特高壓直流入地電流對(duì)埋地鋼管陰極保護(hù)的干擾影響

鐘 雪,張文艷,但 濤

(1.西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所，成都 610000； 2.西南油氣田分公司蜀南氣礦，瀘州 646000)

在特高壓輸電系統(tǒng)單極放電情況下，因直流電壓、放電時(shí)間、接地極放電電流等因素的影響，接地極入地電流對(duì)附近埋地鋼管和陰極保護(hù)系統(tǒng)造成的干擾程度、影響范圍、腐蝕風(fēng)險(xiǎn)會(huì)有所不同[5-9]。近些年來，國(guó)內(nèi)關(guān)于高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)埋地鋼質(zhì)管道干擾的研究較多[10-15]。程明等[13]在測(cè)試±500 kV高壓直流輸電系統(tǒng)的魚龍嶺接地極對(duì)廣東省天然氣管網(wǎng)一期工程的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，魚龍嶺接地極單極放電電流為3 000 A時(shí)，對(duì)一期管網(wǎng)的影響范圍大于7 km，管道側(cè)直流電位偏移為-12.5～49 V。張良等[14]開展了800 kV特高壓直流入地電流對(duì)埋地鋼管影響的研究，結(jié)果表明特高壓直流接地極放電對(duì)管道造成了較大的影響：電流流入?yún)^(qū)域管中最大電流為4.84 A，管地電位最大負(fù)向偏移-4 853 mV，最大正向偏移+568 mV，管壁最大腐蝕速率為0.049 mm/a，超過了管道設(shè)計(jì)控制目標(biāo)。

本工作以川渝地區(qū)某集輸管道和共樂接地極為研究對(duì)象，通過監(jiān)測(cè)特高壓直流接地極單極放電過程中管道陰極保護(hù)參數(shù)，分析了入地電流對(duì)管道陰極保護(hù)的干擾范圍及影響程度。

1 概述

1.1 管道情況

川渝某集輸管道全長(zhǎng)110.4 km，采用L485M螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，外防腐蝕層采用工作溫度不超過50 ℃的常溫型三層PE。管道沿線耕地以山坡旱地和坡地梯水田為主，區(qū)內(nèi)土壤電阻率在11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蝕性等級(jí)以中等腐蝕性為主，強(qiáng)腐蝕性次之，少量基巖地區(qū)為弱腐蝕性。

集輸管道沿線設(shè)置5座截?cái)嚅y室，管道陰極保護(hù)系統(tǒng)包括2#、3#和5#閥室處的3座陰極保護(hù)站，120個(gè)普通測(cè)試樁，18個(gè)智能測(cè)試樁，47處直流排流設(shè)施(遠(yuǎn)端排流點(diǎn)2處、局部接地鋅帶排流點(diǎn)45處)；在首站、末站以及距首站38.6 km(35#樁)和86 km(84#樁)處設(shè)置有絕緣接頭；同時(shí)在進(jìn)、出閥室兩側(cè)管道的合適位置(距離閥室50～100 m)各設(shè)置一處過電位保護(hù)點(diǎn)，各過電位保護(hù)點(diǎn)安裝了防浪涌保護(hù)裝置對(duì)閥室進(jìn)行排流保護(hù)，防止管道線路上的電涌對(duì)閥室內(nèi)設(shè)備的沖擊和干擾。

1.2 接地極情況

該管道途經(jīng)共樂接地極。該接地極為向家壩-上海800 kV特高壓直流輸電線復(fù)龍換流站和宜賓-金華800 kV特高壓直流輸電線宜賓換流站共用，管道與接地極的最近距離約14.8 km，其位置關(guān)系如圖1所示。共樂接地極極環(huán)采用同心雙圓環(huán)布置：內(nèi)環(huán)半徑為240m，埋深為3.5m，焦碳填充截面為0.6 m×0.6 m；外環(huán)半徑為315 m，埋深為4 m，焦碳填充截面為0.6 m×0.6 m。共樂接地極設(shè)計(jì)性能如下：額定電流4 540 A，暫態(tài)電流6 045 A(3 s)，最大電流8 500 A(20 min)。

圖1 管道與接地極位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of position relationship between pipeline and grounding electrode

