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    評論: 更新日期:2024年04月30日

    一、? 輸油、氣管道電磁環(huán)境要求

    (一) 輸油、氣管道與鐵路安全距離要求

    新建鐵路選線(xiàn)時(shí)要充分考慮有關(guān)土建方面的安全距離是否符合有關(guān)鐵道部和中石油(化)等有關(guān)方面的行業(yè)標準的要求,由于電氣化防護工程不能解決由于安全距離不足產(chǎn)生的安全隱患,所以只有土建方面的安全距離符合有關(guān)標準要求,才有進(jìn)行電氣化防護的基本條件。土建工程的安全要求執行“中華人民共和國石油工業(yè)部(87)油建字第505號中華人民共和國鐵道部(1987)780號《原油、天然氣長(cháng)輸管道與鐵路相互關(guān)系的若干規定》的有關(guān)條款”。

    鐵道部行業(yè)標準:TB 10063-2007《鐵路工程設計防火規范》3.1.5條關(guān)于輸送甲、乙、丙類(lèi)液體和可燃氣體管道與鐵路平行敷設或架設時(shí),與臨近鐵路線(xiàn)路的防火間距分別不小于25m和50m ,且距鐵路用地界不小于3.0m 。4.1.1條甲、乙丙類(lèi)液體和可燃氣體管道與鐵路區間線(xiàn)路交叉時(shí),應符合下列規定:1 管道宜下穿鐵路,并應選用正交,必須斜交時(shí)交角不應小于45

    及4.1, 4.2,4.3條有關(guān)甲、乙、丙類(lèi)液體和可燃氣體管道上跨、下穿鐵路線(xiàn)路、橋涵、站場(chǎng)的全部?jì)热荨?/p>

    石油天然氣行業(yè)標準:SY/T0325-2001《鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦做法》在有套管和無(wú)套管穿越鐵路路基時(shí)應遵守6.6.2和5.3.1條關(guān)于:被穿越的鐵路或公路與穿越管道之間的夾角應盡可能接近90

    ,但在任何情況下應不小于30

    的條款。

    (二)? 國標、行標對油氣管道電磁防護的相關(guān)技術(shù)標準

    1.鐵道部行業(yè)標準TB/T 2832—1997《交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫)的影響容許值及防護措施》

    2.石油天然氣行業(yè)標準SY/T 0032—2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準》

    (三) 輸油、氣管道電磁防護要求(容許值)

    在鐵路電氣化時(shí),輸油、氣管道電氣化防護主要考慮危險影響容許值。應從對人體產(chǎn)生的危險和對管道設備造成危害兩方面考慮。危險影響容許值執行鐵道部TB/T? 2832—1997《交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫)的影響容許值及防護措施》所規定的標準。

    1.交流電氣化鐵道對油(氣)管道危險影響的安全電壓

    (1)交流電氣化鐵道接觸網(wǎng)正常運行狀態(tài)下,管道對地電壓容許值為60V;

    (2)交流電氣化鐵道接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下,管道對地電壓容許值為430V

    2.交流電氣化鐵道與油(氣)管道的安全距離

    (1)油、氣管道從電氣化鐵道下穿越時(shí),應敷設在管涵或套管內,并必須在路內通信、信號電纜下方穿過(guò),管涵或套管頂部距電纜槽底部不應小于0.5m。

    管涵或套管上部距軌底不宜小于2m。穿越處管道邊緣距交流電氣化鐵道支柱邊緣不得小于3m。

    (2)油、氣管道需跨越電氣化鐵道時(shí),其管道底部與接觸網(wǎng)帶電體的距離不得小于4m,且與軌頂的距離不宜小于11.1m

    (3)油、氣管道與交流電氣化鐵路平行敷設時(shí),在滿(mǎn)足1、2條的同時(shí),管道接近側邊緣與鐵道最外側帶電導體垂直投影的水平距離不應小于6m。

    3.防護措施

    (1)管道對地電壓超過(guò)容許值時(shí)應采用接地(可結合管道防腐設計選用直接接地、犧牲陽(yáng)極接地和嵌位式排流接地等)設施加以防護。操作人員經(jīng)常接觸的管道部件(如閥門(mén)等)必要時(shí)可增加接地裝置。

