陜京管道交流干擾排流效果的影響因素

劉 權(quán),葛艾天

(1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065； 2. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101)

陜京管道交流干擾排流效果的影響因素

劉 權(quán)1,葛艾天2

(1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065； 2. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101)

通過對陜京管道交流干擾排流效果進(jìn)行測試，分析了地床埋設(shè)方式、地床接地電阻和排流設(shè)備等影響因素對排流效果的影響。對交流干擾地床設(shè)計(jì)和排流器的選型有重要的指導(dǎo)意義。

陜京管道;交流干擾;排流效果;排流器

圍繞交流干擾問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了部分研究。但是由于交流干擾的影響因素眾多，相互之間影響十分復(fù)雜，迄今為止，國內(nèi)外在交流干擾的影響因素、交流干擾與管道陰保系統(tǒng)的相互作用、交流干擾的評價(jià)準(zhǔn)則以及交流緩解等方面仍然沒有達(dá)到共識，因此亟待對其進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究分析[1]。

陜京管道受高壓輸電線路或電氣化鐵路等的影響，埋地管道面臨的交流干擾問題日益突出，嚴(yán)重威脅著管道及其相關(guān)設(shè)備的安全(絕緣法蘭、陰極保護(hù)設(shè)備等)以及工作人員的人身安全，個(gè)別嚴(yán)重管段交流干擾距離長達(dá)100多公里，最大干擾電壓超過100 V。為了緩解交流干擾對管道、設(shè)備和人員的危害，陜京管道已經(jīng)實(shí)施了一批排流緩解措施，大大降低了管道交流干擾程度,見圖1和圖2。本工作通過測試陜京管道85處排流緩解效果，評價(jià)了排流效果并分析了其影響因素。

1　交流干擾腐蝕評價(jià)準(zhǔn)則

交流干擾腐蝕的機(jī)理十分復(fù)雜，目前對交流干擾的腐蝕機(jī)理仍存在較大爭議，學(xué)術(shù)界目前也形成了幾類較典型的交流腐蝕假說理論，這對于交流干擾腐蝕的預(yù)測、評價(jià)及防護(hù)都帶來了一定的困難[2-3]。

圖1　管道與電氣化鐵路、交流高壓輸電線路位置關(guān)系圖Fig. 1　Relative positions of pipeline and electrified railways, AC high voltage transmission lines

隨著交流干擾腐蝕研究的深入，研究人員對于交流干擾腐蝕的評價(jià)指標(biāo)觀念有所轉(zhuǎn)變，從過去以交流干擾電壓作為主要評價(jià)指標(biāo)到如今以交流電流密度作為交流干擾腐蝕評價(jià)的重要指標(biāo)[4-6]，從過去單一的指標(biāo)評價(jià)研究到現(xiàn)在多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及最新的研究成果，陰極保護(hù)管道各交流干擾腐蝕評價(jià)準(zhǔn)則主要有：

(1) 對交流干擾電壓準(zhǔn)則[3,7]；

圖2　管道交流干擾排流效果對比圖Fig. 2　Effect comparison of AC interference drainage for pipeline

(2) 交流電流密度準(zhǔn)則[4,7]；

(3) 保護(hù)電位和極化偏移準(zhǔn)則[8]；

(4) 基于交流和直流電流密度評價(jià)準(zhǔn)則[9]；

(5) 基于交、直流電流密度和保護(hù)電位評價(jià)準(zhǔn)則[10]。

為了評價(jià)排流效果、對陰極保護(hù)的影響和分析影響排流效果的影響因素，需在各排流點(diǎn)測試以下內(nèi)容：

(1) 管道與地床連接和斷開時(shí)的交流干擾電壓、交流電流密度、通/斷電電位；

(2) 排流點(diǎn)的交流電流排泄量和直流電流漏流量；

(3) 排流點(diǎn)的土壤電阻率和接地地床的接地電阻；

(4) 排流器兩端的交直流電壓。

2　交流干擾排流效果影響因素

2.1地床埋設(shè)方式對排流效果的影響

目前排流地床的埋設(shè)方式有：與管道并行敷設(shè)、與管道垂直敷設(shè)、接地網(wǎng)分布式、深井地床形式、采用站內(nèi)接地網(wǎng)。

