郭強(qiáng) 劉卿 劉彤 陳永理

國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道北京輸油氣分公司

摘要：交流電氣化鐵路與埋地管道之間交叉穿越或并行的敷設(shè)方式，會(huì)使管道受到電磁干擾的影響而發(fā)生交流腐蝕。以北京某交流電氣化鐵路與沿線某長輸天然氣管線形成“公共走廊”為背景，建立計(jì)算仿真模型，探索交流電氣化鐵路對管道干擾的規(guī)律，從人身安全風(fēng)險(xiǎn)、管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)以及管道涂層擊穿破損風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)方面定量計(jì)算該鐵路在不同運(yùn)營情況下對埋地管道產(chǎn)生的電磁干擾影響。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；交流干擾；電氣化鐵路；交流腐蝕

北京軌道交通某號線與鄰近某天然氣管道形成“公共走廊”，管道沿線與該軌道雙線存在86°夾角的路由交叉。為確保交流電氣化鐵路各種運(yùn)行狀態(tài)下鄰近管道系統(tǒng)的安全性，開展交流電氣化鐵路對埋地管道的電磁干擾研究工作，通過建立軌道交通與某天然氣管道“公共走廊”干擾模型，計(jì)算并分析軌道交通在不同運(yùn)營情況下的人身安全風(fēng)險(xiǎn)、管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)以及管道涂層擊穿破損風(fēng)險(xiǎn)。

1  “公共走廊”計(jì)算模型

1.1  天然氣管道模型參數(shù)

某天然氣管道全長75.6 km，途經(jīng)3座站場。管道采用外加電流陰極保護(hù)和外防腐涂層聯(lián)合方式進(jìn)行管道的腐蝕防護(hù)。防腐層為3PE材質(zhì)，厚度3 mm，面電阻率100 000 m²。管徑1016 mm，壁厚26.2 mm，平均埋深3 m，管材X70鋼，設(shè)計(jì)壓力10 MPa。管道在B分輸站進(jìn)行絕緣，其中A分輸站至B分輸站（38.5 km）、B分輸站至C分輸站（37.1 km）分別為電連續(xù)段。

1.2  軌道交通模型參數(shù)

北京軌道交通某號線，線路長約74 km，整體呈東西走向，采用帶回流線的直接供電（DN式）模式。單列機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行電流為309 A。接觸網(wǎng)和鋼軌發(fā)生短路故障情況下，短路電流最大為5.8 kA。故障清除時(shí)間0.1 s。計(jì)算模型包含一個(gè)供電臂區(qū)間長度約29.0348 km的牽引變電所。

1.3  環(huán)境模型參數(shù)

“公共走廊”范圍內(nèi)沿線共有12個(gè)排流樁。管道沿線土壤電阻率介于15.1 Ω·m～305.2 Ω·m之間，為不失一般性，模型中所采取平均土壤電阻率為63.686 Ω·m。

1.4  “公共走廊”計(jì)算模型構(gòu)建

基于CDEGS計(jì)算軟件建立交流干擾源與管道相對位置的模型，輸入干擾源與管道參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算分析從而得出所需結(jié)果。根據(jù)實(shí)際情況建立計(jì)算模型（圖 1），整個(gè)模型中包括了軌道交通和管道系統(tǒng)實(shí)際路由。模型采用的各參數(shù)均基于實(shí)際資料選取，從而可以準(zhǔn)確反映現(xiàn)場實(shí)際情況。

圖 1 計(jì)算機(jī)仿真模擬模型： X-Y平面圖

1.5  數(shù)值模擬運(yùn)行工況分析

（1）北京軌道交通最大時(shí)速范圍為120 km/h ～160 km/h，單線單車工況下，為滿足機(jī)車運(yùn)行對管道的交流干擾的評估要求，同時(shí)考慮計(jì)算體量，在長度約29.0348 km的供電區(qū)間線路設(shè)置30個(gè)機(jī)車位置進(jìn)行模擬，即監(jiān)測間隔約1 km。

