近年来我国地铁的建设如火如荼。据统计，截止2017年12月，我国开通地铁的城市达到了33个，全国地铁运行总里程达4599 km。由于城市地理位置的限制，埋地油气管道不可避免地与地铁系统临近铺设。埋地管道遭受的地铁干扰越来越严重。据报道，我国已在多个城市发现了严重的地铁杂散电流干扰问题,其中干扰较严重的管道干扰电位高达±20 VCSE左右。地铁杂散电流干扰会直接加速管道腐蚀穿孔，甚至泄露,同时也会造成管道阴极保护系统的紊乱。埋地金属管道地铁杂散电流干扰的防护刻不容缓。
目前埋地金属管道地铁杂散电流干扰的防护主要采用牺牲阳极排流和强制电流阴极保护措施。围绕这些方法已开展了部分研究。然而，目前报道的相关工作多为工程应用,其排流设计方面的研究较少。强制电流阴极保护排流设计时可以参考馈电试验方法进行,而牺牲阳极排流的设计目前缺乏相关标准，同时可参考的数据和文献也非常有限,工程应用时往往依靠实际经验，影响了其缓解效果。为此，本文开展了地铁杂散电流干扰下埋地金属管道牺牲阳极排流的现场试验研究，基于实验结果对不同干扰水平下牺牲阳极的有效保护范围进行了分析，其研究结果可为地铁杂散电流干扰的防护设计提供参考。
1 实验方法
某埋地金属管道长45 km,管径Φ711 mm,3PE防腐涂层，两端各有一个绝缘法兰，在2 km处和46 km处各有一个外加电流阴极保护站，向管道提供阴极保护。管道在9 km处与一地铁垂直交叉后远离地铁。选取该段进行镁合金牺牲阳极排流试验。实验开始前，关闭2个阴极保护站恒电位仪，同时断开管道沿线所有排流地床。待管道去极化24h后，用uDL-1数据记录仪测试实验管段干扰电位，测试时间为24 h。
待管道干扰电位测试完毕后，在里程2 km测试桩处埋设4支14 kg镁合金牺牲阳极，埋设深度为1.5 m左右，与管道同深，镁阳极与管道垂直间距为5 m左右。镁阳极埋设完毕后用接地电阻测试仪测试镁阳极组的接地电阻。为了测试镁阳极排流量，在镁阳极与管道之间串联一个0.1 Ω的定值电阻，然后用uDL-1数据记录仪测试定值电阻两端的电压。
为了评价镁阳极的排流效果，以镁牺牲阳极为中心，沿着管道上下游方向每隔10 m埋设一个6.5 cm2的极化试片。极化试片埋深0.5 m左右。然后用一根长电缆将10个极化试片并联起来后与管道并联，同时在每个极化试片位置埋设一个参比电极，备用。
待试片极化24 h后，用uDL-2数据记录仪同步记录10个检查片的通/断电电位，通12 s,断3 s,断电电位读取延迟时间为300 ms,测试时间为24 h。
在镁阳极和管道之间增加一个极性排流器。极性排流器的性能为：通态压降<0.3 V,稳态电流10 A,瞬态电流150 A,电化学阻抗<0.5 Ω。实验过程与镁阳极直接排流实验相同。
2 结果与讨论
2.1 实验结果
2.1.1 镁阳极直接排流试验结果 图1显示了里程2 km处管道干扰电位24 h监测结果。可以看出，白天地铁运行时管道干扰电位在-3~+0.5 VCSE之间波动。晚上地铁停运时管道电位相对较为平稳，其部分波动可能是由于地铁列车夜间的检修引起的 （里程2 km处附近有一个地铁检修场）。
图2显示了镁阳极直接排流前后试验点附近管道极化电位测试结果。可以看出，排流前管道干扰电位波动区间为-3~+0.5 VCSE,波动较大，一旦采用4支14 kg镁阳极排流后，其附近管道干扰水平急剧降低，大部分管道极化电位正向不超过-0.7 VCSE,负向不超过-1.3 VCSE,为了进一步弄清镁阳极的排流效果，将测试的管道极化电位按照国标GB/T 21448-2014的要求进行了统计，统计结果如表1所示。