    (2)跨越交流電氣化鐵道的架空管道或大型管廊,跨越兩端的支柱結構應接地,接地電阻不應大于10Ω。

    二、交流電氣化鐵道對地下金屬管道影響理論分析

    (一 ) 交流電氣化鐵道對油氣管道的干擾影響產(chǎn)生的原因

    交流電氣化鐵道由于采用單相對地不平衡供電方式,對輸油、氣管道的危害主要在于列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生間歇或連續的交流干擾電壓作用在管道上,對人身和設備產(chǎn)生危害。電氣化鐵路的電磁干擾歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面:

    1. 磁感應耦合

    磁感應耦合又叫磁干擾,是由機車(chē)牽引電流流過(guò)接觸網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng),通過(guò)空氣、土壤等傳導電磁波的介質(zhì),在管道上由于互感作用感應出縱向電動(dòng)勢,對感性耦合影響要考慮接觸網(wǎng)正常供電和短路故障兩種狀態(tài)。

    2. 容性耦合(靜電)影響

    高壓牽引供電線(xiàn)路和金屬管道之間由于高壓靜電場(chǎng)的作用,通過(guò)相互間分布電容的耦合,引起管道對地電壓升高,靜電感應電壓通過(guò)人體形成靜電電流,由于大地具有良好的靜電屏蔽作用,所以一般情況下,容性耦合只對架空管道產(chǎn)生影響,而對地埋金屬管道不會(huì )產(chǎn)生影響。

    3.阻性耦合

    阻性耦合又稱(chēng)入地電流影響,在電流入地點(diǎn)相對于遠處大地間通過(guò)大地阻性耦合產(chǎn)生電位差。由于阻性耦合的存在,使路基附近的管道處于地電位梯度變化劇烈的土壤中而引起管道地電電位升高。

    在各種耦合情況下感應電壓和電流和多種參數有關(guān),它們有:交流電汽化鐵道的供電方式、正常牽引狀態(tài)和故障狀態(tài)下的牽引電流、管道與接觸網(wǎng)的平行長(cháng)度、接近距離、管道防腐層的材質(zhì)及絕緣電阻、管道直徑、管道的傳播常數、敷設方式、沿線(xiàn)大地導電率等。

    要盡量利用以上的變量參數和一定的物理計算模型計算出感應耦合或阻性耦合的數值,以便采取進(jìn)一步的防護措施。當前雖然有很多計算方法可以計算出感應電壓的大小,但由于相關(guān)因素太多,計算結果往往不像電信線(xiàn)路那樣準確,所以我們認為:以開(kāi)通測試為依據進(jìn)行有針對性的防護對管道安全更為有利。

    (二)交流電氣化鐵道對油氣管道影響的分類(lèi)

    按照影響的后果來(lái)分,交流電氣化鐵路對地埋金屬管道的影響可分為危險影響和干擾影響

    1.危險影響

    由于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的機車(chē)牽引電流的磁影響及鋼軌入地電流形成的地電位影響,而引起管道與大地間電位差升高到足以危及管線(xiàn)維護作業(yè)人員人身安全和導致陰極保護裝置損壞,這種影響稱(chēng)為危險影響。

    2.干擾影響

    由于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的機車(chē)牽引電流的磁影響及鋼軌入地電流形成的地電位產(chǎn)生的復合電位。如果這種電位大到足以影響金屬管道陰極保護裝置的正常工作,致使帶有外接電源陰極保護管道上的恒電位儀損壞或無(wú)法送出保護電流,在帶有鎂、鋅、鋁作犧牲陽(yáng)極的管線(xiàn)上,過(guò)高的干擾電壓會(huì )使這些陽(yáng)極產(chǎn)生極性逆轉,加速了管道的腐蝕。對某些防腐層薄弱點(diǎn)由于長(cháng)期影響,有可能引起交流腐蝕時(shí),這種干擾稱(chēng)作干擾影響。

