某油田海底管道抗電磁干擾腐蝕研究

胡 江

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

海底管道擔(dān)負(fù)著輸送石油、天然氣等的重要任務(wù)，可以說是海上油田的動脈。通常在海底管道布置時，與海底電纜的最小間距控制在20 m左右，這樣可以有效避免電流干擾的影響。但是在一些特殊情況下，海底管、纜的布置間距會比較小。由于交流干擾的作用，管道會感應(yīng)交流電流，這些感應(yīng)的交流電流會在管道涂層破損處(或者涂層質(zhì)量較差的地方)流出管道，從而造成管道涂層破損處的交流腐蝕。根據(jù)《埋地鋼制管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，采用加拿大CDEGS軟件仿真計算線路正常負(fù)載運行和接地工況下管道的干擾分布情況，評估對管道腐蝕影響。本文以渤海油田某油氣混輸海底管道在穿越航道區(qū)域與海底電纜交叉并近距離并行布置的情況為例，考慮到電磁干擾可能加速海底管道的腐蝕，為避免此類事情發(fā)生，在工程前期進(jìn)行專題研究。

1 海底管道與海底電纜設(shè)計參數(shù)

海底管道總長約28.9 km，管材為API5L×65，涂層類型為3LPE。管道埋深，非航道區(qū)1.5 m，航道區(qū)3.5 m；管道直徑，457 mm；管道壁厚，12.7 mm；涂層電阻率，1×105Ω·m2。

海底電纜規(guī)格為35 kV/110 kV 三芯海底電纜，其中35 kV電纜額定載流量為422 A，電流不平衡度為4%，單相短路故障電流為0.75 kA；110 kV電纜額定載流量為698 A，電流不平衡度為4%，在航道處單相短路故障電流為7.65 kA，其余位置單相短路故障電流為9.06 kA。海底電纜在海上平臺處接地，接地方式為鎧裝、鉛套三相互聯(lián)接地，接地電阻為0.5 Ω。

海底電纜埋設(shè)在海床以下3.5 m，管道在非航道區(qū)埋深1.5 m，在航道區(qū)埋深3.5 m。在航道區(qū)海床以上約有26 m的海水層，非航道區(qū)海床以上約有20 m的海水層，海水層電阻率為0.25 Ω·m，海泥層電阻率為1.0～3.5 Ω·m。

福克蘭群島戰(zhàn)役中皇家海軍大敗德國一支艦隊，1914年12月，從而剝奪了德國進(jìn)入世界各貿(mào)易中心的權(quán)利。不過，雙方艦隊只有一次大交鋒，即1916年5月21日的日德蘭海戰(zhàn)。此次海戰(zhàn)從戰(zhàn)術(shù)上講，德國成功地避開了陷阱，取得了勝利。但從戰(zhàn)略上講，英國人才是勝利者。因為他們從開始直到戰(zhàn)爭結(jié)束始終控制著北海，并迫使德國艦隊困于本土基地?zé)o法出動。

2 穩(wěn)態(tài)運行和故障情況時的交流干擾風(fēng)險評判指標(biāo)

當(dāng)海底電纜發(fā)生單相短接時，即35 kV、110 kV海纜內(nèi)部鉛套和纜芯均發(fā)生短接。通過電纜發(fā)生故障的狀況進(jìn)行模擬計算，包括35 kV海纜起點處、海纜與原有管道開始并行位置、KP0位置(航道起點處)、KP1.085位置(跨接點處)、KP1.5位置(航道拐點第一處)、KP2.0位置(航道拐點第二處)、KP2.996位置(航道終點處)、35 kV、110 kV海纜終點處，海纜單相故障位置示意圖如圖5所示。

表1 穩(wěn)態(tài)運行下交流干擾風(fēng)險評價指標(biāo)

根據(jù)前述的數(shù)據(jù)，建立了跨接點位于KP-7處和跨接點位于KP1.085處2種模型，根據(jù)計算結(jié)果可知，當(dāng)跨接點位于KP1.085(航道起點處)時，管道的交流干擾水平更低，建議選擇KP1.085處為跨接點(如圖3所示)。

