郭強 劉卿 劉彤 陳永理

國家管網集團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方式，會使管道受到電磁干擾的影響而發生交流腐蝕。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，建立計算仿真模型，探索交流電氣化鐵路對管道干擾的規律，從人身安全風險、管道腐蝕風險以及管道涂層擊穿破損風險三個方面定量計算該鐵路在不同運營情況下對埋地管道產生的電磁干擾影響。

關鍵詞：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行狀態下鄰近管道系統的安全性，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，計算并分析軌道交通在不同運營情況下的人身安全風險、管道腐蝕風險以及管道涂層擊穿破損風險。

1  “公共走廊”計算模型

1.1  天然氣管道模型參數

某天然氣管道全長75.6 km，途經3座站場。管道采用外加電流陰極保護和外防腐涂層聯合方式進行管道的腐蝕防護。防腐層為3PE材質，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，設計壓力10 MPa。管道在B分輸站進行絕緣，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）分別為電連續段。

1.2  軌道交通模型參數

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。單列機車穩定運行電流為309 A。接觸網和鋼軌發生短路故障情況下，短路電流最大為5.8 kA。故障清除時間0.1 s。計算模型包含一個供電臂區間長度約29.0348 km的牽引變電所。

1.3  環境模型參數

“公共走廊”范圍內沿線共有12個排流樁。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”計算模型構建

基于CDEGS計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，進行模擬計算分析從而得出所需結果。根據實際情況建立計算模型（圖 1），整個模型中包括了軌道交通和管道系統實際路由。模型采用的各參數均基于實際資料選取，從而可以準確反映現場實際情況。

圖 1 計算機仿真模擬模型： X-Y平面圖

1.5  數值模擬運行工況分析

（1）北京軌道交通最大時速范圍為120 km/h ～160 km/h，單線單車工況下，為滿足機車運行對管道的交流干擾的評估要求，同時考慮計算體量，在長度約29.0348 km的供電區間線路設置30個機車位置進行模擬，即監測間隔約1 km。

（2）按輕軌3 min/次的發車頻率以及120 km/h的時速進行計算，前后兩車間距為6 km，考慮輕軌加速和減速階段，計算結果保守考慮選擇兩車之間間隔為3 km，因此單個供電區間長度每線大約10輛同時在運行，故在雙線多車工況下，選擇每線10車進行模擬。

2  交流干擾評價標準

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  人身安全標準

（1）電氣化鐵路正常通車時的人身安全電壓。根據NACE SP 0177標準，對于電氣化鐵路正常通車進行安全評估采用15 V這一安全指標。

（2）電氣化鐵路接觸線和鋼軌短路故障時的人身安全電壓。故障情況下采用的評估標準為GB/T 50065―2011《交流電氣裝置的接地設計規范》，其安全限值計算如下：

故障清除時間即接地故障電流持續時間 t s ：0.1 s（電氣化鐵路）。

基于式（1）和式（2）計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； t s 為接地故障電流持續時間，s。

表層衰減系數CS 計算如式（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

當電氣化鐵路發生短路故障時，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產生較高的電壓，可能擊穿防腐層。允許的短時涂層電壓按照限值5000 V進行評價。

2.3  管道交流腐蝕風險限值

依據SY/T 0087.6―2021《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準 第6部分：埋地鋼質管道交流干擾腐蝕評價》，當交流電流密度未超過30 A/m²時，交流腐蝕風險為“弱”。參考該標準，選取交流電流密度30 A/m²作為緩解交流腐蝕風險的限值。

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

在CDEGS軟件中，將涂層小缺陷破損孔模擬為一個圓柱狀的金屬板，破損點對地電阻（即涂層破損點的等效電阻）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，提取機車處于30個不同位置時管道沿線各個位置的交流干擾電壓最大值繪制最大交流干擾包絡線，最大值出現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現象。管道沿線最大交流干擾電壓為0.507 V，遠小于安全限值15 V標準。管道沿線最大涂層電壓為0.639 V，遠小于安全限值15 V標準；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標準。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，交流腐蝕風險為低（圖 2）。

圖 2 管道里程分布最大包絡線

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，交流腐蝕風險為低。

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位置對管道的交流干擾水平來看，機車從G1點至G30點位依次移動時，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；交流干擾最大值出現在管道與輕軌交叉的位置附近，即交叉位置為重點觀測點；最后一處故障位置選擇供電區間端點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位時，計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小于安全限值5 kV標準，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 機車在不同點位出現故障的交流腐蝕風險情況

5  雙線多車管道交流干擾情況

（1）雙線多車正常運行情況。當該軌道上下行方向雙線各有10輛車在運行的情況下，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，交流腐蝕風險為低。

（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、開路電位進行復測，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，交流腐蝕風險為低。

6  結論

（1）交流干擾電壓最大值出現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。

（2）軌道交通在不同運行工況下，對某埋地天然氣管道的交流干擾均滿足相關標準要求，無需額外設置防護措施。

（3）根據上述交流干擾計算結果，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，實現對最大干擾管段的交流干擾水平進行定期監測，方便管道管理單位根據干擾情況的發展變化及時識別管道交流干擾風險。

 

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