永唐秦輸氣管道交流干擾腐蝕及防控研究

胡善煒 李 磊 梅 安 李祥琦 孫大明 孟祥巖

國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司, 河北 秦皇島 066000

0 前言

近年來,隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)迅速增長,各行業(yè)對石油、天然氣等能源的需求日益增加,能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整使埋地油氣長輸管道的鋪設(shè)量顯著增加[1]。由于受空間、地理環(huán)境限制,高壓交流輸電線路和交流電氣化鐵路與油氣管道接近并行或交叉跨越的情況經(jīng)常出現(xiàn),在局部區(qū)域形成了所謂的“公共走廊”[2],導(dǎo)致埋地管道出現(xiàn)交流干擾問題。在較高的交流干擾電壓和交流干擾電流密度長期持續(xù)作用下,管道會發(fā)生交流腐蝕甚至穿孔[3-6],嚴(yán)重威脅管道的安全運行,個別地區(qū)的長期交流干擾還會造成管道沿線站場和閥室絕緣件燒蝕,產(chǎn)生燃燒爆炸的風(fēng)險,對管道的安全運行造成危害[7-8]。交流干擾問題以及如何有效緩解管道交流干擾是油氣儲運實際生產(chǎn)中亟待解決的問題[9-11]。交流干擾主要來源于交流輸配電線路系統(tǒng)和交流電氣化鐵路在相鄰的管道或金屬體中產(chǎn)生交流雜散電流[12-13]。

永唐秦輸氣管道全長312 km,管徑1 016 mm,采用X70鋼,管道壁厚17.5 mm、21 mm、26.2 mm,設(shè)計壓力10 MPa。該管道采用外加電流陰極保護和外防腐涂層聯(lián)合方式進行腐蝕防護,外防腐涂層采用3LPE防腐層。該管道與高壓交流輸電線路存在多處平行或交叉,造成了管道出現(xiàn)較高、長期持續(xù)的交流干擾影響,主要以感性耦合干擾為主。交流干擾排流措施可分為直接排流、負(fù)電位排流和隔直排流三種[14-16]。在安裝排流器之前,永唐秦輸氣管道唐山—秦皇島段交流干擾基本超過15 V,前期已安裝40個固態(tài)去耦合器進行交流排流,但仍有個別地區(qū)交流干擾在 30 V 以上。本文以永唐秦輸氣管道YQP-928至YQP-1120為例,測試了不同位置處電流密度、腐蝕速率等參數(shù),分析了不同干擾因素對管道交流干擾的影響規(guī)律,基于實際管道分布位置及參數(shù)、高壓輸電線路參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立符合現(xiàn)場實際的交流干擾模型,并結(jié)合現(xiàn)場雜散電流干擾檢測情況檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性,按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的腐蝕限值和安全要求判斷管道排流緩解效果,為后續(xù)在役管道排流設(shè)施效果檢驗及新建管道交流干擾防護設(shè)計提供借鑒。

1 現(xiàn)場測試試驗及模擬方法

1.1 現(xiàn)場測試方法

1.1.1 土壤電阻率測試

基于四極法,采用接地電阻測量儀測試管道沿線土壤電阻率,將測量儀4個電極以等間距布置,土壤電阻率按式(1)[17]計算:

ρ=2πaR

(1)

1.1.2 交流干擾電位測試

測試時使用鋼棒電極,插入土壤深度大于 100 mm,與管道之間的距離大于10 m,并將數(shù)字萬用表調(diào)至交流檔進行讀數(shù)。

1.1.3 陰極保護通/斷電電位測試

采用與被測管道相同材質(zhì)(X70鋼)、裸露面積 6.5 cm2的試片模擬管道防腐層缺陷,試片背面焊接導(dǎo)線用環(huán)氧樹脂進行封裝,將未封裝面打磨至光亮。將試片埋于管道上方,通過測試樁與管道相連,見圖1。試片充分極化后,設(shè)置中斷器通斷頻率并啟用瞬時電位記錄儀記錄數(shù)據(jù),讀取通/斷電電位。

圖1 通/斷電電位測試連線示意圖

1.1.4 管道交流電流密度和直流電流密度的測定

采用與被測管道相同材質(zhì)(X70鋼)、裸露面積 1 cm2的試片模擬管道防腐層缺陷,將試片埋于管道上方,通過管道連接線與管道相連,并在試片與管道之間串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻(1 Ω)。試片充分極化后,測試標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的交流電壓和直流電壓,連線見圖2。電壓除以標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值和試片面積即為當(dāng)前條件下流入管道的電流密度,按式(2)計算:

