高哲 常駿 牛文花

北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

 

摘要：本文概述了智能電位測試樁在埋地管道雜散電流干擾監測方面的應用。在介紹智能電位測試樁的結構組成、工作原理、安裝方式、監測數據類(lèi)型及其核心優(yōu)勢基礎上，給出了城市軌道交通動(dòng)態(tài)直流電流、地磁、潮汐、高壓直流接地極、交流輸電線(xiàn)路、交流電氣化鐵路等不同干擾類(lèi)型以及干擾類(lèi)型疊加的混合干擾的典型電位圖。研究表明，智能電位測試樁可以實(shí)現對多種干擾類(lèi)型的有效監測，并提出了未來(lái)發(fā)展建議。為管道陰極保護系統有效運行和管道安全管理提供參考。

關(guān)鍵詞：埋地管道；智能電位測試樁； 干擾監測； 直流干擾； 交流干擾

 

埋地管道作為石油、天然氣等重要能源的主要傳輸載體，其安全穩定運行對于保障能源供給和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要。埋地管道在服役過(guò)程中受機械破壞、熱應力、土壤應力及自身老化等因素的影響，其外防腐層難免會(huì )出現缺陷，管體面臨局部腐蝕的風(fēng)險，而陰極保護系統是廣泛應用的外腐蝕控制措施之一[1]。隨著(zhù)高壓長(cháng)距離輸電網(wǎng)絡(luò )及配電網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越密集、電氣化鐵路網(wǎng)和城市直流軌道交通系統的不斷建設，雜散電流干擾成為管道安全運行的重大威脅[2]。應用智能電位測試樁作為陰極保護系統主要的監測裝置，可實(shí)時(shí)分析判斷埋地管道的陰極保護和雜散電流干擾監測數據，對管道的風(fēng)險管控及防護措施的實(shí)施調整提供重要的參考依據。

1  概述

智能電位測試樁用于對管道的通電電位、斷電電位、交流電壓及交/直流電流密度等參數進(jìn)行高頻次監測并實(shí)現數據遠程傳輸和控制，與普通測試樁的核心區別在于功能維度的“自動(dòng)化、智能化” 升級，可自動(dòng)實(shí)時(shí)采集數據并自動(dòng)傳輸至云服務(wù)器，實(shí)現本地+云端雙存儲，實(shí)現智能預警+自動(dòng)報警功能，具有遠程監控功能。智能電位測試樁無(wú)需人員現場(chǎng)手工采集數據，彌補了無(wú)法實(shí)時(shí)采集數據的不足，在掌握現場(chǎng)實(shí)時(shí)測量數據后，便可根據電位（或電流等數據）的波動(dòng)情況分析出現場(chǎng)是否有雜散電流干擾，受到何種類(lèi)型的干擾，以便進(jìn)一步采取防控措施。

2  智能電位測試樁結構組成

智能電位測試樁主要由測試樁樁體、智能電位采集儀主機及埋地部件組成，其中埋地部件可以采用一體式極化探頭或分離式參比電極和埋地試片（根據實(shí)際情況按需安裝）。

2.1  安裝方式

智能電位測試樁安裝分為地上與地下兩部分。地上主要為樁體、智能電位采集儀、電池、天線(xiàn)；地下主要為長(cháng)效參比電極和埋地試片。一般將試片埋于管底至1/3管徑深處，各自間距50 cm以上，試片中心與管壁凈距離10 cm～30 cm，確保試片的金屬裸露部分與土壤充分接觸[2]�；靥畈糠滞寥篮�，在試片上方安裝長(cháng)效參比電極。樁體立于附近，需澆筑混凝土以固定。

2.2  工作原理

智能電位測試樁融合了靈敏的電化學(xué)傳感技術(shù)、數據采集與處理、無(wú)線(xiàn)通訊及迅速發(fā)展的云網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。通過(guò)ADC（模數轉換器）將采集到的模擬信號轉換為數字信號，通過(guò)4G或北斗模塊將數據實(shí)時(shí)上傳至系統平臺[1]。通過(guò)系統平臺或現場(chǎng)藍牙調試，可對設備的采集頻率、運行狀態(tài)等參數進(jìn)行調整。監測的數據類(lèi)型有：管道通電電位、試片斷電電位、自腐蝕電位、交流電壓、交/直流電流（交/直流電流除以試片面積即可得到交/直流電流密度）等參數。通過(guò)這些數據，便可對管道的陰極保護狀況、直流干擾和交流干擾進(jìn)行分析評價(jià)。

