800 kV特高壓直流入地電流對埋地鋼管道的影響

張 良 何 沫 張凌帆

中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院

0 引言

特高壓直流輸電系統能夠遠距離大容量輸電，在我國能源需求快速發展、電力資源分布嚴重不平衡的背景下，具有巨大的經濟效益[1-3]。特高壓直流輸電系統單極大地返回運行時，工作電流持續通過接地極注入大地，電流可經由附近管道防腐層破損點進入，沿管道流動一定距離后再由管道流出，在流出點管壁處造成嚴重腐蝕[4-7]。為降低特高壓直流輸電接地極對埋地金屬管道的影響，國內管道已采用多種防護手段控制金屬腐蝕，但尚未在正受干擾條件下開展過管道參數監測工作[8-15]。筆者以西南某管道為研究對象，創新性提出管道受影響程度的測試方法，通過對特高壓直流接地極放電過程中管道腐蝕參數的監測，研究該管道受影響程度及腐蝕防護措施有效性。

1 現場概況

西南某管道全長120 km，采用D813×9/10/11/14.2 mm螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，管材為L485M鋼，全線采用三層PE外防腐層。沿線地形以山坡、旱地、坡地、梯田為主，管道附近土壤電阻率介于11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蝕性以中等腐蝕性為主，強腐蝕性次之，少量基巖地區為弱腐蝕性。

管道沿線設置5座截斷閥室，陰極保護系統包括3座陰極保護站、120個普通測試樁、47處直流排流設施、2個線路分段隔離絕緣接頭。在進、出閥室兩側管道的合適位置各設置1處過電位保護點，各過電位保護點安裝防浪涌保護裝置對閥室進行排流保護，防止線路管道上的電涌對閥室內設施設備的沖擊和干擾。全線共設置2處遠端排流點，局部接地鋅帶排流點共45處，鋅帶平行于管道同溝敷設，埋深與管道底標高相同，距離管道水平距離約0.3 m。閥室及陰極保護站分布情況如圖1所示。

管道附近接地極為800 kV特高壓直流輸電接地極，采用同心雙圓環依地勢水平敷設，外環半徑為315 m，內環半徑為240 m。內環、外環均采用焦炭填充，截面為0.6 m×0.6 m，內環埋設深度為3.5 m，外環埋設深度為4.0 m。該接地極與管道最小間距為14.8 km，設計性能：額定電流為4 540 A，暫態電流為6 045 A，最大電流為8 500 A。本次輸電系統單極運行從0:20:00開始，至0:58:55結束，歷時38分55秒，接地極負極放電電流為2 375 A，最大峰值電流為2 420 A。

圖1 管道閥室及陰極保護站分布圖

2 技術方案

為測試出接地極放電過程中管道的腐蝕情況，根據管道現場情況，創新性形成了特高壓接地極放電過程中附近管道受影響程度測試方法。所采用的技術手段如下。

2.1 管道陰極保護有效性測試

對目標管道的恒電位儀性能、通斷電位、絕緣法蘭性能和排流設施性能進行綜合測試，確定管道陰極保護系統的可靠性。

2.2 恒電位儀輸出電流監測

在接地極放電過程中，同步對3座陰極保護站的強排性恒電位儀的電流輸出進行監測，根據測試結果判斷恒電位儀在受影響過程中發揮的作用。

2.3 管地電位連續監測

為明確雜散電流干擾下管道的吸收和排放電流區域，記錄放電過程中管道出現的最大電位偏移值，選擇17個測試點，應用電位數據記錄儀連續記錄管道沿線各點電位變化情況。

2.4 管中電流連續監測

采用環式直流電流測試儀連續記錄放電過程中管中直流電流的大小和方向。測試點位置選定數值模擬中干擾強烈的區域間隔1 km開挖2處探坑。

2.5 管體腐蝕監測

在接地極放電開始前，根據數值模擬結果選擇3處腐蝕嚴重位置設置由ER腐蝕探針和腐蝕檢查片組成的智能陰極保護評估系統。在放電結束后使用配套的手持機采集ER探針的腐蝕速率。

3 測試結果

3.1 管道陰極保護有效性測試

根據測試結果，各陰極保護站恒電位儀均運行正常，管道沿線102處測試樁的通/斷電位均滿足標準要求，各站及沿途分段隔離絕緣接頭測試結果為合格。在50號和51號測試樁處測得排流鋅帶接地電阻過大，其余測試樁鋅帶接地電阻均達到要求。

3.2 恒電位儀電流監測

在放電時間點前，3臺恒電位儀電流輸出平穩，放電后為抑制雜散電流干擾，恒電位儀開始增大輸出，預期3號閥室干擾嚴重段輸出增加幅值最大，由0.91 A增加至4.64 A，輸出調整量為3.73 A。3臺恒電位儀在放電結束點輸出瞬間下降至正常范圍，對雜散電流干擾相應快速，自動調整時間基本無遲滯現象（圖2）。