    (三)容許標準

    交流電氣化鐵路對地埋金屬管道的危險影響和干擾影響的容許標準,國內外均未作出過(guò)統一的規定。從國內外發(fā)表的資料看,強電線(xiàn)路對地埋金屬管道的危險影響大多采用通信線(xiàn)路危險影響允許標準。鐵道部行業(yè)標準TB/T 2832—1997《交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫)的影響容許值及防護措施》 即強電線(xiàn)路正常工作時(shí)取60v,強電線(xiàn)路短路時(shí)取430v作為允許值。

    干擾影響的容許值主要考慮兩個(gè)方面,一是對管道陰極保護裝置的正常工作的影響,二是對管線(xiàn)產(chǎn)生交流腐蝕的影響。當前石油天然氣行業(yè)標準SY/T 0032—2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準》作出了在酸性土壤、中性土壤、堿性土壤條件下,干擾電壓不大于6v、8v、10v的相關(guān)規定。鐵路方面當前未對這方面允許值作出相應的規定。

    (四)關(guān)于交流腐蝕

    有關(guān)地下管道交流腐蝕的機理,大量資料表明單純的交流電時(shí)不會(huì )造成腐蝕的,但當交流電疊加在腐蝕原電池上時(shí),其極化曲線(xiàn)向更負的方向移動(dòng)加快了腐蝕速度,從而改變了腐蝕率。有資料表明:在交流電流的大小與直流大小相同時(shí),鉛和鐵的腐蝕率在2%以下。

    (五)磁影響下管道感應電壓的計算

    磁感應耦合又叫磁干擾,是由機車(chē)牽引電流流過(guò)接觸網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)通過(guò)空氣等傳導電磁波的介質(zhì)在管道上由于互感作用感應出縱向電壓。由交流電氣化鐵道磁影響下管道計算的一般表達式為:

    式中:

    —綜合屏蔽系數;

    管道縱向阻抗(

    接觸網(wǎng)與管道間互阻抗(

    -接觸網(wǎng)牽引電流(

    -“管道-大地”回路傳播常數(1/

    -“管道-大地”回路特性阻抗(

    -

    影響段全長(cháng)(

    -影響端始端至計算點(diǎn)的長(cháng)度(

    ,

    分別為受影響管段段兩端接阻抗。當管道兩端接地時(shí)

    =

    =

    =

    =

    ;

    當管道兩端對地絕緣時(shí)

    =

    =

    =

    =

    ;

    (六)入地電流影響下管道附近地電位的計算

    阻性耦合又稱(chēng)入地電流影響,在電流入地點(diǎn)相對于遠處大地間通過(guò)大地阻性耦合產(chǎn)生電位差。由于阻性耦合的存在,使路基附近的管道處于地電位梯度變化劇烈的土壤中而引起管道與大地間電位差升高。管道附近的地電位由下式計算:

    式中;

    大地電阻系數,(

    ?米);

    I-集中進(jìn)入軌道的電流(

    );

    “鋼軌-大地”回路傳播常數,(1/米);

    鋼軌屏蔽系數;

    特種函數;

    管道對應鋼軌點(diǎn)至電力機車(chē)電流入軌點(diǎn)的距離(米);

    管道直鋼軌最近距離(米)。

    以上計算中用到了比較復雜的特種函數,當電流入地點(diǎn)通過(guò)埋地管道所對應點(diǎn)時(shí)影響最嚴重,但此時(shí)函數根據高莜綱《感性耦合與阻性耦合》的計算方法可以簡(jiǎn)化,特別是當

    <0.1時(shí)可簡(jiǎn)化為:

    當地埋管道穿越或接近電氣化鐵路路基時(shí),可根據高莜綱《感性耦合與阻性耦合》的計算方法:

    當電流入地點(diǎn)正對交越點(diǎn)時(shí)且y值較小,如:當

    < 0.1時(shí)本公式可以簡(jiǎn)化為:

    ln(

    )

    由于油氣管道的埋深一般不會(huì )超過(guò)10米,所以以上簡(jiǎn)化公式是完全適用的。

    (七)油氣管道防護設計及施工中要注意的問(wèn)題

    管道和電信線(xiàn)路一樣,同為金屬導體, 所以受交流電氣化鐵道影響的途徑和原理是相同的。電磁影響和入地電流影響的原始計算公式和電信線(xiàn)路也是相同的。但由于管道的自身特點(diǎn),應注意以下幾點(diǎn):

