高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征.pdf

69May20232023年5月CORROSION&PROTECTIONNo.5Vol.44第44卷第5期腐蚀与防护D0I:10.11973/fsyfh-202305013高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征陈乐，杜艳霞，梁毅（北京科技大学新材料技术研究院腐蚀与防护中心，北京1 0 0 0 8 3）摘要：对三条高速铁路附近埋地管道的交直流参数进行了长时间监测，并对监测数据进行了统计分析。结果表明：在高速铁路动态交流干扰下，管道交流干扰参数呈脉冲式波动特征，管道交直流参数的波动与高铁运行情况具有良好的同步性，阴极保护的有效性降低；管道的交流干扰状况与高铁牵引供电方式密切相关，与AT供电方式相比，直接供电方式高铁附近管道的交流干扰周期较长，单个周期内干扰时间也更长。关键词：动态交流干扰；干扰周期；干扰时长；干扰间隔；通电电位；断电电位中图分类号：TG174文献标志码：A文章编号：1 0 0 5-7 48 X（2 0 2 3)0 5-0 0 6 9-0 9Dynamic Fluctuation Characteristics of AC and DC Parameters of Buried Pipeline under AInterference from High-Speed RailwayCHEN Le,DU Yanxia,LIANG Yi(Corrosion and Protection Center,Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science andTechnology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:The AC and DC parameters of buried pipelines near three high-speed railways were monitored for a longtime,and the monitoring data were analyzed statistically.The results showed that under the dynamic AC interferenceof high-speed railway,the AC interference parameters of pipelines displayed pulse type fluctuation characteristics,and the fluctuation of AC and DC parameters of pipelines had good synchronization with the running condition of high-speed railway,and the effectiveness of cathodic protection was reduced.The AC interference condition of pipelinewas closely related to the traction power supply mode of high-speed railway.Compared with the AT power supplymode,the AC interference period of the pipeline near high-speed railway in the direct power supply mode was longer,and the interference time within a single cycle was longer as well.Key words:dynamic AC interference;interference cycle;interference time;interference interval;on-potential;off-potential随着我国石油天然气以及交通运输行业的快速发展，高速铁路与埋地金属管道的敷设里程日益增加。截至2 0 1 8 年底，我国油气长输管道总里程已达到1 3.6 万km，高速铁路运营里程达2.9 万kml1-2。埋地管道和高速铁路大规模建设，二者在某些位置长距离并行或交叉穿越，高速铁路可能对管道产生交流干扰，使得管道面临较高的交流腐蚀风险。