1、Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123轨交杂散电流对临近管道的干扰与治理轨交杂散电流对临近管道的干扰与治理Interference and mitigation of buried steel pipes subject to stray current from d.c.transit system秦朝葵同济大学燃气工程研究所Tel：1Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123内容内容1.轨交杂散电流腐蚀的产生轨交杂散电流腐蚀的产生2.相关标准与责任甄别相关标准与责任甄别3.国内外现状国内外现状4.结论
2、与建议结论与建议2Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311232011年7月，上海天然气管网公司上海天然气管网公司在对管线进行检测时，在9标管网发现严重杂散电流腐蚀案例（距离七号线陈太路基地约700米），缺陷深度5.1mm（管线设计壁厚9.5mm计算，此处金属损失达53.7%），对于管网的安全运行存在严重危害。若非及时发现，不出两年便会穿孔。腐蚀示例一腐蚀示例一32009年年12月月5日，一期工程日，一期工程(上海大学站上海大学站花木路站花木路站，后滩站除外，后滩站除外)通车试运营通车试运营The No7 transit line was put into ope
3、ration 5-Dec-2009Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123腐蚀示例二腐蚀示例二(1)腐蚀强度大，危害大腐蚀强度大，危害大。原电池型的电化学腐蚀，驱动电位差仅数百mV，腐蚀电流仅数十mA；杂散电流干扰存在时，腐蚀原理转为电解电池，电位可达数V，电流最大可能上百A。1A的直流电从金属体流至电解液，一年将腐蚀9.1kg铁、34kg铅、10kg铜、3kg铝；若一年中供给地铁(轻轨)牵引机车的电流中有400A 的回流成为杂散电流，将腐蚀掉3640kg钢铁；50A 的回流成为杂散电流，将腐蚀掉相当于9.1m长的钢轨(50kg/m)；(2)影响范围广，随机性
4、强影响范围广，随机性强。地铁的杂散电流，几乎影响整个城区的地下金属管网；轨道与地的绝缘电阻，管道的防腐绝缘层电阻，土壤电阻率、电流大小等都是变化的，因此杂散电流流向也是随机的，给防护带来一定难度。北京地铁车辆启动时，流入地下的杂散电流曾达100A以上。华盛顿新建地铁的两个变电站之间也经常有532A的杂散电流。此外，杂散电流还有其它危害。如流经建筑钢筋时引起发热、破坏结构的强度，或对弱电信道的干扰等。张杨路浦城路口张杨路浦城路口2022-06-184Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123同济大学团队杂散电流研究同济大学团队杂散电流研究 2007-2009：上海
5、浦东燃气销售有限公司，地铁No2世纪大道 2009-2010：上海浦东燃气销售有限公司，张江有轨电车 2014-2015：上海建交委科技委，上海天然气管网公司。高压环网附近的地铁干扰(沈杜公路、陈太路、富锦路、拱极路、外环路等，检测、排流)。2015-2016：杭州燃气集团，地铁站、场站附近 2015-2016：无锡华润燃气，地铁站附近 2017-2018:上海燃气市北公司，共和新路新客站穿越段(套管).2021-2023：长沙新奥燃气，地铁站附近 2021-2024：佛山天然气高压管网5Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311231.轨交侧杂散电流产生原因轨交侧
6、杂散电流产生原因Rail-transit system&Stray current 6 轨交系统供电：触网供电、走行轨回流；轨交系统供电：触网供电、走行轨回流；钢轨对地电位钢轨对地电位(即轨地电位即轨地电位)的变化是杂散电流产生的根本原因的变化是杂散电流产生的根本原因 轨地电位：正数十伏轨地电位：正数十伏-上百伏上百伏负数十伏。负数十伏。Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123 轨交侧已有防治措施轨交侧已有防治措施(1)降低回流通路电阻降低回流通路电阻：减小牵引变电所间距、保证回流通路畅通，增设辅助回流线，运营中正线牵引网尽量采用“双边”供电等。增加回流轨的截
7、面积；足够轨道之间的连接；增大泄漏路径电阻增大泄漏路径电阻：加大回流钢轨与道床及主体结构之间的绝缘，走行钢轨采用点支承并加强支承点绝缘能力；木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层；紧固用的螺栓及扣件与混凝土轨枕之间的绝缘电阻在干燥情况下应大于108。使用不接地或二极管接地的回流电路；车辆段的轨道的绝缘隔离；正线轨道的分段处理。7Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123 排流保护措施排流保护措施:沿走行轨下纵向设置电流收集网，为杂散电流提供良好的回路，将泄漏电流通过收集网排流电缆、排流柜等引回至各牵引变电所。特殊区段的防护特殊区段的防护盾构
