埋地钢质管道受高铁交流干扰的数值模拟

铁路是国家的重要基础设施，在综合运输体系中起着重要作用。至2020年，预计我国高速铁路(高铁)的营业里程达1.6万km[1]。与此同时，为了满足各地不断增长的能源需求，在过去十多年中我国兴起了油气长输管道的建设热潮，预计到2025年，全国油气管网规模达到24万km。

高铁与油气管线难免存在并行、交叉等情况，故埋地钢质管道会受到高铁产生的交流杂散电流的干扰(简称交流干扰)，导致管线腐蚀风险提高[2]。早期研究显示交流干扰引起的腐蚀(简称交流腐蚀)速率比较小，而且阴极保护可以有效阻止交流腐蚀，所以交流腐蚀一度被人们所忽视。但是20世纪90年代后，交流腐蚀问题再次受到关注[3-5]。国内外都相继报道了多起交流干扰案例[6-9]。铁路交流干扰问题日益突出，亟待解决。

目前，在杂散电流干扰的排流设计时，常采用解电路的方法推导出简化计算公式再计算求解。但是，该方法为了简化计算工作，进行了大量假设和限制，例如：采用均匀的土壤模型、不能计算多种干扰源同时干扰的过程、对动态干扰无法全面研究等。因此，该方法的适用范围较小、准确性较差。近年来，计算机仿真模拟技术突飞猛进，在热传导仿真、力学仿真、电场仿真等领域广泛应用。本工作通过边界元方法求解麦克斯韦方程组和电传导拉普拉斯方程，并与计算机技术结合，将结构在边界上离散化，通过迭代的方法计算得到干扰区域内电场、磁场的分布情况。该技术考虑因素较多，可以计算复杂金属结构以及多层土壤模型中的杂散电流干扰问题，且随着网格的细分，其计算准确性大幅提高，因此利用计算机仿真技术研究管线交流干扰问题，提前预知管线风险，对降低管线腐蚀风险，保障管线安全有重大意义。

1 背景简介

我国的高铁设计主要采用自耦变压器(AT)供电方式，AT供电方式的原理如图1所示。该供电方式是牵引线路中每隔一定距离在接触悬线和正馈线中并入一台绕组匝数比(ω1∶ω2)为1∶1的自耦变压器，变压器安装位置为AT所。电流从牵引变电所主变压器流出，变压器两端电压为U，流过电流为I/2，经过AT所由自耦变压器进行变压后，电压变为U/2，电流变为I。流过机车的电流在机车与最近AT所之间通过铁轨进行回流，在AT所与变电所之间通过正馈线及铁轨进行回流。

图1 AT供电原理图Fig. 1 Schematic diagram of AT power supply

油气管道与高铁相互靠近时，受到来自高铁供电系统的交流干扰。高铁系统主要通过感性耦合及阻性耦合对埋地钢质管道产生危害和干扰影响，如图2所示。其中感性耦合是当管道和高铁供电线路近距离并行时，高铁接触悬线、正馈线、铁轨中电流流动产生的交变磁场，在磁场作用下管线中的电荷交替地流向管线的两端，产生交流杂散电流，其强度与干扰源电流大小及并行长度成正比，与管线和电流间的间距成反比[10]。高铁牵引电流通过铁轨回流时，由于铁轨与大地无法完全绝缘，因此有电流泄漏流入大地，铁轨附近钢质管道的交流电压将会发生变化，造成阻性耦合影响。BRAUNSTEIN等[11]认为对于与铁路近距离平行的埋地管道，感性耦合干扰是最主要的干扰方式，而张小月[12]则认为电气化铁路的牵引供电系统主要通过阻性耦合的方式对附近埋地管道产生干扰。

我国拟建某高铁与已建某原油管线在30 km里程范围内存在3处交叉及长距离短间距并行，高铁交流干扰可能对原油管线造成腐蚀风险。为确保高铁方顺利施工建设，保障管道方原油管道的运行安全，通过计算机模拟对该段管道的交流干扰进行预测评估，并设计缓解方案。

2 高铁交流干扰的评估

2.1 干扰模型

为了保证模拟计算结果的准确性，首先对高铁、管道及环境资料进行整理分析。高铁与管道的位置关系如图3所示，管道与高铁共存在3处交叉，其中1#交叉点与2#交叉点之间并行间距较大，为0～5.5 km；2#交叉点与3#交叉点之间并行间距较小，为0～320 m。根据管道与高铁相互位置关系，初步判断干扰高风险区域为2#交叉点至3#交叉点段。3处交叉点所属管道的绝缘接头分别在A输油站及B输油站，所属供电系统分别为1#、2#变电所。因此，在利用数值模拟软件建立的埋地钢质管道受高速铁路输电系统干扰的模型中，干扰源为高铁供电系统的1#、2#变电所负责区域，受干扰源为A输油站至B输油站间的原油管道。

图2 高铁对埋地钢质管道干扰的形成Fig. 2 Formation of interference of high speed railway to buried steel pipeline

文章来源：《腐蚀科学与防护技术》 网址: http://www.fskxyfhjszz.cn/qikandaodu/2021/0207/423.html