近收稿日期：2 0 2 1-0 4-0 4基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 1 6 YFC0802101）通信作者：杜艳霞（1 9 8 0 一），副教授，博士，从事管道阴极保护及杂散电流干扰的相关研究，1 58 0 1 42 9 530，年来国内外报道了大量高速铁路对埋地管道造成交流干扰或引起交流腐蚀的案例 3-5。加拿大一条与交流电气化铁路平行1 0 km的管道发生腐蚀泄漏，测量发现管道交流电压峰值达到30 V，腐蚀泄漏点处有明显蚀坑，并发现针孔大小的穿孔，属于典型的交流腐蚀 6 。李兴锋等 7 选取与铁路交叉穿越的某长输天然气管道进行监测，结果表明：火车通过期间，距离铁路2 0 m管道交流电压最大可达到1 1 2.9 V。秦沈高速铁路对其沿线管道产生交流干扰，测得管道交流干扰电压最高可达1 6 7 VE81与高压交流输电线路对埋地管道造成的交流干扰不同，高速铁路对附近埋地管道的交流干扰呈现出周期性波动 9-1，且管道遭受交流干扰程度与机70陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征车运行状态等因素密切相关 1 2-41 。GEORGE15提出管道交流电压会因机车接触线的负载而变化，多辆列车同时通过邻近的铁轨时管道交流电压波动更加剧烈。HOSOKAWA等 1 6 指出日间轨道交通系统运行时，管道交流电流密度能达到1 50 A/m，夜间系统停运时，管道交流电流密度很低且波动很小。郭庆茹等 1 7 在对电气化铁路引起的间歇干扰的判定和评价中提出了交流干扰频度的概念即某一时间段内某一确定数值区间的电位出现的次数与总测量次数之比，并使用交流干扰频度进行干扰严重程度评定。此外，关于高速铁路动态交流干扰下腐蚀模拟试验的报道较少。NIELSEN等 1 8 通过每隔一段时间改变试片的交流干扰电压模拟高速铁路的动态交流干扰设计了交流干扰试验，研究试片的腐蚀情况，但他们对试片所施加的交流干扰信号与高速铁路附近管道遭受的脉冲式干扰仍有较大差异。高速铁路交流干扰具有动态波动特征，但目前对于管道交流干扰参数的动态波动特性缺乏细致深人的研究。研究高速铁路交流干扰引起的埋地管道交流参数动态波动规律，对于了解高速铁路对附近埋地管道交流干扰以及高速铁路动态交流干扰下试验参数的设计具有重要意义。基于此，本工作对三条高速铁路附近管道交直流参数进行长时间监测，并对监测结果进一步统计分析，得到管道干扰周期，每一周期内干扰时长、干扰间隔等参数的动态波动特征，分析了动态交流干扰对管道通、断电电位等直流参数的影响。1埋地管道交直流参数检测对三条高速铁路附近埋地管道交直流参数进行长时间监测，探究高速铁路对附近埋地管道交流干扰状况，为对比动态、稳态交流干扰，对某交流输电线附近埋地管道同样进行了长时间监测。按照GB/T50698一2 0 1 1 埋地钢质管道交流干扰防护技术标准以及GB/T21246一2 0 1 6 埋地钢质管道阴极保护参数测量方法中规定的试片法，并采用uDL-2数据记录仪以及便携式饱和硫酸铜参比电极进行现场监测。其中uDL-2数据记录仪交流电压量程范围为1 5V（均方根值），直流电压量程为土2 0 V，具有6 5dB的交流（50/6 0 Hz）抑制能力。监测时间为2 4h左右，数据记录频率为1 Hz，监测参数包括交流干扰电压、交流电流、通电电位、断电电位以及直流电流。文中管道交直流电位测量结果均相对于饱和硫酸铜参比电极（CSE），现场检测示意图如图1 所示测试UDL-2参比电极管道试片图1现场监测示意图Fig.1Schematic diagram of field monitoring2结果与讨论2.1动态、稳态交流干扰对比图2 为某高压交流输电线路和高速铁路附近埋地管道交流干扰电压的监测结果。从图2 中可以看出：高压输电线附近埋地管道交流干扰电压稳定在12V左右，波动范围较小，管道受到稳态交流干扰；而高速铁路附近埋地管道交流干扰电压均呈现出脉冲式波动特征，监测的三处高速铁路附近管道交流干扰电压峰值波动范围分别为0.1 9.8 V、0.2 26.1V、0.32 4.2 V，交流干扰电压波动剧烈，管道受到动态交流干扰；此外，高速铁路在夜间列车停运期间，管道交流干扰电压保持在一个较低值附近，且波动很小，可见管道遭受交流干扰状况与高速铁路运行状态密切相关。将现场记录的机车运行情况与管道交流干扰电压监测结果进行比对，结果如图3所示。结果表明：列车的临近和远离与管道交流干扰电压脉冲峰良好对应。这说明管道交流干扰电压峰值的出现与高速铁路机车运行状态密切相关。但管道交流干扰电压脉冲峰出现频率要高于列车经过频次，说明管道交流干扰电压脉冲峰并不是仅在列车经过时存在。此外，本次测试中列车规格与管道交流干扰电压脉冲峰值大小相关性较弱，其原因可能是除列车规格外列车驱动电流、列车运行速度、列车的制动与加速均会对管道交流干扰电压峰值产生影响。