數(shù)值模擬海底電纜對(duì)沉海油氣管道的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)

梁 毅,杜艷霞,謝絲莉

(北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

目前，全球競(jìng)相發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，而海洋領(lǐng)域的新能源開(kāi)發(fā)更是占據(jù)著極其重要的地位，海底電纜作為沿海島嶼與城市之間電力與通信的重要傳輸手段，其重要性不言而喻。對(duì)于擁有長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)km海岸線，超過(guò)6 000個(gè)大小島嶼的中國(guó)來(lái)說(shuō)，海底電纜的需求量十分巨大。近年來(lái)，隨著我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)的大力推進(jìn)以及海洋漁業(yè)的發(fā)展，沿海人民對(duì)電力、通訊的需求不斷增加。另外，我國(guó)淺海不斷發(fā)現(xiàn)新的油氣田，海上石油平臺(tái)通訊、供電、勘探，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、海洋漁業(yè)的發(fā)展等進(jìn)一步增大了海底電纜的需求[1-4]。我國(guó)海底電纜行業(yè)的蓬勃發(fā)展使海底電纜與沉底管道發(fā)生長(zhǎng)距離并行或多次交叉的可能性增大，易形成長(zhǎng)距離的共用走廊帶。而大量的架空高壓輸電線與埋地管道的研究表明[5-8]，與埋地金屬管道并行的高壓輸電線路會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)、電阻耦合等方式在埋地管道上感應(yīng)出交流電壓和電流，對(duì)管道造成交流干擾，從而對(duì)管道產(chǎn)生不可忽視的危害，如會(huì)引起交流腐蝕，導(dǎo)致管道穿孔泄漏，影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成保護(hù)電位不滿足保護(hù)要求，犧牲陽(yáng)極發(fā)生“極性逆轉(zhuǎn)”等問(wèn)題,同時(shí)還會(huì)對(duì)工作人員產(chǎn)生電擊危害，嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全[9-10]。但是，由于海底電纜在近些年才開(kāi)始迅猛發(fā)展，海底電纜對(duì)沉底油氣管道的交流干擾還缺乏相關(guān)的研究，針對(duì)海底電纜對(duì)鄰近油氣管道干擾的影響尚未明確。

本工作構(gòu)建了海底電纜與沉海油氣管道的電磁干擾數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬計(jì)算考察了海底電纜對(duì)油氣管道的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)及影響因素，為海底電纜敷設(shè)提供一定的參考以保障相鄰管道的正常運(yùn)行。

1 計(jì)算模型建立與參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1顯示了用于模擬計(jì)算的海底電纜與沉海油氣管道(以下稱管道)的幾何模型，管道全長(zhǎng)約20 km，海底電纜全長(zhǎng)約17 km，海底電纜與管道并行約7 km，管道在左側(cè)(E點(diǎn))登陸后有絕緣接頭。海底電纜為交聯(lián)聚乙烯絕緣單芯光電復(fù)合海底電纜，三相電纜分別來(lái)源于不同的廠家，但可以將海底電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后海底電纜結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of submarine cable after simplification

利用電磁干擾模擬軟件(CDEGS)模擬計(jì)算常態(tài)運(yùn)行下海底電纜對(duì)管道干擾情況。管道、海底電纜以及環(huán)境特性參數(shù)如表1所示。在后續(xù)的計(jì)算中，保持這些參數(shù)不變。

根據(jù)上述條件，建立數(shù)值模擬的計(jì)算模型，在計(jì)算管道的交流電流密度時(shí)，可采用公式法和模擬真實(shí)破損法兩種方法進(jìn)行模擬。

公式法是通過(guò)模擬計(jì)算獲得的交流干擾電壓和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)》中電流密度的計(jì)算公式，如式(1)所示，計(jì)算管道上電流密度分布。

表1 計(jì)算模型中的恒定參數(shù)設(shè)置Tab. 1 Constant parameter settings in calculation model

(1)

式中：JAC為評(píng)估的交流電流密度，A/m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率(取測(cè)試點(diǎn)處管道附近土壤電阻率的實(shí)測(cè)值)，Ω·m；d為破損點(diǎn)直徑，按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重時(shí)的考慮，取0.011 3 m。