（2）按輕軌3 min/次的發(fā)車頻率以及120 km/h的時(shí)速進(jìn)行計(jì)算，前后兩車間距為6 km，考慮輕軌加速和減速階段，計(jì)算結(jié)果保守考慮選擇兩車之間間隔為3 km，因此單個(gè)供電區(qū)間長度每線大約10輛同時(shí)在運(yùn)行，故在雙線多車工況下，選擇每線10車進(jìn)行模擬。

2  交流干擾評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

電氣化鐵路對管道的電磁影響主要涉及人身安全、管道涂層擊穿以及管道交流腐蝕等問題。

2.1  人身安全標(biāo)準(zhǔn)

（1）電氣化鐵路正常通車時(shí)的人身安全電壓。根據(jù)NACE SP 0177標(biāo)準(zhǔn)，對于電氣化鐵路正常通車進(jìn)行安全評估采用15 V這一安全指標(biāo)。

（2）電氣化鐵路接觸線和鋼軌短路故障時(shí)的人身安全電壓。故障情況下采用的評估標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 50065―2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，其安全限值計(jì)算如下：

故障清除時(shí)間即接地故障電流持續(xù)時(shí)間 t s ：0.1 s（電氣化鐵路）。

基于式（1）和式（2）計(jì)算接觸電壓和跨步電壓的允許值。

式中， Ut 為接觸電位差允許值，V；Us 為跨步電位差允許值，V；ρs 為地表層的電阻率，Ω·m； Cs 為表層衰減系數(shù)； t s 為接地故障電流持續(xù)時(shí)間，s。

表層衰減系數(shù)CS 計(jì)算如式（3）：

其中，ρs 為地表層電阻率，Ω·m；P為地表層下面的電阻率，Ω·m；hs為表層厚度。

計(jì)算得到不同金屬凸出物的安全限值，表層土壤電阻率63.6 Ω·m，接觸電壓允許值584.47 V，跨步電壓允許值691.21 V。

2.2  管道涂層安全電壓限值

當(dāng)電氣化鐵路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流通過感性耦合和阻性耦合的綜合影響在管道防腐層兩側(cè)產(chǎn)生較高的電壓，可能擊穿防腐層。允許的短時(shí)涂層電壓按照限值5000 V進(jìn)行評價(jià)。

2.3  管道交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)限值

依據(jù)SY/T 0087.6―2021《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 第6部分：埋地鋼質(zhì)管道交流干擾腐蝕評價(jià)》，當(dāng)交流電流密度未超過30 A/m²時(shí)，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為“弱”。參考該標(biāo)準(zhǔn)，選取交流電流密度30 A/m²作為緩解交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的限值。

3  軌道交通單線單車行駛干擾情況

3.1  模擬管道涂層缺陷破損點(diǎn)

在CDEGS軟件中，將涂層小缺陷破損孔模擬為一個(gè)圓柱狀的金屬板，破損點(diǎn)對地電阻（即涂層破損點(diǎn)的等效電阻）可以通過電流密度理論獲得。

管道在63.686 Ω·m土壤里，1 cm²涂層小缺陷破損孔的等效電阻按式（4）計(jì)算：

即圓柱形小缺陷孔總有效電阻為2843.13 Ω。

3.2  交流干擾情況

軌道交通上行方向單線單車行駛。基于CDEGS軟件繪制管道沿線的不同交流干擾電壓分布曲線，提取機(jī)車處于30個(gè)不同位置時(shí)管道沿線各個(gè)位置的交流干擾電壓最大值繪制最大交流干擾包絡(luò)線，最大值出現(xiàn)軌道交通與埋地管道交叉的位置，在B分輸站絕緣接頭的位置有峰值回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。管道沿線最大交流干擾電壓為0.507 V，遠(yuǎn)小于安全限值15 V標(biāo)準(zhǔn)。管道沿線最大涂層電壓為0.639 V，遠(yuǎn)小于安全限值15 V標(biāo)準(zhǔn)；地面可接觸物體（如測試樁、閥室等）的最大接觸電壓為0.751 V，也未超過安全限值15 V標(biāo)準(zhǔn)。流過1 cm²缺陷孔的最大泄漏電流密度為1.795 A/m²，低于30 A/m²，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為低（圖 2）。