2 結(jié)果與討論

2.1 管道陰極保護(hù)有效性

共樂接地極放電期間(電流2 900 A)，對(duì)管道沿線通電電位/斷電電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：在共樂接地極放電期間，管道87#樁斷電電位最正,為-0.556 V，35#樁上游位置斷電電位最負(fù),為-1.168 V；管道斷電電位正于-0.85 V即極化電位不達(dá)標(biāo)的測(cè)試樁共有11處，分別為20#、50#、52#、62#、65#、78#、82#、83#、84#上游、84#下游、87#；靠近接地極最近的測(cè)試樁電位正向移動(dòng)，入地電流由近端流出管道，判斷此次接地極放電為陰極放電。

圖2 共樂接地極放電期間管道沿線電位分布Fig.2 Potential distribution along the pipeline during discharge of Gongle ground electrode

2.2 管道電位偏移

2處絕緣接頭將管道分成3段，共樂接地極放電期間每段絕緣管道都存在電流流入、流出管段。在共樂接地極放電期間(電流2 900 A)，在各測(cè)試樁處對(duì)管道通電電位/斷電電位進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，管道沿線電位偏移量及不同時(shí)刻管道通電電位分布如圖3、4所示。

圖3 共樂接地極放電期間管道沿線電位偏移量Fig.3 Potential offset along the pipeline during discharge of Gongle ground electrode

圖4 共樂接地極放電期間不同時(shí)刻管道通電電位分布Fig.4 Pipeline power-on potential distribution at different time during discharge of Gongle ground electrode

結(jié)果表明：在首站至35#樁、35#樁至48#樁、72#樁至84#樁、87#樁至末站，管道電位負(fù)向偏移，這些管段為本次放電期間的陰極區(qū)，接地極放電形成的雜散電流由此區(qū)域流入管道，管道表面無腐蝕風(fēng)險(xiǎn)； 在50#樁至72#樁、84#樁至87#樁，管道電位正向偏移，這些管段為本次放電期間的陽(yáng)極區(qū)，雜散電流由此區(qū)域流出管道，管道表面漏損點(diǎn)位置有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；在管道陰極區(qū)，管道通電電位最負(fù)達(dá)到-3 347 mV，負(fù)向偏移量為2 332 mV；在管道陽(yáng)極區(qū)，管道通電電位最正達(dá)到+189 mV，正向偏移量為1 381 mV；電位負(fù)向偏移管段長(zhǎng)度約79 km，電位正向偏移管段長(zhǎng)度約28 km，接地極放電對(duì)管道全線均造成了干擾影響。

之后，我們還觀看了大象表演的節(jié)目——踢球、擲飛鏢、畫畫。節(jié)目雖然很精彩，但大象真的快樂嗎？我想，也許廣闊的大自然才是大象最好的家。

2.3 絕緣接頭兩側(cè)電位

絕緣接頭作為線路陰極保護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)線路分段絕緣：在首站至35#樁，35#樁至84#樁，84#樁至末站。對(duì)35#樁處絕緣接頭上下游管道電位進(jìn)行分析，如圖5所示。

由圖5可知：在1∶17左右，絕緣接頭兩側(cè)電位出現(xiàn)分化，呈相反趨勢(shì)，1∶25-1∶57兩側(cè)電位差值達(dá)到極值，巨大的電位差導(dǎo)致此處絕緣接頭腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高；此次接地極放電干擾影響時(shí)間為1∶17-1∶57，管道受到約40 min持續(xù)放電干擾，放電結(jié)束后管道電位基本恢復(fù)至干擾前水平。

圖5 不同時(shí)刻35號(hào)樁上下游管道通電電位Fig.5 Power-on potentials of pipeline before and behind 35# pile at different time

2.4 鋅帶排流量

線路上共設(shè)置28處鋅帶，其中21處鋅帶與管道未連接，放電前通過管道陰極保護(hù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)41#和61#測(cè)試樁處鋅帶開路電位分別為-0.99 V和-0.94 V；放電期間對(duì)5處鋅帶進(jìn)行了排流量監(jiān)測(cè)，分析鋅帶排流效果，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 共樂接地極放電期間鋅帶排流量Tab.1 Current drainage through zinc belts during discharge of Gongle ground electrode