3  智能電位測試樁監測應用

管道受到的雜散電流干擾主要來(lái)源于用電、輸電工程系統中的交、直流電流和大地中自然存在的地電流，以交流和直流干擾為主，具有多源性特征。目前已知主要的直流干擾源有直流軌道交通系統、高壓直流輸電系統、陰極保護系統、直流電焊機及大地電流等，主要的交流干擾源有交流輸電線(xiàn)路及交流牽引電氣化鐵路等。以下介紹主要雜散電流干擾特征及典型電位圖。

3.1  城市軌道交通動(dòng)態(tài)直流干擾

在地鐵進(jìn)出站時(shí)，牽引變電站提供的部分直流電通過(guò)鋼軌流入土壤，進(jìn)入附近的管道破損點(diǎn)，從而影響到管道的陰極保護電流，電位圖上呈現一定幅度的正負波動(dòng)（圖 1）。從圖中可明顯觀(guān)察到雜散電流對電位干擾的典型特征為白天的早高峰和晚高峰時(shí)段電位波動(dòng)劇烈，其他時(shí)段電位波動(dòng)減輕，深夜地鐵停運時(shí)段電位波動(dòng)消失。

圖 1 某管段受地鐵干擾影響的電位圖 

3.2  地磁干擾

地磁干擾主要具備以下特點(diǎn)：電位無(wú)規律波動(dòng)，受地磁暴影響的電位波動(dòng)不僅持續存在，并且波動(dòng)幅度隨著(zhù)地磁暴等級的增加而增大；異地電位同步變化，地磁干擾對埋地金屬結構物都會(huì )產(chǎn)生影響（圖 2）。

圖 2 某管段受地磁干擾影響的電位圖 

3.3  潮汐干擾

潮汐干擾的典型特征有：管道電位向陽(yáng)極和陰極方向偏移；管道電位特征峰周期為12小時(shí)，與潮汐活動(dòng)的周期一致。在渤海灣、北部灣、東海附近管道上均監測到了這類(lèi)干擾（圖 3）。

圖 3 某管段受潮汐干擾影響的電位圖 

在部分地區，還會(huì )出現多種干擾類(lèi)型疊加的情況，如潮汐與地鐵的混合干擾、潮汐與地磁的混合干擾。

（1）潮汐加地鐵干擾。在部分含有地鐵的沿海城市，牽引電流與潮水漲落引起的雜散電流共同對埋地管道造成影響。在電位圖上表現為既存在潮汐干擾的波峰波谷特征，又存在受地鐵干擾時(shí)白天電位波動(dòng)劇烈、夜間電位平穩的特征（圖 4）。

圖 4 某管段受潮汐與地鐵干擾影響的電位圖 

（2）潮汐加地磁干擾。在有地磁暴發(fā)生時(shí)，一些高緯度沿海地區還可監測到地磁與潮汐的疊加干擾。2025年8月19日發(fā)生地磁暴期間，某管段電位圖除了有潮汐干擾的特征外，還受地磁暴影響電位持續波動(dòng)（圖 5）。

圖 5 某管段受潮汐與地磁干擾影響的電位圖 

3.4  高壓直流接地極干擾

高壓直流輸電系統單極大地回路運行時(shí)（一般為投運初期、檢修或故障排查時(shí)），大量的電流通過(guò)大地回流，因此會(huì )對附近的管道造成明顯的干擾[3]。高壓直流干擾具有偶發(fā)性、不可預知性、難以捕捉和影響范圍廣的特點(diǎn)，智能電位測試樁只有通過(guò)高頻采集才可實(shí)現對干擾范圍和強度的監測。當與管道接近的高壓直流接地極以陽(yáng)極模式運行時(shí)，管道通電電位負向偏移，遠離接地極位置的管道通電電位正向偏移。相反，當與管道接近的高壓直流接地極以陰極模式運行時(shí)，管道通電電位正向偏移，遠離接地極位置的管道通電電位負向偏移。如某管段受到接地極檢修產(chǎn)生的高壓直流干擾時(shí)的電位圖（圖 6），該干擾持續13天，通過(guò)分布的智能電位測試樁監測發(fā)現，一側接地極干擾范圍達500公里，另一側接地極干擾范圍達100公里。

