設(shè)過(guò)程安裝接地排流設(shè)備的方案。目前埋地輸油管道交流腐蝕干擾防護(hù)中排流接地極一般采用帶狀鋅合金、鎂塊陽(yáng)極和鍍鋅角鋼3種材質(zhì)導(dǎo)體鋪設(shè)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(hù)電流流失，同時(shí)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(shí)，當(dāng)固態(tài)去耦合器失效，陰極保護(hù)電流也會(huì)通過(guò)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(shè)置300 m鋅帶接地，采用ZR-2型鋅帶，經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量土壤電阻率取值設(shè)為30 Ω·m，鋅帶接地電阻為0.32 Ω·m。排流施工方案簡(jiǎn)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(guò)在輸油管道的前中后3個(gè)不同位置各安裝300 m的鋅帶，同時(shí)加裝固態(tài)去耦合器的排流方案的模擬結(jié)果可以看出，基本達(dá)到了排流的效果。采取緩解措施之后，管道的交流感應(yīng)電壓最大為2.3 V，最大電流密度為17 A/m2，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求緩解后管道的交流電流密度應(yīng)小于60 A/m2的要求，交流腐蝕干擾降到了標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖9   接地排流后管道沿線交流感應(yīng)電壓與電流密度結(jié)果

針對(duì)埋地輸油管道受交流雜散電流干擾的實(shí)際情況，結(jié)合上述干擾預(yù)測(cè)評(píng)估及緩解設(shè)計(jì)過(guò)程的研究，提出以下建議：（1） 建議在高速鐵路全線建成運(yùn)行后，對(duì)與之相臨近的埋地輸油管道的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全方面的干擾情況檢測(cè)，同時(shí)對(duì)該改線管段區(qū)域的干擾水平和緩解效果進(jìn)行復(fù)測(cè)；當(dāng)干擾環(huán)境發(fā)生較大改變時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)調(diào)查，對(duì)防護(hù)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整或改進(jìn)防護(hù)措施。（2） 檢測(cè)長(zhǎng)距離平行及交叉管段的陰極保護(hù)情況，對(duì)存在交流腐蝕干擾的管道，在陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)給予更大的保護(hù)電流密度；在運(yùn)行中應(yīng)使管道保護(hù)電位 （相對(duì)于飽和Cu/GuSO4 （CSE），消除IR降后） 比陰極保護(hù)準(zhǔn)則電位 （一般土壤環(huán)境中-850 mVCSE） 更負(fù)。（3） 建立長(zhǎng)效的自檢程序，對(duì)交流腐蝕干擾防護(hù)系統(tǒng)的常規(guī)功能性檢測(cè)內(nèi)容及周期，檢測(cè)內(nèi)容及檢測(cè)周期如表1所示，應(yīng)當(dāng)按GB/T 50698規(guī)定進(jìn)行，以確認(rèn)防護(hù)系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，防護(hù)效果是否符合指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

（1） 當(dāng)沒(méi)有列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，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(dāng)單輛高速列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，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(qiáng)點(diǎn)隨列車(chē)移動(dòng)，干擾級(jí)別屬于強(qiáng)干擾，需要采取有效的緩解措施。當(dāng)兩列高速列車(chē)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(chē)交匯干擾更強(qiáng)，屬于強(qiáng)干擾，需要采取有效的緩解措施。

（3） 通過(guò)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(yùn)行過(guò)程對(duì)臨近埋地輸油管線的交流腐蝕干擾程度。