表2 故障時避免電弧放電的安全距離

3 建立模型及仿真

根據(jù)前期調(diào)研及查閱資料，構(gòu)建跨接點位于KP1.085處的數(shù)值模擬計算模型，對海纜常態(tài)運行下對管道干擾的影響進(jìn)行模擬計算。根據(jù)構(gòu)建的計算模型，管道干擾水平出現(xiàn)了3個峰值點和1個低谷點，其中第1個小峰值尖點位于管道與2條電纜初次交匯處，即KP-7處，管道路由約為12 344 m；第二個峰值點位于跨接處，即KP1.085處，管道路由約為20 459 m；低谷點位于航道中點處，即KP1.797處，管道路由約為21 300 m；最高點位于穿越航道后海纜與管道分離處，即KP2.996處，管道路由約為22 412 m。管道的最大交流干擾電壓為1.28 V，最大交流電流密度為288.92 A/m2，最小交流電流密度為98 A/m2，管道整體的交流電流密度基本都高于嚴(yán)重交流腐蝕風(fēng)險所規(guī)定的100 A/m2，存在很高的交流腐蝕風(fēng)險，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施減小干擾。

圖1 建模及干擾評估流程圖

在故障工況下，考慮海管涂層材料為3LPE，其耐受電壓評價指標(biāo)依據(jù)IEE Std 80-2013 《交流變電站接地安全設(shè)計導(dǎo)則》(以下簡稱《導(dǎo)則》)，面電阻率為1×105Ω·m2的涂層，其安全耐受電壓為10 kV。故障時避免電弧放電的安全距離見表2，已知35 kV的單相故障電流0.75 kA，110 kV在航道區(qū)的單相故障電流7.65 kA，在其余位置處的單相故障電流9.06 kA，電阻率按最保守估計取1 Ω·m。

圖2 海底電纜、管道及航道模型圖

4 穩(wěn)態(tài)運行時，海纜對管道干擾評估

前期通過收集和調(diào)研獲得相關(guān)資料，并根據(jù)所得資料進(jìn)行建模計算，建模及干擾評估流程圖見圖1。海底電纜、管道及航道模型圖如圖2所示，交流干擾位置與電壓關(guān)系圖如圖3所示，交流干擾位置與電流關(guān)系圖如圖4所示。跨接點位置于KP1.085處。由于海泥層電阻率是一個范圍，因此采取最保守的值1 Ω·m。其中航道處管道與電纜間距約為0.3 m，其余并行段間距約為30 m。

故障工況下，通過構(gòu)建數(shù)值模擬計算模型，獲得海底電纜在不同位置發(fā)生單相短接時，管道遭受的干擾情況、管道的接觸電壓及涂層耐受電壓數(shù)據(jù)。根據(jù)計算模型顯示，管道的接觸電壓及涂層耐受電壓呈現(xiàn)的規(guī)律相同，并且數(shù)值相差無幾，管道遭受的干擾整體呈現(xiàn)先上升再下降，最后上升到峰值，并基本穩(wěn)定的規(guī)律。其中第一個峰值點的位置大約在KP0處，低谷點大約在KP1.8處，最高的峰值點則位于KP2.996。而且當(dāng)海纜在A位置和H位置發(fā)生故障時，管道遭受的干擾水平最大，接觸電壓與耐受電壓最大值為287.85 V；當(dāng)海纜在KP1.085位置和KP1.5位置發(fā)生故障時，管道整體遭受的干擾水平最小，其接觸電壓與涂層耐受電壓最大值為232.78V。整體來看，海纜在KP1.085～KP2.996位置(航道區(qū))發(fā)生單相短接故障時，管道遭受的干擾整體小于在其余位置發(fā)生單相短接故障時對管道造成的干擾。由此可見，當(dāng)發(fā)生單相短接故障時，管道的接觸電壓數(shù)值較高，存在一定的安全風(fēng)險。而涂層耐受電壓對比規(guī)定的安全耐受電壓限值，可以判斷基本沒有涂層擊穿的風(fēng)險。

當(dāng)海底電纜發(fā)生單相接地故障，即海纜內(nèi)部鉛套和纜芯發(fā)生短接然后接地時，由于該區(qū)域在進(jìn)出航道的2個位置(即KP1.085和KP2.996)的海纜埋深比較淺(1.5 m)，海纜發(fā)生單相接地故障的風(fēng)險很高，故需要在相應(yīng)的位置進(jìn)行單相接地短路故障評估。

圖3 交流干擾位置與電壓關(guān)系圖

圖4 交流干擾位置與電流關(guān)系圖

5 單相短接故障時，海纜對管道干擾評估

根據(jù)海底管道和海底電纜的實際運行環(huán)境，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價》(以下簡稱《評價》)及BS ISO 18086-2015 《金屬與合金的腐蝕AC腐蝕的測定保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，穩(wěn)態(tài)運行下交流干擾風(fēng)險評價指標(biāo)如表1所示。

圖5 海纜單相故障位置示意圖

港口需求與投資能力是有上限的，不同港口城市投資港口的回報也不同，因此，合理確定港口需求、預(yù)測投資回報、分析相互競爭的港口城市的投資行為以及應(yīng)有的均衡狀態(tài)是必要的。本文分兩種投資主體，研究多港口地區(qū)的港口投資均衡問題，找出港口企業(yè)以自身利潤最大化為原則投資和港口城市以城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展為導(dǎo)向投資時的策略空間，分析在兩種投資行為下的港口規(guī)模的均衡狀態(tài)。

Kentar Y, Zastrow R, Bradley H, et Al. Prevalence of Upper Extremity Pain in a Population of People with Paraplegia. Spinal Cord, 2018, 56(7): 695-703.