圖2 電流密度測試連線圖

(2)

1.1.5 腐蝕速率測試

選取典型地區(qū),埋設(shè)與管道連接的模擬不同防腐層破損面積的試片以及自腐蝕試樣。12個月后取出,進行三維腐蝕形貌測試及腐蝕速率計算。

腐蝕速率測試使用失重法,即采用單位時間內(nèi)單位面積上的重量變化表征平均腐蝕速率。

(3)

將失重法表示的腐蝕速率換算為腐蝕深度表示的平均腐蝕速率。

(4)

1.2 模擬方法

1.2.1 理論基礎(chǔ)

使用數(shù)值模擬技術(shù)建立管道交流干擾模型,旨在預(yù)測管道交流干擾電位的分布以及排流措施的效果[18-21]。這一研究的工程理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組,該方程組以積分或微積分形式描述了電磁場的行為。在數(shù)值模擬中,采用矩量法對麥克斯韋方程組進行求解,通過給定邊界條件,求解整個系統(tǒng)的電磁場分布[22]。

(5)

在邊界條件已知的情況下可以確定麥克斯韋方程組的唯一解,2種不同介質(zhì)的界面上存在以下3組邊界條件[22]。

1)磁介質(zhì)界面上的邊界條件。由高斯定理式(6)可以推導(dǎo)出磁感應(yīng)強度法向分量連續(xù)性條件式(7)[22]。

(6)

n(B2-B1)=0或B=B

(7)

由安培環(huán)路定理式(8)可以推導(dǎo)出磁場強度切向分量連續(xù)性條件式(9)[22]。

(8)

n(H2-H1)=0或H=H

(9)

2)電介質(zhì)界面上的邊界條件。若電介質(zhì)界面上沒有自由電荷,電位連續(xù)性條件如下。

n(D2-D1)=0或D=D

(10)

由環(huán)路定理式(11),可以推導(dǎo)出電場強度切向分量連續(xù)性條件式(12)。

∮E·dl=0

(11)

n(E2-E1)=0或E=E

(12)

3)導(dǎo)體界面上的邊界條件。導(dǎo)體表面一般會有自由電荷積累,那么電位移矢量法線分量的邊界條件[22]如式(13)。

n(D2-D1)=0或D-D=σ

(13)

通過采用矩量法,將干擾系統(tǒng)進行離散化處理,并進行迭代數(shù)值計算,以獲取在特定目標(biāo)邊界條件下麥克斯韋方程的數(shù)值解。這一過程可獲得整個系統(tǒng)的電磁場分布,進而可以用于計算高壓輸電線路對管道的電磁干擾。

1.2.2 不同因素對管道干擾的影響

高壓輸電線路對鄰近管道的電磁干擾,主要受高壓交流輸電線路與管道的特性參數(shù)及其相對位置關(guān)系和周圍環(huán)境參數(shù)等影響,但并非所有參數(shù)都是決定高壓交流輸電線路對埋地管道干擾電壓大小的重要因素。比較各因素對管道交流干擾的影響規(guī)律,為以后工程建設(shè)及室內(nèi)實驗研究提供依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研所得信息,分別模擬了不同管道特性、高壓交流輸電線路特性以及土壤特性等參數(shù)對管道的交流干擾影響情況。其中管道外徑Φ457 mm、Φ508 mm、Φ559 mm、Φ610 mm、Φ813 mm、Φ1 219 mm,壁厚選擇了7.0 mm、7.9 mm、9.5 mm、11 mm、12.5 mm,管道防腐層絕緣電阻率選取范圍0.1～107kΩ·m2,高壓交流輸電線路運行電流選取范圍800～2 000 A,土壤電阻率選取范圍20～800 Ω·m。

1.2.3 現(xiàn)場管道交流干擾模擬

為有效評估永唐秦輸氣管道受交流干擾狀況,建立了符合現(xiàn)場實際的交流干擾模型,模擬高壓交流輸電線路對埋地管道產(chǎn)生的電磁干擾。

通過現(xiàn)場調(diào)研及GPS定位,形成管道與高壓交流輸電線路相對位置,永唐秦輸氣管道與鄰近3條220 kV(天肖線、天平一線、天平二線)和4條500 kV(天樂一線、天樂二線、高天二線、高天三線)高壓交流輸電線路存在并行與交叉,并行段長度約33.3 km,并行間距為10～500 m,交叉點13處,位于YQP-1073、YQP-1074、YQP-1078、YQP-1100、YQP-1101和YQP-1115附近。建模所需高壓交流輸電線路電壓等級及與管道位置關(guān)系信息見表1,建模所需220 kV和500 kV高壓交流輸電線路的塔型見圖3,220 kV和500 kV高壓交流輸電線路導(dǎo)/地線型號及相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 高壓交流輸電線路信息表