从表1可以看出，镁阳极直接排流后，在镁阳极铺设范围内 （0~10 m之间），管道极化电位远远低于国标的要求，此外在镁阳极地床一侧60 m范围和另一侧10 m范围内，管道极化电位也低于国标的要求，表明在该干扰水平 （-3~+0.5 VCSE） 下，4支镁阳极可以将其附近管道的干扰水平降低至可接受的水平，且其有效缓解范围至少可达70 m。
图3显示了镁阳极直接排流的排流量。可以看出，此时镁阳极直接排流的排流量正向最大可达2.5 A,负向最大可达-1.5 A。
2.1.2 镁阳极极性排流实验及效果评价 为了对比极性排流的效果，在相同位置，利用相同的镁阳极地床进行了镁阳极极性排流实验。图4显示了极性排流后，镁阳极排流地床附近管道极化电位测试结果。与镁阳极直接排流类似，镁阳极极性排流的存在很大程度上降低了其附近管道的干扰水平，大部分管道极化电位正向不超过-0.6 VCSE,负向不超过-1.25 VCSE,相对于直接排流时负向波动幅值较小，这是由于极性排流的存在避免了杂散电流流入管道导致的。为了弄清镁阳极极性排流的效果，将测得的极化电位按照国标GB/T 21448-2014的要求进行了统计，统计结果如表2所示。
从表2可知，镁阳极极性排流后，在镁阳极铺设范围内 （0~10 m之间），管道极化电位远远低于国标的要求。此外在镁阳极地床两侧管道极化电位也得到了明显的控制，其中一侧的有效保护范围 （即管道极化电位满足国标的要求） 为40 m,另一侧的保护范围至少为10 m。表明，在该干扰水平 （-3~+0.5 VCSE） 下，4支镁阳极极性排流可以将其附近管道的干扰水平降低至可接受的水平，且其有效缓解范围至少可达50 m,较镁阳极直接排流的有效保护范围 （70 m） 小。同时，结合表1和表2可知，在该位置直接排流的效果较极性排流的效果更好，这可能是因为该处并不是明显的杂散电流流入点，管道电位正向波动和负向波动差异并不明显，如图1所示。
图5显示了镁阳极极性排流时排流地床的排流量。可以看出，增加极性排流器后，地床的排流电流均为正值，表明只有电流通过镁阳极地床流出管道，并没有电流经过镁阳极地床流入管道。此时镁阳极地床的排流量范围在0~2.25 A左右，最大值比直接排流的排流量略小，其原因是由于极性排流器在一定程度上增加了回路电阻导致的。也正如此，镁阳极极性排流的有效保护范围较直接排流有效保护范围小。
做完里程2 km处的镁阳极排流试验后，在管段其他不同干扰水平位置进行了相同的实验，试验结果如表3所示。其中管道电位正向最大值代表了不同的管道干扰水平。可以看出，当管道电位正向不超过+1.5 VCSE时，4支14 kg镁阳极的有效保护距离均在几十米至150 m范围内，非常有限，且随着管道干扰的增强，其有效保护距离明显减小。此外，在本管道的干扰情况下，镁阳极直流排流的效果略比极性排流效果要好。
2.2 分析与讨论
为了给镁阳极排流的设计提供参考，下面将对镁阳极的有效保护范围进行进一步的研究。考虑到镁阳极排流的有效保护范围受到众多因素的影响，如当地土壤电阻率、阳极组内阳极的型号、数量、阳极布置方式、管道干扰水平、阳极组接地电阻、排流量等，为了使得后续的研究更加实际可行，需要将上述影响因素进行归纳处理，找出影响镁阳极排流有效保护范围的关键因素，然后针对其关键影响因素进行进一步的研究。由于管道当地土壤电阻率、阳极组内阳极的型号、数量、阳极布置方式均会反映到阳极组的接地电阻之中，所以可以将这几个影响因素与阳极组接地电阻合并处理。至于阳极组的排流量，除了受阳极组接地电阻影响外，还会受管道干扰水平的影响，同时也会直接影响到有效保护范围，因此，阳极组的排流量也是影响其有效保护范围的关键因素之一。类似的，管道干扰水平也会直接决定牺牲阳极的有效保护范围。
