高速铁路对埋地输油管道交流腐蚀干扰模型分析与应用
近年来，中国高速铁路网络建设速度爆发式增长，新建高速铁路轨道路与原石油输送管线出现大量的交叉及平行状况，其对石化输油管道的电气干扰问题日益受到关注[1]。交流腐蚀干扰不仅会引起管道的交流腐蚀，造成管道腐蚀穿孔、原油或天然气的泄露、引发爆炸等事故[2,3]。而且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，同时，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[4]。高速电气化铁路牵引供电系统对同区域临近金属管道存在容性耦合、感性耦合和阻性耦合3种电磁耦合干扰影响。在缺乏有效保护措施的情况下，长时间作用将会使埋地管道受到严重腐蚀甚至穿孔，影响其安全运营。
为了研究电气化列车对于埋地输油管道交流杂散电流干扰的腐蚀机理及电磁干扰程度，往往需要借助数值模拟计算进行分析，国内外学者在这方面开展了大量的工作。Ferenc[5]使用一对垂直的探针测量了地表面的电极电位，同时表征了大地中杂散电流的电流方向。Zakowsk等[6]对轻轨电车的杂散电流进行了全天的监测，分析了杂散电流随时间的变化规律。Riordan[7]研究了不同敷设方式管线受高压交流输电线的影响的规律，从管线安全及相关环境条件等方面预测交流输电的影响强度，同时对如何减小和排除感应电流和杂散电流对管线的危害进行了详细的讨论。Southey[8]运用计算机模拟技术研究了在高压交流输电线路故障情况下附近埋地管道的交流腐蚀干扰影响规律，并且讨论了有关管道交流腐蚀干扰缓解评价标准的合理性。国内学者在交流杂散电流对于埋地输油管道的腐蚀影响方面的研究较晚，开展了许多运用计算机模拟技术研究输电线路等对埋地输油管道杂散电流腐蚀影响的工作。庞原冰等[9]推导了单边供电及双边供电下杂散电流的分布公式，利用C++语言实现了杂散电流对线路参数、列车参数、埋地金属参数、模型原件参数的模拟。刘燕等[10]从杂散电流的产生机理着手，通过对地铁杂散电流模型的微元分析，推导出土壤中杂散电流分布公式，运用MATLAB计算了不同过渡电阻及土壤电阻下杂散电流的分布，结果表明：杂散电流主要是由走形轨纵向电阻引起的。付安庆等[11]采用电化学技术和失重法研究了管线钢在两种碳酸盐溶液中的交流杂散电流腐蚀行为。研究表明：当交流杂散电流密度为0~20 A/m2时，管道发生均匀腐蚀，当交流杂散电流密度为20~200 A/m2时，管道均匀腐蚀速率加快，当交流杂散电流密度为200~500 A/m2时，管道容易发生局部点蚀。现价段大部分对于电磁干扰的研究工作，多集中采用等效电路法的传统方法，是将整个系统等效划分成不同的电器元件，如：电阻、电容、电感等，然后利用经典电工理论进行求解。其不足是为了求解方便过度简化计算参数，导致计算精度低，因此逐渐被数值模拟技术所取代。本文采用数值模拟技术基于电磁场耦合理论，结合高速铁路运行参数，研究了新型高速铁路供电系统对临近区域埋地输油管道的交流腐蚀干扰情况。同时根据相关标准进行评估，在此基础上对排流方案进行优化计算，提出了针对受高速铁路杂散电流干扰管段的综合治理方案和建议。
1 高速铁路牵引供电系统对临近埋地管道的交流腐蚀干扰
根据GB/T 50698-2011标准中建议借助专业计算机软件对管道的干扰危害情况进行评估。本研究通过资料收集及现场检测，获得相关基础数据。利用数值模拟技术预测高速铁路运营后供电系统对埋地管道的交流杂散电流干扰影响。综合现有标准分析杂散电流影响水平，结合前期调研数据对排流方案进行优化计算，提出并行高速铁路的埋地管段受交流杂散电流干扰综合的治理方案和建议。具体的技术路线如图1所示。
图1 高速铁路牵引供电系统对临近埋地管道交流腐蚀干扰研究技术路线
1.1 交流腐蚀干扰计算模型的建立与求解方法
建立计算模型前，需要对实地数据进行收集并输入模型中以保证计算结果的相关性和准确性。主要收集数据分为管道参数、土壤环境参数和高速铁路供电系统参数等，具体包括高速铁路的供电方式及大小、牵引变压器信息、变电所接地设计结构、钢轨参数及钢轨漏电电阻等重要参数；同时收集输油管道管径，壁厚，防腐层类型，防腐层绝缘电特性，埋深，阴极保护方式，阳极分布位置和周围土壤电阻率等信息。
