研究对象管道材质为L360M钢，防腐层为3PE，服役年限为5年。参照GB/T 21246—2020《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》中的土壤管法，在管道沿线埋设极化试片，进行24 h阴极保护电参数监检测，试片面积为6.5 cm²，参比电极为饱和硫酸铜便携参比电极，研究中电位如无特殊说明，均相对此电极得出。选用cortalk-Udl2 Data Logger数据记录仪监测试片通电电位、断电电位、试片直流电流（图1），其通断周期为15 s，其中通12 s、断3 s，断电电位于断电后200 ms时采集，采样频率为1 Hz。

图1 电位测试示意图Fig. 1 Schematic diagram of potential test

受地铁干扰而产生的管道电位波动具有明显的频域分布特征，其波动频率与地铁运行间隔因素有关，相关研究显示地铁主要干扰波动周期为0～250 s，干扰频率多为0～10⁻² Hz^[2]；对于潮汐干扰引起的管道电位波动，其波动频率受海水潮起潮落周期、地磁等影响。研究显示^[22]，TGF振幅最强的一阶、二阶谐波的频率为1.2×10⁻⁵ Hz、2.3×10⁻⁵ Hz、3.5×10⁻⁵ Hz、4.6×10⁻⁵ Hz、5.8×10⁻⁵ Hz。地铁干扰频率与潮汐干扰频率均具有明显的差异频段，采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation, FFT）低通滤波对收集到的管道干扰电位进行频谱分析，以略高于潮汐干扰频率6×10⁻⁵ Hz作为截止频率，去除地铁干扰影响，以表征潮汐干扰影响。

Longuet-Higgins^[23]指出海峡两侧受潮汐影响于海岸两侧形成“类充电平行板”电势差，该潮汐电势差对临近管道存在潮汐干扰。为明确管道受潮汐干扰影响因素及规律，采用CDEGS软件就潮汐干扰规律开展研究。研究过程中，建立简化模型（图2），将两侧潮汐海岸线设置为多束线性导体并赋值于恒定电压激励以简化潮汐干扰规律；针对潮汐涨潮、落潮工况下潮汐海水速度方向变化特点，潮汐海岸干扰电压分别设置正、负极性电压以模拟评估涨潮、落潮工况下潮汐干扰规律。干扰计算中，埋地管道规格为 508 mm× 8 mm（管径×壁厚），全长170 km，管道埋深2 m。管材电阻率取0.135 Ω·mm²/m，埋地管道由涂层与外加电流阴极保护系统联合保护，分别于18 km、80 km、115 km、150 km处设置4座阴极保护站。不同间距位置处海岸两侧潮汐电压假定为固定值，且设置不同的潮汐电压V、左侧海岸距管道最小间距L、土壤电阻率ρ等参数（表1）。

图2 干扰数值模拟计算模型示意图Fig. 2 Schematic diagram of numerical simulation calculation model for tidal interference

表1 干扰数值模拟参数设置表Table 1 Parameter settings of numerical simulation for tidal interference

采用试片法对受干扰管道的24 h管地电位进行了监测，并采用FFT低通滤波方法对地铁干扰频率及潮汐干扰频率进行分离（图6），结果显示管地电位呈“类正弦波形”波动。

图6 山东地区某受潮汐干扰管道电位时域分析图Fig. 6 Potential time-domain analysis of a pipeline affected by tidal interference in Shandong

根据Longuet-Higgins^[23]推导的海峡两侧电势差公式，在忽略因海底回流对电压造成的部分“短路”对公式简化后，产生的电势差U与水流速度、垂直磁场强度、海峡宽度的关系式为：

式中：v_w为水流速度，m/s；B_Z为垂直磁场强度，T；W为海峡宽度，km。

在涨潮与退潮过程中水流速度最大时，海峡两侧电势差最大，引起管地电位的波动最大，故理论上管地电位波动过程中最大值与最小值出现在潮高波峰与波谷之间。由去除地铁干扰频率后，同一时刻管道电位波动变化与胶州湾区域水体潮汐涨落对应关系（图7）可见，管地电位变化曲线与附近大型水体潮汐涨落曲线具有对应变化趋势，且与理论分析一致，表明该管道管地电位周期性波动确实与附近水体潮汐相关，干扰类型为潮汐干扰。进一步分析原始电位信号及滤波后电位信号，发现该段管道同时受到潮汐干扰与地铁杂散电流干扰，潮汐干扰波动周期约为12 h，波形呈“双峰双谷”特征；管地电位偏移由潮汐干扰引起的电位变化与地铁干扰造成的电位波动叠加构成。

图7 管道电位波动变化与附近水体潮高对应关系图Fig. 7 Relationship between pipeline potential fluctuations and tide heights of adjacent water bodies

研究表明^[22]，TGF振幅最强一、二阶谐波的频率为1.2×10⁻⁵ Hz、2.3×10⁻⁵ Hz、3.5×10⁻⁵ Hz、4.6×10⁻⁵ Hz、5.8×10⁻⁵ Hz。采用傅里叶变换对管地电位进行频谱与振幅分析（图8），在2个不同测试桩上测得的管地电位频率均为2.3×10⁻⁵ Hz，与TGF频率一致。不同测试桩测得的电位振幅有所差异，这与测试位置、管道阴极保护状况等参数有关。

图8 管地电位频域分析图Fig. 8 Frequency domain analysis of pipe-to-soil potential

月球的引力作用是海洋潮汐形成的主要原因，受地月互绕影响，海峡两岸潮汐干扰电压大小各异且方向交替变化，管道管地电位受潮汐干扰呈动态变化。由去除地铁干扰频率后管道沿线管地电位（图9）可见，在潮汐干扰的作用下，管道管地电位将出现波动，幅度为−1.90～−1.38 V，距海岸线距离超过25 km后（桩号K032以下），管道管地电位波动幅度显著减小。