圖2 恒電位儀電流輸出曲線

3.3 管地電位監測

對所選的17個測試樁進行了管地電位連續監測，經數據分析，結果如下：

1）2號、3號閥室測試點位于恒電位儀通電點附近，結果顯示管道電位受到鉗制作用，放電期間保護電位基本穩定，2號閥室為－1.3～－1.4 V，3號閥室為－1.0～－1.2 V。

2.牢固樹立經濟效益的理念。效益是企業的立身之本，沒有效益就沒有一切。現在，油田調整了經營考核辦法，將過去考核返還的部分納入成本管理；同時，員工住房補貼增長、療養補助發放的政策執行，都意味著公司成本支出大幅提高。成本增加了，效益就會受到影響。公司的工作重點，就是要努力用效益的增長來彌補成本剛性增長的空缺。要堅決突出效益第一位置，加強經營管理，降低成本、挖潛增效，不斷提高公司經濟運行質量。

2）50號測試樁和4號閥室是發生電位正負交變的邊界線，2號閥室至50號測試樁段，以及4號閥室至納溪西站段是本次放電期間的陰極區，接地極的干擾由此區域流入管道，管道表面無腐蝕風險，但大電流極化管道，可能導致陰極剝離，甚至金屬表面氫損傷。

3）50號測試樁至4號閥室段是本次放電期間的陽極區，接地極的干擾由此區域流出管道，管道表面漏損點位置有腐蝕風險。

4）64號樁監測點在0:52正向偏移達到全線最大值為＋568 mV，偏移量為1 500 mV，為電流流出區域。

5）46號樁監測點在0:52負向偏移達到全線最大值為－4 853 mV，偏移量為3 971 mV，為電流流入區域。

6）放電結束后管道電位恢復至放電前水平，可確定雜散電流干擾影響時間段為：00:26～00:54，管道受到約28 min持續放電干擾。

各點詳細測試結果如圖3、4所示：

圖3 管道沿線放電期間不同位置的電位分布圖

圖4 管道沿線放電期間不同時段的電位分布圖

3.4 管中電流監測

針對預評估干擾較大區段，分別選擇在2號閥室下游5 m處和46號測試樁附近開挖探坑安裝電流環，監測電流時序如圖5、6所示。監測結果如下：

圖5 2號閥室處管中電流監測圖

圖6 46號測試樁處管中電流監測圖

接地極放電干擾前管道中的陰極保護電流量為0.09 A，00:23開始管道吸收入地電流并線性升高至1.5 A，至00:34電流瞬間升高到4 A，并持續至00:53后瞬間下降至0.19 A，持續時間30 min，基本與電位監測結果一致。

干擾期間2號閥室附近監測點測得最大管中電流為4.74 A，46號測試樁附近監測點最大管中電流為4.84 A，較正常陰極保護電流分別增加了4.65 A和4.75 A。

3.5 管體腐蝕速率監測

本次現場測試對管道沿線3處埋地腐蝕探頭進行了腐蝕速率測試，測試結果反映出2號閥室旁，試片的外腐蝕速率超過NACE SP0169規定要求。測試結果如下：

1號腐蝕監測點腐蝕速率為0.049 mm/a；2號腐蝕監測點腐蝕速率為0；3號監測點腐蝕速率為0.016 mm/a。

4 結論

1）特高壓直流輸電接地極入地電流對附近管道的影響程度可以通過管道陰極保護有效性測試、恒電位儀輸出電流監測、管地電位監測、管中電流監測和管體腐蝕速率監測的結果進行綜合評價。

2）在未干擾條件下，該管道僅1處測試點極化電位不達標，陰極保護系統總體運行正常，管道沿線極化電位達到標準要求。另外存在2處排流鋅帶接地電阻過大。

3）接地極放電對管道全線均造成了干擾影響，管道陰極區即電流流入區域，最大負向偏移達到－4 853 mV，偏移量為3 971 mV，管道陽極區即電流流出區域，最大正向偏移達到＋568 mV，偏移量為1 500 mV，最大管中電流達到4.84 A。

4）在特高壓直流輸電接地極放電期間，管道強制電流恒電位儀自動調節電流輸出量，低電阻鋅帶排流設施成為良好的干擾電流通道，各種腐蝕防護措施綜合發揮作用，對穩定管道極化電位發揮積極作用，降低了管道腐蝕風險。

5）即使在多種管道腐蝕防護手段協同作用下，ER腐蝕探監測管道外壁腐蝕的最大腐蝕速率0.049 mm/a，超過了管道設計控制目標，且本次放電涉及的電流量遠低于額定值，由此可見特高壓直流輸電系統在單極大地返回運行狀態下會對附近管道造成較大影響。