本文采用Elsyca计算软件中IRIS （Inductive & Resistive Interference Simulator） 模块进行仿真计算。首先根据现场采集的位置等信息建立高铁供电系统与输油管线的位置模型 （如图2所示），同时将调研的其他信息输入模型中作为计算条件。将高铁供电系统线路和输油管道线路划分成若干连续可线性近似线段的集合，划分方式如图3所示。计算过程中会自动考虑管道相对于供电系统的方向，逐段完成计算。稳态感应干扰建模的关键是正确计算感应电动势 （V） 及其产生的纵向电场 （V/m）。其中感应电动势的计算首先需要确定高铁供电系统线路中电场产生的磁矢势，计算方法如公式 （1） 所示，其中μ为磁导率，i—Sn为高铁供电系统线路中单元内的电流值，Gi?Sn为计算单元所用的格林函数，Γcond为积分路径轮廓。
图2 高速铁路与邻近埋地输油管道的位置关系模型
图3 源线 （高铁供电线路） 与受害线 （埋地输油管道） 的分段线性化示意图
然后根据麦克斯韦方程可以计算出沿着一个封闭轮廓Γ的感应电动势e，其中I为电流密度，ω为频率，
根据以上方程 （1） 和 （2） 可以推导出在划分的单元管段Ik上感应电动势的计算方程：
感应电动势公式方程 （3） 给出的是高铁供电系统线路与埋地输油管线方向之间的交叉积函数。所以管道相对于输电线的位置将被自动考虑，并且不需要在平行于 （或不平行于） 输电线的部分细分管道。
根据上述方程获得的电动势值，通过求解已知的传输线模型计算管线的感应电压和电流。传输线模型计算过程中对管道的每个单独部分指定管道参数 （包括直径、涂层、土壤电阻率等） 进行定义，确保计算的准确性。具体的传输线模型如下：
其中，z为线路管道接地单位长度阻抗 （Ω/m），y为线路管道接地单位长度导纳 （1/Ω·m），E为每单位长度管道上的纵向感应电场。由式 （4） 和式 （5） 推导出感应电压 （V） 的二阶微分方程式，如公式 （6）。
运用Ritz-Galerkin有限元方法对公式 （6） 进行求解，其中γ=zy??√为管道接地回路的传播常数。由于前期计算中将管道和输电线分成若干段，所以在求解的过程中可以将连接管道的两个连续“节点”分别指定z和y的值得到一组方程，其中节点上的电压V为未知值。通过适当的边界条件实现对方程的求解，其中包括电阻连接部分、接地和特性阻抗等。针对电阻连接部分可将其视为一根在两个节点之间具有已知阻抗的导线，同时接地和特性阻抗可视为管道节点与不影响远场之间的特殊连接。借助前期计算获得纵向电场分布结合公式 （6） 可对感应电压进行求解，结合特性阻抗zo的表达式为z0=z/y???√，通过方程 （5） 可用于计算感应电流i，这样就获得了埋地输油管道的交流感应电压及电位结果。
这种计算方式可用于对受交流杂散电流干扰的管道或管网进行交流腐蚀干扰分析、优化缓解设计以及风险评估等。通过建立管道系统和输电系统的真实模型，根据实际情况，设定管道、防腐层、土壤电阻率以及相关电力参数，可以快速准确地计算出不同输电状态下管道的受干扰情况，对存在的潜在风险进行评估。
1.2 不同运行状况下杂散电流腐蚀风险评估
结合列车运行参数，利用交流杂散电流干扰模型分别对没有列车经过、有列车经过和多车经过管道段的情况进行模拟计算，列车位置模拟如图4所示。
图4 模拟列车运行位置示意图
1.2.1 无列车运行时管道的风险评估
模拟无列车经过时，管道的交流腐蚀干扰电压计算结果如图5a，相应的交流腐蚀干扰电流密度如图5b所示。从模拟计算结果可以看出，当没有列车经过时，管道的最大交流腐蚀干扰电压0.9 V，最大交流感应电流密度为6.94 A/m2。按照国标GB/T 50698-2011规范中的要求，该管段均属于“弱”级别影响管段，整体管道受到的交流腐蚀干扰影响比较微弱。
图5 无列车经过时管道沿线交流感应电压与电流密度结果
1.2.2 稳态运行时管道风险评估
高铁运行过程中在一个供电区间段内大部分时间为单车运行，为模拟高铁在该区间的运行情况，将其抽象成为在该区域的3个不同位置。列车依次通过位置1、2和3，观察高铁经过不同位置时对埋地输油管道的交流影响情况，结果如图6所示。首先通过位置1时，管段的最大交流腐蚀干扰电压14.6 V，最大交流电流密度109.8 A/m2。当列车行至位置2时，此时管道最大交流电压为13.1 V，最大交流电流密度98.2 A/m2。最后当列车行至位置3时，管道最大交流电压为12.3 V，最大电流密度为92.7 A/m2。
图6 列车经过位置1、2、3时管道沿线交流感应电压与电流密度结果