统计同一时间段管道沿线不同位置处的 24 h管地电位（图 10），管道沿线可分为4个干扰特征段，管道南侧与北侧管段在同一时刻，电流互为流入流出，具体情况为：①管道距干扰源较远时（K001～K043范围），管道受潮汐干扰较小；②管道逐靠近干扰源时（K043～K076范围），于12:00至次日00:00，管地电位逐渐负向偏移至“波谷”，而后正向偏移，随着管道与干扰源的逐渐接近，峰谷高度渐强，即电流流入且受潮汐干扰程度逐渐增强；③管道逐远离干扰源时（K077～K084范围），管道受潮汐干扰较小；⑤管道进一步逐渐远离干扰源时（K085～K170范围内），于12:00至次日0:00，管地电位逐渐正向偏移至“波峰”，而后负向偏移，峰谷高度渐强后逐渐减弱，即电流流出且受潮汐干扰程度先增强后减弱。

图9 去除地铁干扰频率后管道沿线管地电位分布图Fig. 9 Distribution of pipe-to-soil potential along the pipeline after removing subway interference frequencies

图 10 同一时间段管道沿线不同测试桩处24 h管地电位时程曲线Fig. 10 24-hour pipe-to-soil potential time-history curves at different test posts along the pipeline during the same time period

大型水体受到地球自转与月球引力的影响发生周期性涨落，即为潮汐。地球磁场在大地中产生地磁电流，感应电场在电导率分界面处发生畸变，陆地侧电场升高，海水侧电场降低。潮汐引起海岸线往复移动，电场畸变随之发生周期性变化，出现TGF（图 11）。

图 11 潮汐地电场原理示意图Fig. 11 Schematic diagram of tidal geoelectric field

谭大诚等^{[22, 24]}对TGF的产生机制进行了研究发现，潮汐在地表产生TGF有两条途径，包括峰-谷波形全天连续的TGF-A型与仅在午前午后出现的TGF-B型。TGF-A型地电场主要来自固体潮汐力，潮汐力直接作用于岩石，固体潮导致岩石裂隙水周期性渗流，产生过滤电场，此类TGF多分布在大型水域附近。TFG-B型地电场为电离层地磁静日变化电流在大地的感应电场，多分布在地下含水度、渗透率较高的区域。

在有阴极保护条件下，统计两侧海岸内海水速率为0（静止），即两侧海岸潮汐干扰电压差为0时，不同土壤电阻率下管道全线管地电位分布（图 12）。可见，通电点电位随土壤电阻率增大而负移，除通电点外，沿线管道电位约为−1 500 mV，以该工况下管道全线电位作为后续潮汐杂散电流干扰研究的基准电位。

图 12 无潮汐杂散电流且有阴极保护时不同土壤电阻率下管道全线管地电位分布曲线Fig. 12 pipe-to-soil potential distribution curves along the entire pipeline with cathodic protection and without tidal stray currents, under various soil resistivities

海峡两侧存在潮汐电压时，其潮汐电势差随水流速度、垂直磁场强度及海峡宽度增大而增大，随水流速度方向变化，海岸两侧潮汐干扰电压呈现正负极性变化。管道敷设于海岸附近时，管道可能受潮汐电压差干扰影响。统计不同潮汐电压下管道受干扰时管地电位分布（图 13），可见随潮汐干扰电压增大，管道受干扰强度增大，管道距海岸线最近位置处（管道里程57.9 km）所受干扰影响最大，该位置管道电位正向偏移143 mV、负向偏移 −140 mV，随着管道远离海岸线，其所受干扰强度逐渐减小。潮汐干扰电压大小与方向交替变化，管道所受干扰电压相应动态变化。受潮汐干扰电压影响，管道距离干扰源最近处为杂散电流流入时，远离管道两侧末端杂散电流流出，反之，当管道距离干扰源最近处为杂散电流流出时，远离管道两侧末端杂散电流流入。以管道中性点位置两侧管道互为杂散电流流入区、流出区进行数值模拟，结果显示管道中性点位置相对稳定。该计算模型管道存在2处中性点位置，分别位于管道里程26.5 km、96.7 km处，0～26.5 km管段与26.5～57.9 km管段、57.9～96.7 km管段与96.7～170 km管段互为流入、流出区。

图 13 不同潮汐干扰电压对管地电位影响图Fig. 13 Impact of varying tidal interference voltages on pipe-to-soil potential

由与海岸不同间距管道受潮汐杂散电流干扰时的管地电位分布（图 14）可见，随着管道与海岸间距增大，管道于潮汐电压场内所受电场梯度减小、干扰驱动电压减小，此时管道受潮汐干扰强度随间距增大呈指数式减小，与潮汐干扰电压随距离衰减规律一致。统计管道在不同土壤电阻率条件下受同等潮汐电压干扰时的管地电位分布（图 15），可见随土壤电阻率增大，干扰偏移量略有增大。

图 14 与海岸不同间距管道受潮汐杂散电流干扰时的管地电位分布曲线Fig. 14 Distribution of pipe-to-soil potential when pipelines with different distances from the coast are disturbed by tidal stray currents

图 15 管道在不同土壤电阻率条件下受同等潮汐电压干扰时的管地电位分布曲线Fig. 15 Distribution of pipe-to-soil potential under different soil resistivity conditions when subjected to the same tidal voltage interference