模擬真實(shí)破損法是在具有某一特定涂層面電阻率的管道涂層表面均勻繪制破損點(diǎn)，使得該管道涂層面電阻率達(dá)到預(yù)定值，通過(guò)計(jì)算破損點(diǎn)流出的電流，獲得管道上的電流密度分布。

以上兩種數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示，公式法與模擬真實(shí)破損法得到的交流電流密度相差不大。因此，交流電流密度的后續(xù)運(yùn)算均采用公式法進(jìn)行計(jì)算。

圖3 兩種數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of calculation results by two numerical simulation methods

參考BS EN 15280-2013《應(yīng)用于陰極保護(hù)埋地管道的交流腐蝕可能性評(píng)價(jià)》及BS ISO 18086-2015《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測(cè)定 防護(hù)等級(jí)》中關(guān)于使用交流電流密度判斷交流干擾的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)計(jì)算獲得的交流電流密度對(duì)油氣管道受交流干擾的程度進(jìn)行評(píng)估。

表2 交流干擾程度的判斷指標(biāo)Tab. 2 Assessment criteria of AC interference degree

2 模擬計(jì)算結(jié)果及影響因素分析

以海底電纜與沉底管道的基本參數(shù)及所處環(huán)境的特性參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建計(jì)算模型，通過(guò)CDEGS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析常態(tài)運(yùn)行下海底電纜對(duì)鄰近管道的干擾，考察了海底電纜負(fù)載電流不平衡度、海底電纜與管道的間距、海底電纜外被層面電阻率以及海底電纜的接地方式等對(duì)管道干擾情況的影響。

2.1 海底電纜負(fù)載電流不平衡度的影響

根據(jù)構(gòu)建的模型，此時(shí)海底電纜與管道的間距為200 m，海底電纜接地方式為兩端三相互連接地。當(dāng)常態(tài)運(yùn)行負(fù)載電流為1 411 A，負(fù)載電流不平衡度為4%時(shí)，三相電流的最大負(fù)載電流為1439A(上浮2%)，最小負(fù)載電流為1 383 A(下降2%)，在6種電流分配情況下,如表3所示，計(jì)算管道受干擾的情況，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，不平衡度為4%時(shí)，三相電流中各相實(shí)際負(fù)載電流的差異是引起管道干擾程度不同的原因。其中當(dāng)A相實(shí)際電流(IA)為1 411 A，B相實(shí)際負(fù)載電流(IB)為1 383 A，C相實(shí)際負(fù)載電流(IC)為1 439 A時(shí)，管道的交流干擾電壓和交流電流密度都達(dá)到最大，分別為0.38 V和56.60 A/m2。當(dāng)A相實(shí)際電流為1 411 A，B相實(shí)際負(fù)載電流為1 439 A，C相實(shí)際負(fù)載電流為1 383 A時(shí)，管道受干擾的程度最小，此時(shí)管道的最大交流干擾電壓為0.13 V，最大交流電流密度為19.82 A/m2。由此可見(jiàn)，負(fù)載電流在三相中分配的不同會(huì)導(dǎo)致管道受干擾程度存在明顯的差異。

表3 負(fù)載電流不平衡度為4%時(shí)三相電流中各相電流的分配情況Tab. 3 Current distribution in three phase current at load current imbalance of 4%

(a) 交流干擾電壓(b) 交流電流密度圖4 常態(tài)負(fù)載電流不平衡度為4%時(shí)管道的交流干擾電壓和交流電流密度Fig.4 AC interference voltage (a) and AC current density (b) of pipeline at load current imbalance of 4%

改變負(fù)載電流不平衡度進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)負(fù)載電流不平衡度為2%和1%時(shí)，管道的交流干擾電壓隨負(fù)載電流分配情況的變化規(guī)律與負(fù)載電流不平衡度為4%時(shí)的相似。當(dāng)A相實(shí)際電流為1 411 A，B相實(shí)際電流最小，C相實(shí)際電流最大時(shí)，即海底電纜三相中的實(shí)際電流滿足IC≥IA>IB時(shí)，管道受交流干擾程度最高；當(dāng)A相實(shí)際電流為1 411 A，B相實(shí)際電流最大，C相實(shí)際負(fù)載電流最小時(shí)，即海底電纜三相中的實(shí)際電流滿足IB>IA≥IC時(shí)，管道受交流干擾程度最低。