2.2交直流参数波动特征分析2.2.1动态交流干扰特征参数分析将管道交流干扰电压监测结果进一步展开后发陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征25卜1020815104520204004080时间/ks时间/ks(a)高压输电线附近管道(b)高速铁路附近管道一30F24/2020151010500408003060时间/ks时间/ks(c)高速铁路附近管道二(d)高速铁路附近管道三图2 管管道交流干扰电压现场监测结果Fig.2 Field monitoring results of AC interference voltage of pipeline near high voltage transmission line(a)and pipelines I,II,II near high speed railway(b,c,d)20F15列车经过(1 6)节列车经过(1 6)节列车经过(1 6)节10列车经过(1 6)节列车经过(8)节10列车经过(8)节列车经过(1 6)节列车经过（8）节列车经过(8)节列车经过(8)节11:13:5210:22:1210:30:3210:38:5214:07:5414:19:3414:31:1414:42:54时刻时刻(a)2020-10-22(b)2020-10-23图3列车临近和远离对管道交流干扰电压波动的影响Fig.3Effects of train approach and departure on fluctuation of AC interference voltage of pipeline现，每个干扰周期均由干扰时长和干扰间隔两部分组成，如图4所示。对现场监测结果进行进一步统计分析，记录高速铁路动态交流干扰下管道交流参数（如干扰周期、干扰时长和干扰间隔、干扰峰值波动范围、峰值持续时间等）的波动特征，根据现场检测数据，将干扰时长分成0 1 0 0 s、1002 0 0 s、2 0 0 30 0 s 等组别，计算高速铁路附近埋地管道监测点各组别干扰时长占统计数据的比例，结果如图5所示。结果表明，同一管道不同地点的交流干扰状况相似，管道一和管道二的干扰时长集中在1 0 0 2 0 0 s，管道三的干扰时长集中在30040 0 s，明显高于前两处管道。72陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征25干扰时长干扰间隔20干扰周期15105171819202122时间/ks图4动态交流干扰的特征参数Fig.4Characteristic parameters of dynamic ACinterference同理，统计3条管道不同监测地点干扰周期以及干扰间隔的分布情况。结果发现：管道一、管道二的干扰周期集中在0 50 0 s，而管道三的干扰周期集中在0 1 0 0 0 s，且管道三受到长周期干扰的频次明显高于前两条管道；管道一、管道二的干扰间隔集中在50 2 0 0 s，管道三的干扰间隔集中在0 150s，相较于前两条管道，管道三的干扰间隔更短。将管道一不同监测点参数的波动情况进行汇总和分析。由图6 可见：在管道一各监测点中，干扰周期分布在0 50 0 s的比例达到7 4%；干扰时长分布-地点1-地点2一地点3一地点4地点5一-地点6地点77-地点8一-地点9-地点1 001000100010070%50%60%70080050%10020080040%80010020040%30%1002003030%292020%10%700800200300600700200300600700200300600700300400500600300400500600300400400500400500500600400500(a)管道一(b)管道二(c)管道三图5高速铁路附近不同管道干扰时长的分布Fig.5 Distribution of interference time of pipelines I(a),II(b)and III(c)near high speed railway8035F%/425%/414015500S0000100S00S000000700S00S20000000020000010sOS100100S0StOS00S0090SS0S900900L0S9OSL00L0080SL2干扰周期/s干扰时长/s(a)干扰周期(b)干扰时长20F3516%/42512%/8154500S0OST0010St00S0StOsS00S0090SS0S900900L0S9OSL00L0080SL008I0SS00IsSIO100t干扰间隔/s干扰峰值持续时间/s(c)干扰间隔(d)干扰峰值持续时间图6 管管道一动态交流干扰特征参数分析Fig.6 