    1.由于管道的漏導較大,因此管道的傳播常數比通信線(xiàn)路大好幾個(gè)數量級,通常在0.2-1.5? (1/km)之間,幅角40度左右。隨著(zhù)管道對地電壓的增加,管道的漏泄電阻減小,從而不能使管道的對地電壓線(xiàn)性增長(cháng)。根據北京電鐵通信信號勘測設計院與石油部管道勘測設計院聯(lián)合實(shí)驗的結果表明:同等條件下管道感應的縱電動(dòng)勢與通信線(xiàn)路感應的縱電動(dòng)勢之比為0.3左右,且隨著(zhù)網(wǎng)流的增加,受影響的管道感應電壓并不成比例增加。這就是說(shuō)通信線(xiàn)感應的縱電動(dòng)勢為10v,而管道感應的縱電勢只有3v左右。

    2.管道與電信線(xiàn)路不同,不像電信線(xiàn)路因要求良好的傳輸特性而不能隨意接地。而管道可以根據管道的實(shí)際情況采取直接排流,嵌位式排流,犧牲陽(yáng)極接地排流等簡(jiǎn)單的防護措施來(lái)消除電氣化鐵道引起的影響。

    3.由于管道參數的非線(xiàn)性和大地結構的不均勻性,使得計算結果誤差較大,特別是管道越長(cháng)誤差越大。因此在實(shí)際工程中我們一般建議,以實(shí)測數據為準。對電氣化干擾超標的管段進(jìn)行防護。

    4.管道附近地電位計算公式僅適用于管道穿越路基時(shí),而從橋梁下地埋垂直穿過(guò)時(shí)受電氣化鐵路影響較小,應根據實(shí)際情況綜和考慮。

    三、 油氣管道電氣化的防護措施

    對輸油、氣管道應根據實(shí)際情況依據鐵道部行業(yè)標準TB/T 2832—1997《交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫)的影響容許值及防護措施》分別制定防護措施,實(shí)驗證明采用直接排流、電容排流、極性排流可有效地降低管道感應電壓。

    1.對和電氣化鐵道平行接近,且管道兩端對地不絕緣,沒(méi)有陰極保護的油、氣管道,可在受影響區段增設直接排流措施,必要時(shí)可在輸油管道泵站或輸氣管道分輸站出入端加裝絕緣法蘭(施工難度較大,要慎用),以保護站內設備和人員安全。

    2.對和電氣化鐵道平行接近,且管道兩端對地絕緣,有陰極保護的油氣管道可在受影響段增設極性排流措施(犧牲陽(yáng)極或嵌位式排流等),排流點(diǎn)宜選擇在受影響管段兩端電壓峰值處。必要時(shí)可把輸油管道泵站或輸氣管道分輸站的衡電位儀更換成高抗干擾型。

    3.對和鐵路發(fā)生交叉跨越且防腐層破損嚴重的油、氣管道,應先局部改善防腐層絕緣條件后再增設排流措施。

    四、工程實(shí)例

    XX線(xiàn)電氣化對XX輸氣管道電磁影響防護設計

    (一)概述

    改建鐵路XX線(xiàn)電氣化鐵路采用單線(xiàn)對地的交流不平衡供電方式。在這種供電方式下,電力機車(chē)由接觸網(wǎng)受流供電,回歸電流則由鋼軌流回變電所,同時(shí)有部分雜散電流流入大地。受這種入地電流的影響,位于電氣化鐵路路基下的輸氣管道將和周?chē)蟮禺a(chǎn)生電位差。這種由于阻性藕合引起的影響,有可能干擾管道上原有的陰極保護設施的正常工作,嚴重時(shí)可能損壞保護設備,因此需要進(jìn)行電氣化防護。

    (二) 設計依據

    1.鐵道部《交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫)的影響容許值及防護措施》??? TB/T?? 2832—1997

    2.中石油《埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽(yáng)極保護設計規范》SY/T? 0019—97