8、区间隧道高架区段车辆段及停车场 轨交侧已有防治措施轨交侧已有防治措施(2)8Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123管道侧现有防护措施管道侧现有防护措施Protection measures from pipeline sides防腐层：3PE(加强级)；Pipeline coatings:3PE(reinforced);外加电流的阴极保护；或者，Impressed current CP;Or,牺牲阳极的阴极保护；或者，Galvanic anodes CP外加电流+牺牲阳极的阴极保护 Impressed current together with galvan
9、ic anodes9Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123已有措施下正线杂散电流外泄原因已有措施下正线杂散电流外泄原因10纵向电阻、过渡电阻无法达到要求；纵向电阻、过渡电阻无法达到要求；轨道电位偏高，电位轨道电位偏高，电位限位器动作；限位器动作；接地/排流网连续性及启用状态；接地/排流网连续性及启用状态；Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123通电电位：-4.45+3.54 V(地铁运行时段)夜间背景电位：-1.15V(地铁停运时段)结论：严重干扰，干扰来自于地铁结论：严重干扰，干扰来自于地铁 交流干扰电压：0.120.41
10、V；影响不大；地铁运行期间，波动范围为-2+3V；凌晨时段(2:00-4:00)为-0.4A结论：杂散电流干扰严重，阴保措施不足，需整改管线为佛山电厂专线测点西侧为二号线地铁湖涌车辆段，南侧即为二号线地铁湖涌车辆段出口轨道与高压燃气管线交叉处 杂散电流原因杂散电流原因(1)轨交正线运行佛山南庄附近管地电位测试轨交正线运行佛山南庄附近管地电位测试Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123 杂散电流原因杂散电流原因(2)地铁侧运行管理杭州凤起路地铁站地铁侧运行管理杭州凤起路地铁站12 15:10之前，管地电位波动明显-2.5V1.5V，平均正偏200300mV；15
11、:10之后管地电位波动较小，-0.4-0.8V之间，小时平均正偏20mV左右；地铁停运，波动逐渐平缓；正常情况下，杂散电流干扰较小；背景通电电位，-0.4-0.67V之间；Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123杭州凤起路地铁站杭州凤起路地铁站 地铁运行期间-85+100V之间波动，地铁停运后逐步回零；地铁运行期间，轨道电位限位器频繁导通，存在调试管理方面的缺陷。测试期间，向技术人员询问，已导通2天，15:10左右，经沟通，断开；电位波动范围较大；13Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123 杂散电流原因杂散电流原因(3)地铁
12、系统的设计地铁系统的设计上海No7#陈太路轨交检修基地的杂散电流回路两个杂散电流回路两个杂散电流回路14 基站内二极管的使用；基站内二极管的使用；停车库的接地极；停车库的接地极；交叉点交叉点A的轨地电位的波的轨地电位的波动；动；基站内的轨地电位：负的幅度不大、持续时间长；相当于一个巨大范围的“汇”Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123基站内土壤电位梯度基站内土壤电位梯度15Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123管道附近土壤电位梯度管道附近土壤电位梯度16Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311
13、2317轨交杂散电流对管道构成腐蚀的原因轨交杂散电流对管道构成腐蚀的原因轨交侧轨交侧 电气设计方面的缺陷：车库接地；单导的使用；车库碎石道床的绝缘问题；正线的运行管理问题：绝缘枕垫；铁屑、油泥；渗水；管线侧管线侧 防腐层质量问题；牺牲阳极或外加电流；阴极保护设计理念滞后；17Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311232.相关标准与责任甄别18Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123 施加阴极保护后，使用硫酸铜参比电极测得的极化电位至少应达到-850mV或更负。测量电位时，必须考虑必须考虑IR降的影响。降的影响。采用断电法断电法测
14、得的管地电位应达到-850mV或更负。在阴极保护极化形成或衰减时，测得的被保护管道表面与土壤接触的、稳定的参比电极之间的阴极极化电位值阴极极化电位值不应小于100mV。存在细菌腐蚀时，管道通电保护电位应小于或等于-950mV；沙漠地区，管道的通电保护电位应小于或等于-750mV。管道侧的保护电位要求管道侧的保护电位要求：CJJ 95-2013城市燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程施加阴极保护的系统，断电电位应负于-850mV19Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123IR降的消除或部分消除问题：降的消除或部分消除问题：NACE RP0169-2002 Contr