陜京管道交流干擾排流地床的埋設(shè)方式主要是與管道并行和與管道垂直兩種方式。通過選取排流地床接地電阻、管道交流雜散電流干擾程度接近兩個(gè)排流點(diǎn)，比較這兩種方式的單位長度接地極的排流效果,見表1。

由表1可見，在輔助地床的接地電阻和管道交流干擾程度接近的情況下，并行管道的排流地床的交流電壓降低率、單位長度接地極的交流電壓降低率及交流排流量的平均值均高于垂直管道的排流地床。

表1　不同地床埋設(shè)方式測試結(jié)果對比Tab. 1　Comparison of different ground bed embedding methods

比較這兩種埋設(shè)方式對交流干擾防護(hù)效果的影響(交流電壓降低率)，見圖3。由圖3可見,并行敷設(shè)地床埋設(shè)方式的交流電壓降低率在70%～80%，垂直管道敷設(shè)的地床埋設(shè)方式交流電壓降低率在30%～50%，因此表明并行敷設(shè)的輔助地床的交流干擾防護(hù)效果好于垂直管道敷設(shè)。

2.2地床接地電阻對排流防護(hù)效果的影響

根據(jù)交流干擾排流計(jì)算公式，在管道特征電阻一定的情況下，排流地床接地電阻越小，排流后管道殘余的交流電壓值越小,見式(1)。

(1)

式中：Vmit為緩解目標(biāo)電壓，V；v0為感應(yīng)峰值電壓，V；Z為管道特征電阻，Ω；R為排流地床的目標(biāo)接地電阻，Ω。

圖4為接地電阻與交流電壓降低率的關(guān)系。由圖4可見，地床接地電阻越小，交流電壓降低率越高，交流干擾防護(hù)效果越好。

(a)　并行管道

(b)　垂直管道圖3　陜京管道不同埋設(shè)方式后的交流電壓降低率Fig. 3　Reduction rates of AC voltage of shaan-jing pipeline with different kinds of underground installation bed before and after drainage of AC (a)　purallel　(b)　vertical

圖4　接地電阻與交流電壓降低率曲線圖Fig. 4　Grounding resistance vs. AC voltage lowering rate curve

從陜京管道測試的85處的交流干擾防護(hù)效果可以統(tǒng)計(jì)分析出，接地電阻在1.5 Ω內(nèi)時(shí)，交流電壓降低率能達(dá)到70%～90%；接地電阻在1.5～3 Ω，交流電壓降低率能達(dá)到30%～70%；接地電阻在3～6 Ω，交流電壓降低率在10%～40%。從圖4可以看出交流干擾防護(hù)效果和地床接地電阻并未呈現(xiàn)線性關(guān)系，同時(shí)交流干擾防護(hù)效果受到交流干擾程度、排流器的類型等因素的影響。

2.3排流設(shè)備對排流效果的影響

排流設(shè)備主要利用電子元器件高直流阻抗低交流阻抗的特點(diǎn)降低管道感應(yīng)到的交流電壓而不影響陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。排流設(shè)備根據(jù)工作原理的不同主要有電容排流和二極管排流兩種類型。排流設(shè)備的選擇應(yīng)確保交流阻抗較小，同時(shí)隔離電壓(或閥值電壓)的選擇應(yīng)與管道的陰極保護(hù)水平和接地材料的電位相匹配，避免引入過多的直流雜散電流。由于排流設(shè)備多放置在野外，應(yīng)充分考慮防塵防水性能，對于采用裸銅線做接地材料的排流設(shè)置，尤其在低洼的河谷地帶應(yīng)有良好的防水性能，避免設(shè)備被水浸泡影響設(shè)備正常工作，同時(shí)造成接地材料和管道的短接影響管道陰極保護(hù)效果。對于裸銅線接地極，會形成電偶腐蝕，影響管道安全。