結(jié)果表明：共樂接地極放電時(shí)，通過鋅帶流入流出的電流量明顯增大，鋅帶能起到良好的排流作用；但接地極放電量較大時(shí)，由于鋅帶自身排流的局限性，無法完全抑制干擾。

2.5 恒電位儀輸出電流

由圖6可見：共樂接地極放電前，3臺(tái)恒電位儀輸出電流平穩(wěn)；此次接地極為陰極放電，干擾電流從管道遠(yuǎn)端流入近端流出，為抑制雜散電流干擾，靠近接地極的2#和3#閥室處陰極保護(hù)站的恒電位儀輸出電流增大，2#閥室處恒電位儀輸出電流由0.8 A增大至5.2 A；3#閥室處恒電位儀輸出電流由3.2 A增大至7.3 A后，由于無法抵抗外部干擾，電位儀出現(xiàn)故障，自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)功能，無法正常工作，接地極放電結(jié)束后，依舊處于故障狀態(tài)；5#閥室處管道兩端電位負(fù)向偏移，恒電位儀輸出降低，由1.2 A降低至0.1 A；在接地極放電結(jié)束后，2#和5#閥室處恒電位儀輸出電流瞬間恢復(fù)至正常狀態(tài)，對(duì)雜散電流干擾響應(yīng)迅速，自動(dòng)調(diào)整時(shí)間基本無遲滯現(xiàn)象。

圖6 不同恒電位儀輸出電流曲線Fig.6 Curves of output current from didfferent potentiostats

3 結(jié)論與建議

通過連續(xù)監(jiān)測(cè)共樂接地極放電期間管道電位，分析了接地極放電對(duì)該管道電位的偏移、干擾范圍及影響程度，得到了以下結(jié)論：

(1) 共樂接地極陰極放電時(shí)(電流2 900 A)，管道全線共有11處極化電位不達(dá)標(biāo)。

(2) 50#樁至72#樁、84#樁至87#樁是本次放電期間的陽(yáng)極區(qū)，管道表面漏損點(diǎn)位置有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 電位負(fù)向偏移管段長(zhǎng)度約79 km，電位正向偏移管段長(zhǎng)度約28 km，接地極放電對(duì)管道全線均造成了干擾影響。

(4) 管道受到約40 min持續(xù)放電干擾，絕緣接頭兩側(cè)電位差值大，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高。

(5) 在接地極放電期間，恒電位儀和鋅帶能起到良好的干擾緩解和抑制作用，但由于鋅帶自身排流的局限性以及恒電位儀工作狀態(tài)，當(dāng)接地極入地電流較大時(shí)，現(xiàn)有設(shè)施無法完全排除干擾將電位控制在標(biāo)準(zhǔn)許可范圍內(nèi)。

結(jié)合管道陰極保護(hù)情況及測(cè)試結(jié)果，提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)為掌握全年接地極的放電情況及放電對(duì)管道的干擾影響，建議在管線陰極保護(hù)末端、干擾嚴(yán)重段、干擾分界點(diǎn)等位置安裝陰極保護(hù)智能測(cè)試樁，定期監(jiān)測(cè)管線各項(xiàng)參數(shù)。

(2) 接地極放電時(shí)絕緣接頭兩側(cè)電位呈相反趨勢(shì)，電位差大，絕緣接頭腐蝕風(fēng)險(xiǎn)高。建議在絕緣接頭內(nèi)外側(cè)安設(shè)腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期監(jiān)測(cè)絕緣接頭內(nèi)外側(cè)腐蝕情況。

(3) 對(duì)全線陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行輸出調(diào)試，適當(dāng)提高恒電位儀輸出，在接地極未放電情況下保證管道全線陰極保護(hù)電位達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)在陰極保護(hù)系統(tǒng)末端、干擾嚴(yán)重區(qū)域等保護(hù)薄弱位置增加犧牲陽(yáng)極補(bǔ)充保護(hù)。

(4) 定期檢查管線上排流鋅帶與管道的連接狀態(tài)，確保連接有效；定期測(cè)試排流鋅帶的相關(guān)參數(shù)，包括鋅帶開路電位、鋅帶接地電阻等，確保鋅帶的有效性。