基于以上分析，初步获得了影响牺牲阳极排流有效保护范围三个关键因素，即阳极接地电阻、阳极排流量以及管道干扰水平。这三个关键参数中，管道干扰水平往往在设计时已知，镁阳极排流设计只能决定镁阳极接地电阻和镁阳极排流量。从表3中总结出这三个关键因素以及对应有效保护范围，如表4所示。
从表4中可以看出，在本文研究的5个案例中，镁阳极接地电阻相差不大，均在2~3 Ω左右，若可近似认为其不变，那么只需确定管道排流量对牺牲阳极有效保护范围的影响。该想法可通过下面的分析进行验证。
镁阳极组的排流量 （I ） 可以通过下面的公式进行计算：
其中，Emg为镁阳极开路电位；Epipe为管道干扰水平，即管道断电电位最正值；RAMg接地为镁阳极组的接地电阻；Rpipe为管道接地电阻。
由于镁阳极开路电位一般为-1.57~-1.7 VCSE左右，对于特定型号为固定值，管道接地电阻一般低于1 Ω，可忽略不计，若镁阳极组的排流量与管道干扰水平 （Epipe） 呈近似正比例关系，则说明可将表4中5种情况阳极组的接地电阻近似看为定值。为了验证该想法，将表4镁阳极组排流量与管道干扰水平进行拟合分析，如图6所示。可以看出，两者确实呈近似正比例关系。故而，只需明确管道排流量对牺牲阳极有效保护范围的影响，则可确定牺牲阳极的有效保护范围。
为了达到该目标，进行了牺牲阳极有效保护范围与其排流量的拟合分析，如图7所示，得到了下面的非线性关系式：
其中，L为牺牲阳极有效保护范围；B1和B2为系数，由干扰系统决定，对于防腐层相同的同一条管道可近似认为不变，A=313.4,B1=-195.8,B2=37.7;I为牺牲阳极排流量。
需要指出的是，从图7看，镁阳极有效保护范围与其排流量呈反向关系：即镁阳极排流量越大，其保护距离越小，这似乎与我们之前的认识相反，其实不然。通常情况下，镁阳极排流量越大，其保护距离越大，这种认识是基于相同管道干扰水平。但实际上，管道干扰水平是变值。从图6可以看出，管道干扰水平越大，相同镁阳极组，其排流量也越大；而管道干扰水平越大，相同镁阳极组，其有效保护范围会越小。换句话说，管道干扰水平对于牺牲阳极有效保护范围有双重影响：一方面可以增大镁阳极组的排流量，间接增大牺牲阳极有效保护范围；另一方面会直接减小牺牲阳极的有效保护范围。最终表现的结果是，对于不同管道干扰水平，随着镁阳极排流量的增大，其有效保护范围减小。
类似地，从表3中总结出镁阳极极性排流有效保护范围以及对应的镁阳极组接地电阻、排流量、管道干扰水平，如表5所示。按照该数据，将镁阳极极性排流有效保护范围与其排流量进行拟合分析，得到了与镁阳极直接排流类似的非线性关系式，如图8所示。表明镁阳极直接排流和极性排流的有效保护范围均与其排流量呈现出二次关系式。
弄清了镁阳极排流量与其有效保护范围的关系后，结合电化学理论建立镁阳极排流有效保护范围的预测模型。
3 结论
（1） 牺牲阳极排流技术可以有效抑制埋地金属管道地铁杂散电流干扰，但其有效保护范围有限。干扰状态下当管道电位正向不超过+1.5 VCSE时，其有效保护范围在几十米至一两百米之间，且随着管道干扰水平的增大而逐渐减小。
（2） 地铁杂散电流干扰下镁合金牺牲阳极排流量是决定其有效保护范围的关键因素。对于干扰水平相同的管道，增大镁阳极排流量可以增加其有效保护范围；对于干扰水平不同的管道，相同数量镁阳极的有效保护效果与排流量呈现出反比例关系，其原因是由于干扰水平的“双重作用”引起的：一方面干扰水平的增强会减小镁阳极的有效保护范围，另一方面干扰水平的增强会增大镁阳极的排流量进而可以增大其有效保护范围。其解决方法是可以适当增加镁阳极数量。基于以上的结果，同时结合理论分析，初步建立了地铁杂散电流干扰镁阳极排流有效保护范围的预测模型。