Characteristic parameter analysis of dynamic AC interference of pipeline I:(a)interference cycle;(b)interference time;(c)interference interval;(d)peak duration73陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征在50 2 50 s的比例达到8 5.2%，其中干扰时长分布在1 0 0 1 50 s的比例最高，达到32.1%；干扰间隔分布在50 2 50 s的比例达到58.2%，其中分布在50 1 0 0 s的比例最高，达到1 8.8%；干扰峰值持续时间分布在0 1 5s。将管道二不同监测点参数的波动情况进行汇总和分析。由图7 可见：在管道二各监测点中，干扰周期分布在0 50 0 s的比例为6 5%；干扰时长分布在502 50 s 的比例达到7 5.6%，其中干扰时长分布在1 0 0 1 50 s的比例最高，达到2 4.8%；干扰间隔分布在50 2 50 s的比例达到55.2%，其中分布在50100s的比例最高，达到1 4.1%；干扰峰值持续时间也集中在0 1 5s。根据统计结果可知，管道一与管道二交流干扰参数的波动状态十分相似，干扰时长均集中在1 0 0 1 50 s，干扰间隔集中在50 100S。70F25上20%/4150%/41153010105NoOS0000100S00S10009000200S0000s200080OS00010SOSI00100t00S0StOSS00S0090SS0S900900L0S900L00干扰周期/s干扰时长/s(a)干扰周期(b)干扰时长1635H12%/425%/48154具050080060Is22445567701干扰间隔/s干扰峰值持续时间/s(c)干扰间隔(d)干扰峰值持续时间图7 管道二动态交流干扰特征参数分析Fig.7 Characteristic parameter analysis of dynamic AC interference of pipeline II:(a)interference cycle;(b)interference time;(c)interference interval;(d)peak duration将管道三不同监测点参数的波动情况进行汇总和分析。由图8 可见：在管道三各监测点中，干扰周期分布在0 50 0 s的比例为45%，分布在50 0 1000s的比例为37%，交流干扰长周期出现的频次明显高于前两条管道；干扰时长分布在2 50 350s的比例达到33.4%，其中分布在30 0 350 s的比例最高，达到2 0.6%；干扰间隔分布在0 150s的比例达到42.3%，其中分布0 50 s的比例最高，达到1 6.1%；干扰峰值持续时间也集中在0 15s。对比三条管道交流干扰参数动态波动特征发现，前两条管道的动态交流干扰状况十分相似；而管道三受到长周期交流干扰的频次明显高于前两条管道，且每一干扰周期内干扰时长更长，干扰间隔更短，管道的交流干扰状况更加严峻。调研得知，管道三附近高速铁路牵引供电方式为直接供电方式，管道一、管道二处高速铁路牵引供电方式均为AT供电方式，由此可见，管道的交流干扰状况与高速铁路牵引供电方式密切相关。2.2.2动态交流干扰对管道阴极保护参数影响阴极保护作为防止埋地金属管道腐蚀的有效措施，现已在埋地管道广泛应用，而高速铁路会对管道阴极保护系统的运行产生干扰，导致管道阴极保护电位不稳定，降低阴极保护的效果。对三条遭受高速铁路交流干扰的管道阴极保护参数波动进行统计和分析。由表1 可知，现场监测的三条高速铁路附74陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征50F20上40%/430%/4201010000S00000000S I000000200S000200000000520000S00010SOSI0010000S0tOSS00S0090SS0S900900L0S900L2干扰周期/s干扰时长/s(a)干扰周期(b)干扰时长18H3514%/42510%/4615250080IsSI010S055550062+干扰间隔/s干扰峰值持续时间/s(c)干扰间隔(d)干扰峰值持续时间图8 管道三动态交流干扰特征参数分析Fig.8 Characteristic parameter analysis of dynamic AC interference of pipeline II:(a)interference cycle;(b)interference time;(c)interference interval;(d)peak duration表1高速铁路附近管道阴极保护电位的波动Tab.1Fluctuation of cathodic protection potentials ofpipelines near high speed railway阴极保护电位(vsCSE)/V监测地点通电电位断电电位管道一-1.040.72-0.97-0.82管道二-3.48-1.14-1.14-0.87管道三-1.86-0.82-1.14-0.91近管道通电电位与断电电位均存在较大波动，其中管道二的断电电位波动幅值达到2 7 0 mV。