陜京管道采用的排流設(shè)備總共有6種類型，分別為：Rustrol cathodic isolator固態(tài)去耦合器；QOH-1固態(tài)去耦合器；TKICO固態(tài)去耦合器；SCM復(fù)合型排流器；DEI固態(tài)去耦合器；SDQP-50箝位式排流器,各排流器參數(shù)對比見表2。

表2　各個(gè)排流器參數(shù)對比Tab. 2　The drainage device parameter comparison table

圖5為不同排流器對排流效果的影響。由圖5可見,Rustrol和DEI的交流干擾防護(hù)效果最好，交流電壓降低率達(dá)到80%，箝位式和SCM排流器的交流干擾防護(hù)效果次之，交流電壓降低率達(dá)到70%，TKICO和QOH-1的交流干擾防護(hù)效果最差。

圖5　不同排流器的排流效果的影響Fig. 5　Influence of drainage effect on different kinds of drainage

在永唐秦管道交流干擾防護(hù)點(diǎn)YQ-1036處采用不同的排流器，測試不同排流器的排流效果,見表3。由表3可見,Rustrol和DEI的交流干擾防護(hù)效果比SCM排流器好。

通過測試不同排流器的交流阻抗發(fā)現(xiàn)，Rustrol和DEI固態(tài)去耦合器的交流阻抗最小，表明這兩個(gè)排流器的通過交流電流的阻力最小，其他幾個(gè)類型的排流器的交流阻抗較大。在交流干擾較大的位置，通過排流器的電流較大，若排流器的阻抗較大，則殘留在排流器兩端交流電壓較大，使得管道和接地極之間交流電壓差大，因此交流干擾防護(hù)效果差。每種排流器的具體交流阻抗見表4。

表3　不同排流器排流效果對比Tab. 3　Drainage effect of different drainages

表4　不同排流器的交流阻抗值Tab. 4　AC impedance values of different drainages

2.4排流設(shè)備對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響

表5和表6為排流器對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響。

表5　不同排流器排流效果對管道電位的影響Tab. 5　Effects of different drainage device drainages on pipeline potentials

由表5和表6可見，對管道電位有影響的三種排流器兩端的交流電壓差均較大，交流電壓差大主要是由于排流器的交流阻抗較大造成。排流器通過交流電流時(shí)，排流器的交流阻抗大，排流過程中，殘留在排流器兩端的交流電壓差較大，這個(gè)較大的交流電壓差會疊加到排流器內(nèi)部控制隔離閥值的元件，使得排流器在規(guī)定的閥值范圍內(nèi)也會發(fā)生導(dǎo)通，從而造成對管道電位的影響。

2.5接地材料對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響

目前常用的接地材料有裸銅線、扁鋼/角鋼、鋅帶等材料，裸銅線由于其良好的耐蝕性得到廣泛的應(yīng)用。由于各種材料在土壤環(huán)境中的電位序不同，在使用過程中也不同程度地影響了陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行。表7為使用不同接地材料時(shí)管道的實(shí)際隔離電壓及平衡電位。

表6　排流器對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響Tab. 6　Effects of drainage device on cathodic protection system

表7　使用不同接地材料管道的實(shí)際隔離電壓和 平和電位Tab. 7　The actual cp threshold and equilibrium potential for different grounding materials

隔離電壓指超過一定電壓時(shí)元件導(dǎo)通泄流的值，為避免陰極保護(hù)電流漏失，隔離電壓的負(fù)值要比陰極保護(hù)電位更負(fù)。隔離電壓一般為+1～-3V或+2/-2V，由于隔離電位為管道和排流接地材料間的電壓差，接地材料的不同會導(dǎo)致實(shí)際隔離電位發(fā)生變化,見表7。排流器兩端電壓差是由交流殘壓和陰極保護(hù)電位疊加值來確定的，排流器的交流阻抗較大時(shí)，排流器兩端殘留較大的交流電壓差，殘留交流電壓和陰極保護(hù)電位的疊加效應(yīng)導(dǎo)致管道電位有超過實(shí)際隔離電位的可能。在一個(gè)周期內(nèi)，如果正向?qū)ê拓?fù)向?qū)〞r(shí)間長度不一致時(shí)，則在一個(gè)周期內(nèi)接地極電流會有累積的電流流出或者流入，即會造成接地極會有電流持續(xù)流出或者流入，造成管道電位發(fā)生偏移。平衡電位指選用特定的隔離電壓和接地材料時(shí)不影響陰極保護(hù)效果的管道陰極保護(hù)電位，當(dāng)排流器兩端電壓差超過實(shí)際隔離電位且負(fù)于平衡電位時(shí)電流從管道流向接地極，管道電位變負(fù)，反之，電流從接地極流向管道，管道電位變正。需要注意的是電流的流入和流出都會在整個(gè)管道系統(tǒng)引入直流雜散電流，影響陰極保護(hù)效果。在排流設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)管道陰極保護(hù)水平選擇合理的設(shè)備隔離電壓和接地材料，最大程度地減少雜散電流的引入。