首先，从3处不同行车位置的模拟结果可以看出，当列车经过时整体管段都受到交流腐蚀干扰影响，最大交流腐蚀干扰电压14.6 V，最大交流电流密度109.8 A/m2。根据GB/T 50698-2011规范要求，干扰级别属于强干扰，需要采取有效的缓解措施。其次，从高速列车位于埋地管段不同相对位置对其交流腐蚀干扰影响的结果可以看出，列车对管道是动态干扰的，当列车经过管段时，列车行驶经过管道的位置，便会出现干扰的尖峰；当列车远离后交流腐蚀干扰现象随之减轻。
1.2.3 两车相汇运行评估
在高速铁路投入运行后，在一个供电区间内会有两列高速列侧相遇的情况。对这种极端情况下高速铁路牵引系统对埋地输油管道的交流腐蚀干扰影响也进行了研究。假设运行过程中当两列车相向而行，交汇位置如图3所示，其与单车经过时对比的交流腐蚀干扰电压及电流密度的分布规律如下图7所示。从计算结果可以看到，此时有两列高速列车在该区间管段位置相向而行交汇后，管道最大交流腐蚀干扰电压17.6 V，最大交流电流密度132.2 A/m2。与单车经过同一位置相比，两列车相汇时，对埋地输油管道所产生的交流杂散电流干扰最为严重，根据GB/T 50698-2011的规定，干扰级别属于强干扰，需要采取有效的缓解措施。
图7 两车相汇和单车分别经过同一位置时管道沿线交流感应电压与电流密度结果
2 输油管段受交流腐蚀干扰缓解方案设计及建议
针对管道遭受交流电磁干扰，目前国内外标准以及石油行业内普遍采取的缓解防护措施有：增设屏蔽网、增设接地排流和增设绝缘法兰。结合实地情况及效果，建议采用结合新管道敷设过程安装接地排流设备的方案。目前埋地输油管道交流腐蚀干扰防护中排流接地极一般采用带状锌合金、镁块阳极和镀锌角钢3种材质导体铺设而成[1]。
交流腐蚀干扰排流通常采用固态去耦合器加裸铜线或者锌带的接地排流方式。固态去耦合器具有“通交隔直”的功能，即防止阴极保护电流流失，同时排掉交流腐蚀干扰电流。如果采用固态去耦合器加裸铜线排流时，当固态去耦合器失效，阴极保护电流也会通过裸铜线流失。所以，本方案采用固态去耦合器加采用锌带排流。具体排流方案为在管段的起始端、中间位置和末端，分布设置300 m锌带接地，采用ZR-2型锌带，经过实地测量土壤电阻率取值设为30 Ω·m，锌带接地电阻为0.32 Ω·m。排流施工方案简图如图8所示。
图8 交流杂散电流干扰缓解示意图
交流杂散电流干扰缓解效果如图9所示，通过在输油管道的前中后3个不同位置各安装300 m的锌带，同时加装固态去耦合器的排流方案的模拟结果可以看出，基本达到了排流的效果。采取缓解措施之后，管道的交流感应电压最大为2.3 V，最大电流密度为17 A/m2，达到了标准要求缓解后管道的交流电流密度应小于60 A/m2的要求，交流腐蚀干扰降到了标准范围内。
图9 接地排流后管道沿线交流感应电压与电流密度结果
针对埋地输油管道受交流杂散电流干扰的实际情况，结合上述干扰预测评估及缓解设计过程的研究，提出以下建议：（1） 建议在高速铁路全线建成运行后，对与之相临近的埋地输油管道的重点区域进行全方面的干扰情况检测，同时对该改线管段区域的干扰水平和缓解效果进行复测；当干扰环境发生较大改变时，应及时进行各项调查，对防护设施进行调整或改进防护措施。（2） 检测长距离平行及交叉管段的阴极保护情况，对存在交流腐蚀干扰的管道，在阴极保护系统设计中应给予更大的保护电流密度；在运行中应使管道保护电位 （相对于饱和Cu/GuSO4 （CSE），消除IR降后） 比阴极保护准则电位 （一般土壤环境中-850 mVCSE） 更负。（3） 建立长效的自检程序，对交流腐蚀干扰防护系统的常规功能性检测内容及周期，检测内容及检测周期如表1所示，应当按GB/T 50698规定进行，以确认防护系统是否运行正常，防护效果是否符合指标要求。
3 结论
（1） 当没有列车经过时，管道的最大交流腐蚀干扰电压0.9 V，交流电流密度均小于30 A/m2，埋地管线受到交流腐蚀干扰较弱。
（2） 当单辆高速列车经过时，整体管段都受交流腐蚀干扰影响，最大交流腐蚀干扰电压14.6 V，最大交流电流密度109.8 A/m2，干扰强点随列车移动，干扰级别属于强干扰，需要采取有效的缓解措施。当两列高速列车在该管段交汇是，最大交流腐蚀干扰电压17.6 V，最大交流电流密度132.2 A/m2，列车交汇干扰更强，属于强干扰，需要采取有效的缓解措施。
（3） 通过固态去耦合器连接锌带的排流方法，能够有效的缓解高铁供电系统运行过程对临近埋地输油管线的交流腐蚀干扰程度。