图9 为管道一交直流参数波动情况。由图9 可知，日间高速铁路运行时，管道一的通/断电电位以及直流电流密度等参数波动剧烈，夜间列车停运后，管道交直流参数波动均明显减弱，进一步分析发现管道通电电位和直流电流密度有时会发生负向偏移，但偏移持续时间仅1 s，可能是设备滤波带来的干扰。整体来看，管道一交流干扰电压出现峰值时，管道通/断电电位均发生了正向偏移，通/断电电位的偏移与交流干扰电压的波动有良好的一致性。此外，根据管道直流电流密度检测结果可知，日间列车运行时直流电流密度波动较严重，夜间列车停运后直流电流密度波动较小。统计发现，日间列车运行时直流电流密度平均值为0.0 9 8 A/m，夜间列车停运后直流电流密度平均值为0.0 7 0 A/m，日间高铁运行期间管道直流电流密度增加，但管道交流干扰电压出现峰值时，管道的通/断电电位仍会发生正向偏移。处于阴极保护状态下的管道遭受交流干扰后，管道表面发生周期性的阳极极化与阴极极化，由于阴极极化速率与阳极极化速率不相等，在一个交流电周期内极化电位发生偏移 1 9 ，在高铁脉冲式交流干扰下，其附近管道的极化电位也会发生周期性波动。图1 0 为管道二交直流参数波动情况。由图1 0可知：当管道二交流干扰电压峰值高于2 0 V时，管道通电电位出现大幅度负向偏移。现场使用高内阻万用表FLUKE289测试发现，当交流干扰电压出现峰值时，试片通电电位仅小幅度正向偏移，说明uDL-2记录数据失真。该现象可能是由于交流干扰电压超过了uDL-2记录仪的量程且设备滤波不完全造成的，此时的电位并不是管道的真实电位；该管道断电电位波动情况与管道一类似，交流干扰导致断电电位正向偏移；管道遭受交流干扰后，管道直流75陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征-0.6-0.71.5101010888-0.8值流电流密0.56通电电位断电电位66-0.94440.55交流干扰电-1.022交流干抓2交流干扰串0001.21.1040800408004080时间/ks时间/ks时间/ks(a)通电电位(b)断电电位(c)直流电流密度8(z-WV）/0.801060.851.08通电电位-0.90断电电位0.906直流电流密度0.5401.00交流干抛单麻-0.95交流干扰电压20.50交流干扰电压1.1001.00240002500065007500850028800290002920029400时间/s时间/s时间/s(d)通电电位局部放大图(e)断电电位局部放大图(f)直流电流密度局部放大图图9管道一交直流参数波动情况Fig.9 Fluctuation of DC and AC parameters of pipeline I:(a)on-potential;(b)enlarged view of on-potential;(c)off-potential;(d)enlarged view of off-potential;(e)DC current density;(f)enlarged view of DC current density30300.4302.0(z-.V)/草0.5通电电位2020200.81.0交流干扰1.5断电电位直流电流密度102.51010交流干1.2交流干03.500-1.0040800306003060时间/ks时间/ks时间/ks(a)通电电位(b)断电电位(c）直流电流密度2.0250.5250.525通电电位/201.51.0直流电流密度1515奔流干扰电用15断电电件1.02.5交流扰电压10交流扰电压53.51.51.035746810234567时间/ks时间/ks时间/ks(d)通电电位局部放大图(e)断电电位局部放大图(f)直流电流密度局部放大图图1 0管道二交直流参数波动情况Fig.1o Fluctuation of DC and AC parameters of pipeline II:(a)on-potential;(b)enlarged view of on-potential;(c)off-potential;(d)enlarged view of off-potential;(e)DC current density;(f)enlarged view of DC current density电流密度发生明显的正向偏移。