圖5展示了在3種負(fù)載電流不平衡度及不同電流分配方式下管道的最大交流干擾電壓。其中，負(fù)載電流的不平衡度及其分配方式如表4所示。結(jié)果表明，隨著負(fù)載電流不平衡度的增加，管道的受干擾程度增加。當(dāng)不平衡度由4%降低為2%時(shí)，不同的負(fù)載電流分配方式下管道交流干擾電壓降低的程度略有不同，為15%～33%；當(dāng)不平衡度由2%降低為1%時(shí)，不同的負(fù)載電流分配方式下管道交流干擾電壓降低程度亦不大相同，為17%～23%。

圖5 不同方式下管道的最大交流干擾電壓Fig.5 Maximum AC interference voltage of pipeline under different modes

2.2 海底電纜與管道間距的影響

選取負(fù)載電流不平衡度為1%的情況，參考不平衡度的模擬計(jì)算結(jié)果，選擇A相電流為1 411 A，B相電流為1 396.9 A，C相電流為1 411 A的條件，保持海底電纜接地方式為兩端三相互連接地，改變海底電纜與管道間距，對(duì)管道受干擾程度的影響進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，當(dāng)海底電纜與管道的間距為50m時(shí)，管道的最大交流干擾電壓為0.96 V，最大交流電流密度為142.3 A/m2；當(dāng)海底電纜與管道的間距增大至300 m，管道的最大交流干擾電壓降到0.10 V，最大交流電流密度降低到15.5 A/m2，減低幅度約為89.6%。

表4 不同方式下負(fù)載電流不平衡度及各相中電流分配情況Tab. 4 Current distribution in different phases and load current imbalance under different modes

由此可見(jiàn)，隨著海底電纜與管道間距的增大，管道的交流干擾電壓與交流電流密度減小，管道最大交流干擾電壓降低幅度隨海底電纜與管道間距的增大而減小，擬合得到二者的關(guān)系，用式(2)表示，擬合曲線的擬合優(yōu)度R2為0.997 7，結(jié)果如圖7所示。

(a) 交流干擾電壓 (b) 交流電流密度圖6 海底電纜與管道間距對(duì)管道干擾的影響Fig.6 Effects of distance between submarine cable and pipeline on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

U=1.65-0.017×L+6.74×10-5×L2-

0.93×10-8×L3

(2)

式中：U表示管道的最大交流干擾電壓，V；L表示海底電纜與管道的間距，m。

2.3 海底電纜外被層面電阻率的影響

海底電纜的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2所示，海底電纜鎧裝的外被層主要用來(lái)抵抗外界的機(jī)械作用，如海流和沙石的沖擊等，其質(zhì)量是影響海底電纜使用壽命的重要因素[11]，常用黃麻繩、聚丙烯繩以及瀝青等作為海底電纜外被層材料。且隨著海底電纜的發(fā)展，其外被層材料越來(lái)越多元化，因而有必要考察海底電纜外被層面電阻率對(duì)鄰近管道交流干擾的影響。以下從電絕緣角度比較了海底電纜外被層材料對(duì)管道干擾的影響。保持海底電纜的負(fù)載電流條件不變，參考海底電纜與管道間距對(duì)管道干擾影響的計(jì)算結(jié)果，選取管道交流電流密度為30 A/m2、海底電纜與管道的間距為210 m，構(gòu)建計(jì)算模型，計(jì)算海底電纜鎧裝外被層面電阻率對(duì)管道干擾的影響，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，海底電纜外被層面電阻率對(duì)管道干擾的影響較大，管道的交流干擾電壓及交流電流密度隨外被層面電阻率的增大而增大，當(dāng)外被層面電阻率達(dá)到30 Ω·m2時(shí)，管道的最大交流電流密度超過(guò)30 A/m2，管道存在一定的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

管道最大交流干擾電壓與外被層面電阻率關(guān)系可以用式(3)來(lái)擬合，擬合后曲線如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，當(dāng)外被層面電阻率增大到一定程度時(shí)，管道最大交流干擾電壓的增幅減小，擬合曲線的擬合優(yōu)度R2為0.996 5。

圖7 管道最大交流干擾電壓隨海底電纜與管道間距的變化曲線Fig.7 Relationship of maximum AC interference voltage of pipeline and distance between submarine cable and pipeline