表2 高壓線路導(dǎo)/地線型號及參數(shù)表

a)220 kV高壓交流輸電線路

由于管道交流干擾基本超過美國國際腐蝕工程師協(xié)會規(guī)定的15 V安全電壓規(guī)范,安裝排流器排流共8處,分布在YQP-1072、YQP-1078、YQP-1096、YQP-1097、YQP-1103、YQP-1112、YQP-1113和YQP-1118附近。排流點土壤電阻率、固態(tài)去耦合器參數(shù)、接地電阻等相應(yīng)建模過程所需參數(shù)見表3。

表3 管道交流干擾排流站信息表

由于土壤電阻率差異較大,將管線按照不同土壤電阻率劃分為12個區(qū)域,每一區(qū)域內(nèi)土壤電阻率相同。測量管道沿線垂直方向的土壤電阻率和與高壓輸電線路的相對高程變化,各區(qū)域垂直分層土壤電阻率及管道埋深見表4。

表4 各區(qū)域垂直分層土壤電阻率及管道埋深表

依據(jù)搜集到的周邊高壓輸電線路信息、管道參數(shù)、排流設(shè)施參數(shù)、管道與高壓輸電線路的三維相對位置關(guān)系和管道沿線三維土壤參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立了三維交流干擾模型。為了獲得更好的計算精度,將每一區(qū)域進行分段,1段表示高壓交流輸電線的1個檔距,每段架空地線的分路阻抗為高壓交流輸電線路的桿塔接地阻抗,以此建立符合現(xiàn)場實際地形的三維交流干擾模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場測試結(jié)果

模擬不同面積防腐層破損的試樣自腐蝕試樣平均腐蝕速率和最大點蝕速率見表5,試片埋設(shè)處測試參數(shù)及模擬防腐層破損試樣點蝕速率見表6。

表5 自腐蝕試樣平均腐蝕速率和最大點蝕速率表

表6 試片埋設(shè)處測試參數(shù)及模擬防腐層破損試樣點蝕速率表

由表5～6可知,YQP-1074通電電位為-1.31 V,斷電電位為-1.19 V,管道陰極保護斷電電位位于-850～-1 200 mV,管道處于受保護狀態(tài),自腐蝕試樣最大點蝕速率為 0.281 mm/a,模擬防腐層破損試樣最大點蝕速率為0.068 mm/a,未加陰極保護的自腐蝕試樣最大點蝕速率遠(yuǎn)大于模擬防腐層破損試樣的最大點蝕速率。YQP-1077的斷電電位為-0.95 V,管道處于受保護狀態(tài),自腐蝕試樣最大點蝕速率為0.234 mm/a,模擬防腐層破損試樣的最大點蝕速率為0.074 mm/a。由此可見,陰極保護可以為管道提供良好的保護,大幅度降低腐蝕速率。交流電流密度計算值與實測值存在較大差異,是由于計算時采用周圍土壤的平均電阻率,可能由于與管道表面的土壤特性差異,導(dǎo)致擴散電阻變化而存在差異,在實際評價中以測試值為準(zhǔn)。

2.2 不同因素對管道交流干擾的影響規(guī)律

2.2.1 管道特性參數(shù)的影響

通過模擬得到,隨著管道外徑增大,最大防腐層電壓及感應(yīng)電勢略有減小;壁厚對最大防腐層電壓與管道感應(yīng)電勢基本無影響。管道外徑和壁厚對管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓影響非常小。

隨著防腐層電阻率增大,管道感應(yīng)電勢明顯增大,但當(dāng)防腐層電阻率增大到一定程度時,管道感應(yīng)電勢與縱向電流變化不大。

2.2.2 輸電線路參數(shù)對干擾電壓的影響

管徑 1 016 mm,壁厚17.5 mm,土壤電阻率60 Ω·m,當(dāng)高壓交流輸電線路運行電流在800～2 000 A變化時,最大管道感應(yīng)電勢從7.0 V增加到17.5 V,最大縱向電流從1.7 A增加到4.2 A,高壓交流輸電線路穩(wěn)態(tài)運行電流嚴(yán)重影響管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓。隨著高壓交流輸電線路運行電流增大,管道感應(yīng)電勢與最大縱向電流均增大。