统计管道二直流电流密度可知，日间列车运行时直流电流密度平均值为0.36 A/m，夜间列车停运后直流电流密度平均值降低至0.31 A/m。图1 1 为管道三交直流参数波动情况。由图1 1可见：管道交流干扰电压出现峰值时，管道通/断电电位发生正向偏移，交流电压干扰峰值与管道通/断电电位峰值能良好对应；根据管道直流电流密度检76陈乐，等：高速铁路交流干扰下埋地管道交直流参数动态波动特征25250.7(z-V)/0.8200.62020真流电流密度15通电电位1.215断电电位0.90.2101010交流干扰电片交流干扰电压0.21.6食流干扰电551.30.60002.0040800408004080时间/ks时间/ks时间/ks(a)通电电位(b)断电电位(c)直流电流密度25250.60.9-1.28202020直流电流密度入/1515小断电电位0.2通电电位1.321.1101010交干扰电压交流干扰电压50.2交流干扰电压1.361.3022.5002280050015002500350045001000200030004000时间/s时间/s时间/s(d)通电电位局部放大图(e)断电电位局部放大图(f)直流电流密度局部放大图图1 1管道三交直流参数波动情况Fig.1l Fluctuation of DC and AC parameters of pipeline Il:(a)on-potential;(b)enlarged view of on-potential;(c)off-potential;(d)enlarged view of off-potential;(e)DC current density;(f)enlarged view of DC current density测结果可知，日间列车运行时直流电流密度波动较严重，夜间列车停运后直流电流密度波动较小，该管道直流电流密度与交流干扰电压的波动一致性较好，管道交流干扰电压出现峰值时，直流电流密度增加，日间高速铁路列车运行时直流电流密度平均值为0.1 3A/m，夜间列车停运后直流电流密度平均值为0.0 9 9 A/m。3结论统计分析了三条高速铁路附近管道交直流参数动态波动情况，得到不同供电方式高速铁路附近埋地管道交流干扰周期、每一周期内干扰时长、干扰间隔等参数的动态波动特征，主要结论如下：（1）高速铁路附近管道交流干扰参数呈现出脉冲式波动特征，夜间列车停运后管道交流干扰电压较低且波动很小，列车的临近或远离与管道干扰冲击峰的出现吻合良好，但管道交流干扰电压脉冲峰出现频率高于列车经过频次。（2）A T 供电方式高速铁路附近管道干扰周期分布在0 50 0 s，单个干扰周期内干扰时长集中在100150s，干扰间隔集中在50 1 0 0 s。（3）直接供电方式高速铁路附近管道干扰周期分布在0 1 0 0 0 s，单个干扰周期内干扰时长集中在30 0 350 s，干扰间隔集中在0 50 s，与AT供电方式相比管道交流干扰周期较长，单个周期内干扰时间也更长（4）高速铁路动态交流干扰会对附近管道的阴极保护状态产生影响，管道交直流参数的波动与高铁运行情况具有良好的同步性，波动周期一致，日间高铁运行期间管道交流干扰电压出现峰值，阴保电流增大，但管道通/断电电位仍发生正向偏移，降低了阴极保护的有效性。（5）当交流干扰电压高于2 0 V后，由于设备滤波原因uDL-2数据记录仪所记录的试片通电电位失真，发生大幅度负向偏移。参考文献：1高鹏，高振宇，王峰，等。2 0 1 8 年中国油气管道建设新进展.国际石油经济，2 0 1 9，2 7（3）：54-59.2张雷，张航中国铁路7 0 年桥梁技术发展与进步（上）J门铁道知识，2 0 1 9（5）：42-49.3MILESEVIC B,FILIPOVICGRCIC B,RADOSEVICT.Electromagnetic fields and induced voltages on un-derground pipeline in the vicinity of ac traction systemJ.Journal of Energy and Power Engineering,2014,8(7):1333-1340.4CHARALAMBOUS C A,DEMETRIOU A,LAZARIA L,et al.Effects of electromagnetic interference onunderground pipelines caused by 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