U=0.1×ρ0.2

(3)

式中：U為管道最大交流干擾電壓，V；ρ為海底電纜外被層的面電阻率。

(a) 交流干擾電壓(b) 交流電流密度圖8 海底電纜外被層面電阻率對(duì)管道干擾的影響Fig.8 Effect of surface resistivity of outer layer of submarine cable on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

圖9 管道最大交流干擾隨海底電纜外被層面電阻率的變化曲線Fig.9 Relationship of maximum AC interference voltage of pipeline and surface resistivity of outer layer of submarine cable

2.4 海底電纜接地方式的影響

保持海底電纜的負(fù)載電流條件不變，參考海底電纜與管道間距對(duì)管道干擾影響的計(jì)算結(jié)果，選取海底電纜與管道的間距為210 m，且海底電纜E點(diǎn)的接地電阻為1 Ω，G點(diǎn)的接地電阻為10 Ω，構(gòu)建計(jì)算模型，計(jì)算海底電纜接地方式對(duì)管道干擾的影響。海底電纜接地方式主要分為兩種，如表5所示。

分別計(jì)算這兩種接地方式下，海底電纜對(duì)管道干擾的影響，結(jié)果如圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示：三相分別接地方式對(duì)管道交流干擾的影響遠(yuǎn)大于三相互連接地方式的，當(dāng)接地方式為三相互連接地時(shí)，管道受到的交流干擾程度較低，當(dāng)接地方式為三相分別接地時(shí)，管道受到的交流干擾程度較高，由三相互連接地轉(zhuǎn)變成三相分別接地時(shí)，管道的最大干擾電壓增大了將近6倍。

表5 海底電纜的接地方式Tab. 5 Grounding mode of submarine cable

(a) 交流干擾電壓 (b) 交流電流密度圖10 海底電纜的不同接地方式對(duì)管道干擾的影響Fig.10 The effect of different grounding mode on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

通過(guò)模擬計(jì)算，分別獲取了兩種接地方式下，海底電纜兩端接地極的泄漏電流，如表6所示。由此可見(jiàn)，當(dāng)接地方式為三相互連接地時(shí)，海底電纜兩端接地極的泄漏電流很小，三相間的鎧裝和護(hù)套通過(guò)接地極形成回路，電流在此回路中形成環(huán)流，海底電纜通過(guò)接地極流向大地的電流較小，通過(guò)阻性耦合作用對(duì)管道形成阻性耦合的干擾程度較低，從而導(dǎo)致管道的交流干擾電壓較低；當(dāng)接地方式為三相分別接地時(shí)，海底電纜兩端接地極的泄漏電流較大，海底電纜通過(guò)接地極流向大地的電流較大，通過(guò)阻性耦合作用對(duì)管道形成較大的交流干擾，使管道存在一定的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

表6 海底電纜兩端接地極的泄漏電流Tab. 6 Leakage current of grounding electrode of submarine cable

3 結(jié)論

(1) 海底電纜負(fù)載電流的不平衡度對(duì)沉海油氣管道干擾的影響較大，隨著負(fù)載電流不平衡度的增加，管道的交流干擾電壓及交流電流密度均隨之增加，且同一負(fù)載電流不平衡度下，管道的受干擾程度亦隨負(fù)載電流分配方式的不同呈現(xiàn)出差異性，當(dāng)三相中實(shí)際負(fù)載電流為IC≥IA>IB時(shí)，管道的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)最大。

(2) 海底電纜與管道的間距對(duì)管道干擾影響很大，隨間距的增大，管道的交流干擾電壓與交流電流密度隨著減小。

(3) 海底電纜外被層面電阻率是影響管道受干擾程度的重要因素之一，隨著海底電纜外被層面電阻率的增大，管道的交流干擾電壓與交流電流密度隨之增大，故海底電纜外被層面電阻率應(yīng)盡可能小，以避免管道遭受交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 海底電纜采用不同的接地方式時(shí)，管道受干擾程度有所差異，當(dāng)海底電纜采用三相分別接地時(shí)，管道受干擾程度較大，由三相互連接地轉(zhuǎn)變成三相分別接地時(shí)，管道的最大干擾電壓增大了將近6倍。