去耦合器的失效模式多數(shù)為短路狀態(tài)，這會造成陰極保護(hù)電流的漏失，尤其對于裸銅線接地材料，對管道有電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，需要在運(yùn)行過程中加強(qiáng)維護(hù)和測試，在設(shè)計(jì)選擇接地材料時(shí)也需要審慎的使用裸銅線接地[11]。

3　結(jié)論

(1) 與垂直管道敷設(shè)地床相比，與管道并行敷設(shè)地床的交流干擾防護(hù)效果較好，對交流電壓有明顯的緩解效果。

(2) 在相同的干擾程度下，排流地床的接地電阻越低，交流干擾防護(hù)效果越好。交流干擾程度越高，需要降低到相同的目標(biāo)電壓越難。

(3) 排流設(shè)備對交流干擾防護(hù)效果影響主要是由排流器的交流阻抗決定，排流器的交流阻抗越小，排流設(shè)備的交流干擾防護(hù)效果越好。

[1]胡士信. 陰極保護(hù)工程手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999:212-227.

[2]李自力，楊燕． 金屬管道交流腐蝕研究新進(jìn)展[J]． 石油學(xué)報(bào),2012，33(1)：164-171．

[3]NACE International Task Group 327. AC Corrosion State-of-the-Art: Corrosion Rate,Mechanism,and Mitigation Requirements[R]. NACE International Publication 35110,2010:1-60.

[4]GB/T 50698-2011埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[5]GB/T 21447-2008鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范[S]．

[6]張玉星，杜艷霞，姜子濤. 交流干擾對埋地管線陰極保護(hù)的影響[J]. 腐蝕與防護(hù),2013,34(4):350-358.

[7]ISO 15589-2003Petroleum and natural gas industries-cathodic protection of pipeline transportation systems Part 1:On-land pipelines[S].

[8]杜晨陽，曹備，吳蔭順． 交流電干擾下-850 mV(CSE)陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則的適用性研究[J]． 腐蝕與防護(hù),2009，30(9)：655-659．

[9]CEN/TS 15280-2006Evaluation of a.c. corrosion likelihood of buried pipelines-application to cathodically protected pipelines[S].

[10]胡士信，路民旭，杜艷霞,等． 管道交流腐蝕的新觀點(diǎn)[J]． 腐蝕與防護(hù),2010，31(6)：419-424．

[11]葛艾天，劉權(quán)，陳國橋. 銅接地系統(tǒng)對輸油氣站場埋地管道影響[J]. 天然氣與管道,2010，28(2)：16-33.

Affecting Factors of AC Interference Drainage Effect in Shaan-jing Pipeline

LIU Quan1, GE Ai-tian2

(1. School of Materials Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China;2. PetroChina Beijing Gas Pipeline Co., Ltd., Beijing 100101, China)

Through the tests of AC interference drainage effect in Shaanxi-Beijing pipeline, the effects of ground bed embedding manner, ground resistance and drainage equipment on the drainage of AC interference were analyzed to give some important guidance to ground bed design and drainage device selection.

Shaan-jing pipeline; AC interference; drainage effect; drainage device

10.11973/fsyfh-201510019

2015-04-14

劉 權(quán)(1981-),工程師，學(xué)士，從事管道腐蝕與防護(hù)，15810957379，bhgcql@petrochina.com.cn

TE988.2

B

1005-748X(2015)10-0990-05