考慮到永唐秦輸氣管道周圍土壤電阻率條件,當(dāng)土壤電阻率在20～800 Ω·m變化時,最大管道感應(yīng)電勢從10.2 V增加到22.4 V,最大縱向電流從2.4 A增加到5.1 A,土壤電阻率越大,最大防腐層電壓、管道感應(yīng)電勢先迅速增大,后緩慢增大趨于平穩(wěn)。

2.2.3 輸電線路與管道并行接近參數(shù)的影響

由于永唐秦輸氣管道沿線地勢高低起伏,高壓交流輸電線路密布,管道與高壓交流輸電線路分布關(guān)系復(fù)雜,并行長度各異。當(dāng)輸電線路與管道并行長度在0.1～100 km變化時,隨著與高壓輸電線路并行長度的增加,管道感應(yīng)電勢最大值先從0.7 V逐漸增加到45.3 V,隨后略有減小,最終維持在41.5 V不變。在實際管道設(shè)計中,要盡可能減小管道與高壓輸電線路并行長度。

2.3 永唐秦輸氣管道交流干擾模擬驗證

模擬得到采取排流措施后管道沿線的交流干擾電位分布,并將現(xiàn)場雜散電流干擾檢測值與模擬結(jié)果進行對比驗證,見圖4。

圖4 模擬值與實測值對比圖

由圖4可知,模擬所得管道沿線干擾電位值及其變化趨勢與現(xiàn)場實測較接近,所建的三維交流干擾模型與現(xiàn)場實際情況具有良好的一致性,可以有效評估管道受交流干擾狀況。結(jié)合不同因素對管道干擾的影響結(jié)果,實際模擬中要確保高壓輸電線路穩(wěn)態(tài)運行電流、土壤電阻率分布以及高壓輸電線路與管道間并行接近參數(shù)與現(xiàn)場實際情況一致。

在三維交流干擾模型基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范CEN/TS 15280—2006Evaluation of a.c.corrosion likelihood of buried pipelines-Application to cathodically protected pipelines(以下簡稱CEN/TS 15280—2006)、GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱GB/T 50698—2011)、GB/T 40377—2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準(zhǔn)則》(以下簡稱GB/T 40377—2021)對管道排流緩解效果進行評價,評價依據(jù)的參數(shù)見表7,評價結(jié)果見表8。根據(jù)CEN/TS 15280—2006判斷YQP-1074、YQP-1077、YQP-1090、YQP-1103、YQP-1105處發(fā)生交流腐蝕的可能性為中,YQP-1113處發(fā)生交流腐蝕的可能性為高;結(jié)合現(xiàn)場實際雜散電流檢測情況,根據(jù)GB/T 50698—2011、GB/T 40377—2021和交流腐蝕速率判斷各位置交流干擾程度均處于可接受范圍內(nèi),因此現(xiàn)有排流設(shè)施的緩解效果可以滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的腐蝕限值和安全要求。

表7 評價依據(jù)的參數(shù)表

表8 交流干擾評價結(jié)果表

3 結(jié)論

1)管道外徑和壁厚對管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓影響非常小;隨著防腐層電阻率增大,但當(dāng)防腐層電阻率增大到一定程度時,管道上的感應(yīng)電勢與縱向電流變化不大,隨著輸電線路運行電流增大,管道感應(yīng)電勢與最大縱向電流均增大;土壤電阻率越大,最大防腐層電壓、管道感應(yīng)電勢先迅速增大后趨于平穩(wěn);隨著與輸電線路并行長度的增加,管道上感應(yīng)電勢最大值先增大后略有減小。

2)根據(jù)埋地管道、高壓交流輸電線路、周邊環(huán)境及排流設(shè)施等現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)研資料建立了三維交流干擾模型,模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際具有良好的一致性,可以有效評估管道受交流干擾狀況,為后續(xù)在役管道排流設(shè)施效果檢驗及新建管道交流干擾防護設(shè)計提供借鑒。

3)結(jié)合相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,綜合交流干擾電壓、交流電流密度和交/直流電流密度比對埋地管道的排流緩解效果進行評價,結(jié)果表明管道沿線交流干擾程度處于可接受范圍中相關(guān)的腐蝕限值和安全要求,現(xiàn)有排流設(shè)施排流效果較好,可以滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。