6 單相接地故障時，海纜對管道干擾情況

學(xué)生是課本劇的主體，教師卻是課本劇的引領(lǐng)者。教師對課本劇的評價可以從學(xué)生的表演、劇情的開展、學(xué)生的表達(dá)、場邊情況、道具準(zhǔn)備情況多方面對課本劇進(jìn)行整體分析，讓學(xué)生從大方向正確理解每一次課本劇的真實情況，從而讓學(xué)生查缺補漏，在課本劇中全面成長。

故障工況下，通過構(gòu)建數(shù)值模擬計算模型，獲得海底電纜在2個位置發(fā)生單相接地故障時，管道遭受的干擾情況以及管道的接觸電壓及涂層耐受電壓。結(jié)果顯示，管道的接觸電壓及涂層耐受電壓呈現(xiàn)的規(guī)律相同，并且數(shù)值相差無幾，管道遭受的干擾整體呈現(xiàn)先上升再下降最后上升到峰值并基本穩(wěn)定的規(guī)律。從圖3可以看出，在KP1.085處(即跨接點)發(fā)生故障時，對管道的干擾整體高于在KP2.996處(即海纜遠(yuǎn)離管道點)。其中，在KP1.085位置發(fā)生故障的接觸電壓與涂層耐受電壓最大值為271.47 V，而在KP2.996處發(fā)生故障的接觸電壓與涂層耐受電壓最大值為250.38 V；另外針對3種工況進(jìn)行了模擬，其中35 kV單相接地故障對管道產(chǎn)生的干擾遠(yuǎn)小于110 kV單相接地故障與35 kV、110 kV同時單相接地故障2種工況下對管道產(chǎn)生的干擾，而35 kV、110 kV同時單相接地故障相比于110 kV單相接地故障對管道的干擾更嚴(yán)重；所有工況下管道的峰值處均在KP2.996處產(chǎn)生。單相接地故障電壓峰值如表5所示。

表5 單相接地故障電壓峰值

7 結(jié)束語

通過對35 kV、110 kV海底電纜與附近的管道以及所處環(huán)境資料收集，并利用數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬計算模型對海底管道進(jìn)行電磁干擾計算分析。對在不同工況條件下海底電纜對海底管道電磁干擾風(fēng)險進(jìn)行評估，重點對穿越段海底管道面臨的交流干擾風(fēng)險進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

3）出現(xiàn)085故障時，檢查EBV控制節(jié)點上黃燈。如果穩(wěn)定或者閃爍，重裝程序或者更換EBV；如果斷電恢復(fù)后紅燈仍亮，更換EBV。

1)構(gòu)建2種不同跨接位置模型，計算分析了35 kV、110 kV 2條電纜在穩(wěn)態(tài)運行條件下對海底管道交流干擾風(fēng)險。結(jié)果顯示當(dāng)跨接點位于KP1.085(航道起點處)時，管道的交流干擾水平比跨接點位于KP-7(海纜與管道初次并行處)時低，建議選擇KP1.085處為跨接點。

2)構(gòu)建模型計算分析了35 kV、110 kV 2條電纜在穩(wěn)態(tài)運行條件下對海底管道交流干擾風(fēng)險。結(jié)果顯示，管道在穩(wěn)態(tài)運行時干擾最大點出現(xiàn)在KP2.996，即穿越航道后海纜與管道分離處。根據(jù)《評價》和《標(biāo)準(zhǔn)》，在海纜穩(wěn)態(tài)運行下，海底管道全線的交流電流密度均高于30 A/m2，有85%的管線高于100 A/m2，交流腐蝕風(fēng)險判定為高，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施減小干擾。

3)故障工況下，模擬計算的結(jié)果顯示最大涂層耐受電壓僅為287.85 V，根據(jù)《導(dǎo)則》中的規(guī)定，涂層面電阻率為1×105Ω·m2時，其涂層耐受電壓為10 kV，本項目中，不存在在故障工況下涂層被擊穿的風(fēng)險。