15、ol of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems 埋地或水下金属管线系统外部腐蚀控制(美国国家防腐协会)在评价阴极保护有效性上，腐蚀泄漏史腐蚀泄漏史结合管地电位管地电位作为是否达到了足够阴极保护的依据。对于钢与铸铁管道，施加阴极保护时的负对于钢与铸铁管道，施加阴极保护时的负(阴极的阴极的)电位至少为电位至少为850mV(CSE)。必须考虑除构筑物与电解质界面处之外的电压降，以便对测量的电压做出有效的解释。注：所谓注：所谓“考虑考虑”是指，在应用下列方法确定电压降的重要性时，应采用合理的实用工
16、程技术，如：测量或计算电压降、检查阴极保护是指，在应用下列方法确定电压降的重要性时，应采用合理的实用工程技术，如：测量或计算电压降、检查阴极保护系统历史记录、评价管道及其环境的自然特性和电性能、确定是否存在腐蚀的实际证据等。系统历史记录、评价管道及其环境的自然特性和电性能、确定是否存在腐蚀的实际证据等。没有给出确定的消除IR降的方法。没有给出确定的消除IR降的方法。20Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123 当结构温度接近于环境温度，不含活跃的硫酸盐还原菌时，使用电位标准结构所有部分的电位等于或负于-850mV(CSE)。防止土壤对电位测试读数产生干扰的方法
17、，是测量瞬时断电电位瞬时断电电位。承受变化杂散电流干扰时：管地电位是波动变化时，应使用数据记录仪表或电位图形记录器数据记录仪表或电位图形记录器等对变化的杂散电流情况和大地电流情况进行评估。测量的电位是结构极化电位与电解质中电位梯度电位之和。当电位受到杂散电流影响时，或许不可能确定其是否与电位梯度无关，因此也无法将测量的电位与判断标准进行比较。这种情况下，可用电位梯度来确定保护标准。使用测量的电位来决定阳性偏移(正偏)的幅度与持续时间。承受直流牵引杂散电流埋地结构承受直流牵引杂散电流埋地结构之要求如下：必须记录足够长时间段内的电位数据，确保涵盖最大的杂散电流干扰情况。这一时间段应包括早晨和夜间的
18、工作高峰期，通常为20小时。若使用数据记录仪表来监测电位，其采样频率不应低于4次/分钟。IR降的消除或部分消除问题：降的消除或部分消除问题：AS2832.1-2004 Cathodic protection of metals,Part1:pipes and cables金属的阴极保护，第1部分：管道与线缆(澳大利亚国家标准)用瞬间断电的方法消除IR降，作为判定依据。波动的杂散电流时，连续记录干扰侧不同强度下的管地电位。21Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123对于涂层质量良好或者已证明对于杂散电流干扰之极化和去极化非常快的结构，应符合下述标准：对于涂层质量
19、良好或者已证明对于杂散电流干扰之极化和去极化非常快的结构，应符合下述标准：(1)大于判断标准之电位正偏的时段大于判断标准之电位正偏的时段(对铁质结构，对铁质结构，-850mV以上以上)，不得超过测试时段的，不得超过测试时段的5%；(2)大于判断标准之电位正偏大于判断标准之电位正偏+50mV的时段的时段(对铁质结构，对铁质结构，-800mV以上以上)，不得超过测试时段的，不得超过测试时段的2%；(3)大于判断标准之电位正偏大于判断标准之电位正偏+100mV的时段的时段(对铁质结构，对铁质结构，-750mV以上以上)，不得超过测试时段的，不得超过测试时段的1%；(4)大于判断标准之电位正偏大于判断
20、标准之电位正偏+850mV的时段的时段(对铁质结构，对铁质结构，0mV以上以上)，不得超过测试时段的，不得超过测试时段的0.2%；对于涂层出现破损或者已证明对于杂散电流干扰之极化和去极化比较慢的结构，大于判断标准之电位正偏的时段(对铁质结构，-850mV以上)，不得超过测试时段的10%；IR降的消除或部分消除问题：降的消除或部分消除问题：AS2832.1-2015 Cathodic protection of metals,Part1:pipes and cables金属的阴极保护，第1部分：管道与线缆(澳大利亚国家标准)波动的杂散电流情况下，依管道的防腐层情况，根据电位正偏的持续时段，判断阴
21、极保护是否有效。波动的杂散电流情况下，依管道的防腐层情况，根据电位正偏的持续时段，判断阴极保护是否有效。评价评价通电电位?断电电位？通电电位?断电电位？。22表表3 直流牵引系统对管道干扰的判定直流牵引系统对管道干扰的判定极化极化电位正于电位正于-850mV正于正于-800mV正于正于-750mV正于正于0mV测试时段占比测试时段占比(%)5%2%1%0.2%Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123轨交方面的标准轨交方面的标准 CJJ/T49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准 GB/T 28026.2-2011轨道交通地面装置第2部分：直流牵引系统杂散电流
