摘　要：采用BEASY软件模拟方法，对城镇燃气管道阴极保护系统在动态直流杂散电流干扰下的提升进行研究。对单纯采用极性排流措施的情况进行模拟和测试，模拟结果与测试结果吻合较好，证明了模拟方法和模拟结果的可靠性。单纯采取极性排流措施时，管道未得到有效的保护。通过对极性排流、强制排流和接地排流相结合的方案进行数值模拟，得到电位分布云图。依据模拟结果，对原阴极保护系统进行改造，对改造后数据进行测试及效果分析，发现阴极保护系统得到提升，符合阴极保护标准。

关键词：城镇燃气管道；  阴极保护系统；　极性排流；  强制排流；  直流杂散电流

DC Stray Current Drainage Protection for City Gas Pipeline

Abstract：BEASY software is used to study the improvement of cathodic protection system of city gas pipeline undergoing dynamic DC stray current interference．The conditions using only polar drainage are simulated and tested．The simulated results agree well with the test results，which proves the reliability of the simulation method and simulation resuhs．The pipeline is not effectively protected when only polar drainage is used．The potential distribution cloud is obtained by simulating the combination of polar drainage and forced drainage．According to the simulation results，the original cathodic protection system is reconstructed．The data after reconstruction are tested and analyzed．The results show that the cathodic protection system has been improved，and it meets the cathodic protection standard．

Keywords：city gas pipeline；cathodic protection system；polar drainage；forced drainage；DC stray current

1　概述

城镇燃气管道多为埋地敷设，随着城市的发展，管道运行环境越来越复杂。尤其是地铁发展带来的杂散电流干扰，加剧了周围埋地金属管道电化学腐蚀的发生。这种电流干扰造成的腐蚀不仅缩短了金属管道的使用寿命，而且会降低地铁中以钢为主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性事故[1-3]。从已运行多年的天津地铁周围的燃气管道情况来看，杂散电流干扰造成的腐蚀破坏是非常严重的。杂散电流越大，金属管道的腐蚀就越严重，甚至有些壁厚为8～9mm的钢管在使用短短3个月后就发生了腐蚀穿孔。

本文针对城镇燃气管道阴极保护系统存在直流杂散电流干扰的情况，通过现场测试、理论分析、数值模拟、杂散排流、效果评估等方法，进行管道阴极保护系统的直流干扰检测、保护电位分布规律及杂散排流技术研究，在此基础上提升改善城镇燃气管道阴极保护系统。

2　直流杂散电流排流保护

2.1　研究对象

本次研究选取了某次高压燃气管道的龙翔收费站阀室与盐排阀室之间的5.5km作为试验段(位置见图1)，该段管道于2008年4月投产，埋深1.2m，管道规格为Ø508×7.9，设计压力为1.6MPa，运行压力为1.5MPa，钢管材质为L360MB，管道采用3PE+牺牲阳极阴极保护系统进行联合保护，并采取了极性排流措施。管道每隔250m分布一组14.5kg的高电位镁牺牲阳极，每组阳极由2支镁合金阳极组成，镁阳极开路电位取-1.7V，在每组牺牲阳极处安装1个极性排流器。极性排流器阻止直流杂散电流通过牺牲阳极引入管道，在断开状态时其直流漏流量小于1mA，交流阻抗小于0.5W，最大瞬态电流通过能力为150A。该段管道与地铁龙岗线几乎平行，最近处距离约为1.3km，周围多山地，与平盐铁路交叉，周围高压电缆较多，敷设环境复杂。

极性排流器主要由直流单向导通电路、交流旁路电路、浪涌保护电路3路构成。极性排流器负极连接被保护的结构件(如管道)，正极连接镁阳极。其实现的功能为：

①存在直流干扰时，当被保护的结构件(负极)电位低于排流地床(正极)电位时，排流器处于断开状态，漏电流小于1mA；当被保护的结构件(负极)电位高于排流地床(正极)电位时开始导通，导通电流达到10A时，两端的电位差不大于0.3V，可通过的最大瞬态电流为150A。该功能通过直流单向导通电路实现。

②极性排流器的浪涌保护电路可通过一定的浪涌电流，保护后级电路正常工作。

③存在交流干扰时，极性排流器的交流旁路电路提供电流通路，交流阻抗小于0.5W。

2.2　杂散电流排流效果测试与模拟

为了获得目前管道的杂散电流排流效果，对该管段测试桩处的阴极保护电位进行测试。目前国内城镇埋地燃气管道受轨道交通杂散电流干扰测试的研究还处于起步阶段，现阶段较常用的测试技术包括管地电位正向偏移法、检查片腐蚀监测、杂散电流干扰探针测试法、管地电位连续监测、地电位梯度检测、SCM智能杂散电流测绘仪测绘等[4]。受到仪器及使用条件的限制，目前多采用管地电位正向偏移法，本文即选用此种方法。

数值模拟技术是利用数值计算方法(如有限元或边界元等)求解一些物理问题(如电场、磁场、温度场等)，从而得到数值解的一种方法。对于地铁杂散电流和阴极保护来说，它是一个电场问题，可以通过数值模拟技术得到管道、阳极等研究对象上的电位和电流密度分布，以云图方式显示结果。对于已经达到稳态(即不随时间而变化)的阴极保护系统，电位的分布情况可以用拉普拉斯(Laplace)方程来描述[5]。BEASY软件是国外开发的一款基于边界元算法的模拟软件，可对土壤、海水等环境下的电场分布进行计算，在阴根保护的设计优化和效果评估方面有良好的应用。采用BEASY软件对目前的管道电位情况进行模拟研究。实测的和模拟输入的沿线测试桩处土壤电阻、电阻率见表1，在数值模拟中，杂散电流情况以管地电位的形式输入软件。在BEASY软件中进行管道、阳极与土壤盒的建模(见图2)与网格划分，其中土壤盒的尺寸为12km×12km×12km。