圖 6 某管段受高壓直流干擾影響的電位圖 

3.5  交流輸電線(xiàn)路干擾

通過(guò)觀(guān)察智能電位測試樁采集的交流電壓和交流電流密度便可識別交流輸電線(xiàn)路干擾。觀(guān)察某管段這兩個(gè)參數隨時(shí)間變化的分布特點(diǎn)。交流電壓和交流電流密度都以日為單位呈現“峰—谷”周期性波動(dòng)，這就是典型的由交流輸電線(xiàn)路引起的穩態(tài)交流干擾（圖 7）。

圖 7 某管段受交流輸電線(xiàn)路干擾影響的電壓及交流電流密度圖

3.6  交流電氣化鐵路干擾

管道上產(chǎn)生的交流電壓和交流電流密度數據曲線(xiàn)波動(dòng)劇烈，而且有明顯的脈沖式尖峰，這與交流電氣化鐵路的電力牽引供電回路采用直接供電方式密切相關(guān)，屬于動(dòng)態(tài)交流干擾（圖 8）。

圖 8 某管段受交流電氣化鐵路干擾影響的交流電壓及交流電流密度圖

4  結論與建議

（1）智能電位測試樁可以實(shí)現對城市軌道交通動(dòng)態(tài)直流電流、地磁、潮汐、高壓直流接地極、交流輸電線(xiàn)路、交流電氣化鐵路等多種干擾類(lèi)型的有效監測。在部分地區，還會(huì )出現多種干擾類(lèi)型疊加的情況，如潮汐與地鐵、潮汐與地磁等的混合干擾，建議關(guān)注及監測。

（2）通過(guò)對智能電位測試樁運行參數的設置，可以實(shí)現對陰極保護數據的高頻采集和日常采集。對于干擾段管道，建議至少每10分鐘采集一次數據，確保精準捕獲雜散電流干擾的瞬時(shí)變化與持續特征。

（3）智能電位測試樁極大地提高了對埋地管道雜散電流干擾監測的及時(shí)性和準確性，有助于及時(shí)發(fā)現管道陰極保護系統出現的問(wèn)題，降低因干擾導致的管道腐蝕泄漏風(fēng)險，提升埋地管道的安全運行水平。

同時(shí)，建議優(yōu)化提升以下幾個(gè)方面。

加強數據深度分析與整合。構建功能更強大的數據管理平臺，將智能電位測試樁傳輸回來(lái)的數據與地理信息系統（GIS）、管道歷史運行數據等進(jìn)行深度融合分析。通過(guò)挖掘數據之間的潛在關(guān)聯(lián)，不僅能更全面地了解管道沿線(xiàn)干擾分布情況，還能預測干擾發(fā)展趨勢，為制定科學(xué)合理的防護策略提供有力支持。例如，結合管道周邊地質(zhì)環(huán)境數據與干擾監測數據，分析不同地質(zhì)條件下各類(lèi)干擾的影響規律。

建立干擾防護協(xié)同機制。推動(dòng)與電力、鐵路等相關(guān)部門(mén)建立信息共享與協(xié)同防護機制。對于交流輸電線(xiàn)路干擾、交流電氣化鐵路干擾等涉及多部門(mén)設施的干擾問(wèn)題，共同開(kāi)展聯(lián)合監測與研究，制定統一的干擾防控標準和應急預案。當出現干擾異常情況時(shí)，能夠及時(shí)溝通協(xié)調，采取聯(lián)合行動(dòng)，通過(guò)快速溝通協(xié)調與聯(lián)合處置，保障管道及相關(guān)設施的安全運行。

 

參考文獻：

[1]牛文花，陳少松，吝彭彭，等.陰極保護智能監控系統在城市燃氣管道干擾監測中的應用[J].城市燃氣，2024(09)：1-5.

[2]徐承偉，陳瑞瑞，張榮，等.不同類(lèi)型雜散電流對管道干擾波動(dòng)規律特征[J].材料保護，2025，58(03)：155-163.

[3]田中山，路民旭.成品油管道腐蝕控制技術(shù)及應用[M].北京：科學(xué)出版社，2021.

作者簡(jiǎn)介：高哲，1997年生，本科，運維工程師，現從事智能陰極保護系統運行維護、故障診斷、數據分析等工作。聯(lián)系方式：15091189008，gaoz@ancorr.cn。