    (三) 管道受干擾的現狀

    受影響的管道主要分布在XX和XX兩個(gè)地區。

    1.XX地區輸氣管線(xiàn)受影響段主要分布在XX-XX之間,在不到40Km的區間內有8處和鐵路的交越點(diǎn)。其中XX分輸站之間有5處和鐵路發(fā)生交越(既有線(xiàn)上有2處、新增四線(xiàn)方案上有3處);分輸站之間有3處和鐵路發(fā)生交越(既有線(xiàn)上有1處、新增四線(xiàn)方案上有2處)。

    2).XX地區輸氣管線(xiàn)受影響段主要分布在XX-XX之間,共有5處和鐵路的交越點(diǎn)。

    (四) 管線(xiàn)的基本技術(shù)狀態(tài)

    該管道建成投產(chǎn)兩年左右;管徑ф508mm;環(huán)氧樹(shù)脂防護層;全線(xiàn)恒電位儀陰極保護。保護電位XX為-1.1V;XX段為-1.35V,恒電位儀型號為MAS-2050-30。管道防腐層對地絕緣良好,長(cháng)度40Km左右的保護段,單端保護電流僅為80mA左右。

    (五) 防護方案

    由于本工程所涉及到的僅僅是管道和鐵路交越點(diǎn)的排流,沒(méi)有感性耦合和容性耦合所引起的平行干擾,所以并不需要系統的進(jìn)行計算,只要做好排流點(diǎn)在鐵路兩側的排流即可。本次設計考慮管道XX分界點(diǎn),以西可設置5處極性排流接地點(diǎn);以東設置3處極性排流接地。每處犧牲陽(yáng)極數量達到接地電阻小于管道分布電阻為準。由于鋅犧牲陽(yáng)輸出電位達不到管道原有的保護電位,所以極性接地裝置采用鎂犧牲陽(yáng)極。犧牲陽(yáng)極防護方法簡(jiǎn)單易行,不需專(zhuān)人管理,不干擾臨近設備和裝置,僅用少量的有色金屬就可以使管道獲得完全的陰極保護,同時(shí)犧牲陽(yáng)極還是抗干擾的一種手段,同時(shí)具有排流接地等多種功能。

    設置排流接地后,管道將能在排除電氣化鐵道所產(chǎn)生的雜散電流甚至接觸網(wǎng)短路所造成的影響的同時(shí),維持了原有的保護電位。

    五、??诿裆据敋夤艿朗┕し桨?/p>

    (一)海南東環(huán)電氣化鐵路簡(jiǎn)介

    海南東環(huán)鐵路由中鐵二院集團公司承擔設計,北起海南省省會(huì )??谑?,南至著(zhù)名熱帶濱海旅游度假勝地三亞市,途經(jīng)文昌、瓊海、萬(wàn)寧和陵水等四市縣。鐵路線(xiàn)路正線(xiàn)全長(cháng)307.947km。

    鐵路等級為I級,正線(xiàn)為雙線(xiàn),最大坡度12‰,最小曲線(xiàn)半經(jīng)5500m,列車(chē)類(lèi)型為電動(dòng)車(chē)組,速度目標值250km/h。

    本項目由鐵道部與海南省合資建設,鐵道部出資者代表為廣州鐵路(集團)公司,海南省出資者代表為海南省發(fā)展控股有限公司,雙方共同組建海南東環(huán)鐵路有限責任公司,負責本線(xiàn)建設管理和運營(yíng)管理。

    本線(xiàn)牽引供電系統采用單相工頻(50Hz)交流制,接觸網(wǎng)額定電壓為25kV,牽引網(wǎng)供電方式采用帶回流線(xiàn)的直接供電方式(TR-NF供電方式)。

    TR-NF供電方式投資較少,牽引網(wǎng)的結構簡(jiǎn)單、可靠性高,技術(shù)上已經(jīng)非常成熟。

    接觸網(wǎng)懸掛類(lèi)型為全補償簡(jiǎn)單鏈型懸掛,接觸網(wǎng)懸掛高度一般采用6000mm,結構高度為1600mm;采用CTSH150銅錫合金接觸線(xiàn);全補償簡(jiǎn)單鏈型懸掛的動(dòng)態(tài)接觸壓力、離線(xiàn)率、最大離線(xiàn)時(shí)間均滿(mǎn)足250km/h受流質(zhì)量要求。

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