在模型建立后，对单独使用镁阳极极性排流的保护效果进行模拟计算，得到管道断电电位分布云图，见图3。从图3可以看出，单独使用镁阳极极性排流措施时，管道未达到有效的阳极保护，很大一部分管段的电位正于-850mV，处于欠保护状态，管道最负的电位仅达到-1055.7mV。

将电位的模拟数据与实测数据进行对比，见表2(因YZ116测试桩处的断电电位漏测，所以模拟断电电位也未给出)。从表2可以看出，数值模拟数据与现场实测数据有较好的吻合性，证明了模拟方法和模拟结果是可靠的。

2.3　排流方案确定

杂散电流的排流措施可分为直接排流法、极性排流法、强制排流法和接地排流法四种。

①直接排流法。这种方法不需要排流设备，简单，造价低，排流效果好。但当管道的对地电位(以下简称管地电位)低于行走轨对地电位(以下简称轨地电位)时，行走轨电流将流入管道内而产生逆流。因此这种排流方法只适合管地电位永远高于轨地电位、不会产生逆流的场所，而这种情况不多，限制了该方法的应用。

②极性排流法。由于电负荷的变动和变电所负荷分配的变化等，管地电位低于轨地电位而产生逆流的现象比较普遍。为防止逆流，使杂散电流只能由管道流入行走轨，必须在排流线路中设置单向导通的二极管整流器、逆电压继电器等装置，这种装置称为排流器，这种防止逆流的排流法称为极性排流法。极性排流法装置安装方便，应用广泛。

③强制排流法。就是在石油、天然气管道和行走轨的电气接线中加入直流电流，促进排流的方法。在管地电位正负极性交变，电位差小，且环境腐蚀性较强时，可以采用此方法。通过强制排流器将管道和行走轨连通，杂散电流通过强制排流器的整流环排放到行走轨上，当无杂散电流时，强制排流器给管道提供一个阴极保护电流，使管道处于阴极保护状态。强制排流法防护范围大，铁路停运时可对油气管道提供阴极保护，但对行走轨的电位分布有影响，需要外加电源。

④接地排流法。管道上的排流电缆并不是直接连接到行走轨上，而是连接到一个埋地辅助阳极上，将杂散电流从管道上排出至辅助阳极上，经过土壤再返回到行走轨上。接地排流法使用方便，但效果不显著，需要辅助阳极，还要定期更换辅助阳极。

通过分析现场数据及运行环境，结合不同排流方法各自的优势及缺点，最终选择极性排流、强制排流和接地排流相结合的方法进行杂散电流排流。由于管道和地铁执行标准不统一，且考虑乘客安全，强制排流的强制排流器的整流环并未排放到行走轨上，而是通过深井阳极地床把管道杂散电流排走。

在上述采取极性排流的基础上，建立一座强制电流排流站，即建立强制排流与极性排流、接地排流相结合的数值模型。采用恒电位仪以及深井辅助阳极作为强制排流装置，恒电位仪额定输出为80V／30A。综合管道情况、土壤环境、牺牲阳极埋设位置及性能参数、电位情况，结合经济性比较数据，优选为在盐排阀室设立一座强制电流排流站，使用一口直径为300cm、深度为120m的深井和9组MMO阳极进行强制电流输出，最大输出电流为30A。

模拟得到的极性排流与强制排流、接地排流相结合的断电电位分布云图见图4。由图4可知，管道整体的断电电位都负于-912mV，且最负电位控制在阴极保护标准所规定的最负电位-1200mV以内，满足相关标准的电位控制要求。在这种稳定且较负的电位保护下，阴极保护系统对地铁动态直流干扰有很强的防护效果。

通过上述模拟研究，优选采用极性排流和强制排流、接地排流相结合的方案，对该管段进行阴极保护系统的提升改善。通过数值模拟，可以预测阴极保护以及杂散电流排流效果，避免盲目施工，且可以在方案中对各参数进行优化，节约了项目成本。

根据模拟优化方案，在盐排阀室设立了一座强制电流排流站。相关设备及设备参数均与前述数值模拟一致。

在完成强制电流排流站的安装调试后，使管道充分极化7d，然后对沿线测试桩的断电电位进行全面测试。测试电位与数值模拟电位的对比见表3。由表3可知，测试电位与数值模拟电位值吻合较好，阴极保护电位满足国家标准要求。这表明数值模拟计算优化方案的方法可行，排流后阴极保护系统能得到提升和改善。

3　结论

①采用数值模拟技术能对城镇燃气管道杂散电流排流方案中的各参数进行优化，预测评估排流效果，避免盲目施工，节约了项目成本。

②极性排流、强制排流和接地排流相结合的方法能有效提高和改善阴极保护系统的阴极保护效果。

参考文献：

[1]金醒群．地铁杂散电流对埋地钢质燃气管道的腐蚀[J]．煤气与热力，2012，32(3)：A31-A34．

[2]程善胜，张力君，杨安辉．地铁直流杂散电流对埋地金属管道的腐蚀[J]．煤气与热力，2003，23(7)：435-437．

[3]罗彬，刘建辉．埋地钢质燃气管道杂散电流腐蚀的测试与防护[J]．煤气与热力，2011，31(7)：B05-B08．

[4]王新华，刘菊银，何仁洋，等．城镇燃气埋地钢质管道杂散电流测试方法[J]．管道技术与设备，2010(2)：45-48．

[5]杜艳霞，张国忠，刘刚，等．金属储罐底板外侧阴极保护电位分布的数值模拟[J]．金属学报，2007(3)：297-302．

本文作者：周吉祥

作者单位：深圳市燃气集团股份有限公司