圖 2 管道里程分布最大包絡(luò)線

軌道交通下行方向單線單車行駛。管道沿線最大交流干擾電壓為0.510 V，管道沿線最大涂層電壓為0.631 V，地面可接觸物體（如測試樁、閥室等）的最大接觸電壓為0.74 V，均未超過安全限值。流過1 cm²缺陷孔的最大泄漏電流密度為1.805 A/m²，低于30 A/m²，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為低。

4  單線接觸線與鋼軌短路故障干擾情況

由前文單線單車在每個(gè)位置對管道的交流干擾水平來看，機(jī)車從G1點(diǎn)至G30點(diǎn)位依次移動(dòng)時(shí)，管線交流干擾最大值逐漸減小，因此單線接觸線與鋼軌短路故障選擇在G1點(diǎn)；交流干擾最大值出現(xiàn)在管道與輕軌交叉的位置附近，即交叉位置為重點(diǎn)觀測點(diǎn)；最后一處故障位置選擇供電區(qū)間端點(diǎn)G30作為對比。

軌道交通上、下行方向，接觸線與鐵軌短路故障在三種不同點(diǎn)位時(shí)，計(jì)算出埋地管道沿線最大涂層電壓及地面可接觸物體（如測試樁、閥室等）的最大接觸電壓（表 1）。三種故障工況下，埋地管道沿線最大涂層電壓均遠(yuǎn)小于安全限值5 kV標(biāo)準(zhǔn)，地面可接觸物體（如測試樁、閥室等）的最大接觸電壓也均未超過安全限值584.47 V。

表 1 機(jī)車在不同點(diǎn)位出現(xiàn)故障的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)情況

5  雙線多車管道交流干擾情況

（1）雙線多車正常運(yùn)行情況。當(dāng)該軌道上下行方向雙線各有10輛車在運(yùn)行的情況下，管道沿線最大交流干擾電壓為2.999 V，管道沿線最大涂層電壓為3.594 V，地面可接觸物體（如測試樁、閥室等）的最大接觸電壓為4.218 V，均未超過安全限值。流過1 cm²缺陷孔的最大泄漏電流密度為10.615 A/m²，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為低。

（2）管道原有交流干擾與輕軌干擾線性疊加。該埋地管道沿線除軌道交通干擾外，還有輸電線路等其他干擾源，對管道沿線測試樁位置交流電壓、排流地床交流電位、地床接地電阻、開路電位進(jìn)行復(fù)測，作為其他交流干擾源的原始干擾，與軌道交通的干擾水平進(jìn)行線性疊加情況下，交流干擾電壓最大為5.043 V，小于安全限值；流過1 cm²缺陷孔的最大泄漏電流密度疊加后為17.854 A/m²，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為低。

6  結(jié)論

（1）交流干擾電壓最大值出現(xiàn)軌道交通與埋地管道交叉的位置，在B分輸站絕緣接頭的位置有峰值回轉(zhuǎn)。

（2）軌道交通在不同運(yùn)行工況下，對某埋地天然氣管道的交流干擾均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，無需額外設(shè)置防護(hù)措施。

（3）根據(jù)上述交流干擾計(jì)算結(jié)果，建議在軌道交通線與某埋地管道交叉位置（即干擾電壓最大峰值位置）及其上下游安裝智能測試樁1～3處，實(shí)現(xiàn)對最大干擾管段的交流干擾水平進(jìn)行定期監(jiān)測，方便管道管理單位根據(jù)干擾情況的發(fā)展變化及時(shí)識別管道交流干擾風(fēng)險(xiǎn)。

作者簡介：郭強(qiáng)，1987年生，本科，中級工程師，現(xiàn)任北京輸油氣分公司管道部主任，主要從事管道保護(hù)及管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：18600105001，615358797@qq.com。