22、防护措施4.1.3判定金属结构受到杂散电流腐蚀影响的监测数值，可取列车运行高峰时间内的小时平均值或1h内 10%峰值的平均值。4.1.4 钢筋混凝土结构极化电位正向偏移平均值应小于 0.5V。4.1.5 金属结构表面受杂散电流腐蚀的允许电位，可按本标准附录 A 的规定进行计算，防护指标应符合下列规定:1 结构钢筋对地电位高峰小时正向偏移平均值应取结构钢筋对地电位高峰小时正向偏移平均值应取0.1V，或 lh内10%峰值的正向偏移平均值应取 0.5V;2 对地铁及地铁线路周围的金属结构和金属管线未采取阴极防护的区域，结构钢筋对地电位高峰小时正向偏移平均值宜取0.2V。4.1.6 当采取保护电位防护
23、时，地铁主体建筑结构和金属管线结构对地的保护电位值范围应取当采取保护电位防护时，地铁主体建筑结构和金属管线结构对地的保护电位值范围应取-1.5V+0.5VGB/T 28026.2-2011标准中明确提出了杂散电流对周围构筑物的影响，规定：地铁运行高峰期的平均电位平均电位不超过+100mV。23Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123结构钢筋隧道结构钢轨参比电极排流收集网参比电极天然气管道天然气管道侧轨道交通侧天然气管道侧轨道交通侧24轨交标准中：对于钢筋混凝土质地铁结构的钢筋，上述极化电压的正向偏移平均不应该超过轨交标准中：对于钢筋混凝土质地铁结构的钢筋，上述
24、极化电压的正向偏移平均不应该超过0.5V。目的在于避免地铁迷流对自身系统内部金属构筑物的腐蚀；。目的在于避免地铁迷流对自身系统内部金属构筑物的腐蚀；对地铁及地铁线路周围的金属结构和金属管线未采取阴极防护的区域，结构钢筋对地电位高峰小时正向偏移平均值宜取对地铁及地铁线路周围的金属结构和金属管线未采取阴极防护的区域，结构钢筋对地电位高峰小时正向偏移平均值宜取0.2V对周围构筑物的影响：地铁运行高峰期的平均电位不超过对周围构筑物的影响：地铁运行高峰期的平均电位不超过+100mV。Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311233.国内外现状：经验与制度国内外现状：经验与制度
25、 杂散电流干扰问题是目前无法根本解决的；轨交侧与管道侧需建立良好的沟通协调机制：澳大利亚电解腐蚀协调委员会；英国：针对项目的协动机制。韩国：地铁站设置排流设备，保障管道安全。国内：尚缺乏对此问题的认识、责任。管道侧管道侧：轨交承担全部责任，尽量减少杂散电流外泄。轨交侧轨交侧：满足一些轨交侧的国标，缺乏责任心或消极懈怠，应付。25Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123韩国的车站排流Tae-Hyun Ha,et.al：2004 Intematlonal Conference on Power System Technology-POWERCON 2004，Sin
26、gapore,21-24 November 200426Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311233.国内外现状国内外现状 治理措施治理措施(1):管轨排流管轨排流上海16号线惠南站排流测试测试情况：4km管道中间位置，从地面测试桩引线800m，连接至变电站负母排，测量排流网-负母排电位变化及排流后管道侧电位变化。实验过程中测试了排流电流，进行了不同阻值1，2的调整对比；27Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123上海地铁16号线管轨排流现场测试28Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123管轨排
27、流后，排流电流20A以内，可控排流后，管道电位负偏明显，正线偏移整体消失，过负控制需采取智能控制策略与装置29Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123惠南站附近2号桩-埋地试片通断电电位变化排流后，断电电位达到良好的防护电位需求；原管道为外加电流+牺牲阳极30Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311233.国内外现状国内外现状 治理措施(2)深井排流31Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-202311234.结论与建议结论与建议 组织管理机制：轨交-管道双方的有效沟通机制，统一认识；将杂散电流腐蚀控制工作提高到城市基础设施安全运行的高度。科研：动态干扰下管道腐蚀的检测与腐蚀预测。目前国际上仅澳大利亚标准有判断准则。地铁行驶与取流规律的具体影响，存在差异性。管轨排流：轨交-管道双方建立科学的排流工作流程、制度化。深井排流：尚有待更多的现场数据，对排流作用进行全面评估。32Nov-23-2023城市地下管线检测探测及地下基础设施-20231123谢谢聆听欢迎批评指正33
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