輸電線路對(duì)天然氣管道的交流干擾防護(hù)措施

周啟超 王春雨 戴 俊 魏冬宏 劉新凌

（廣東大鵬液化天然氣有限公司，廣東 深圳 510000）

0 引言

油氣管道交流腐蝕是指管道受到交流電作用而發(fā)生腐蝕失效的過程[1]。近年來，能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，當(dāng)高壓交流輸電線路與埋地油氣管道相互靠近時(shí)，可能通過電磁耦合、電阻耦合、電容耦合等方式對(duì)埋地油氣管道產(chǎn)生交流干擾[2-5]，油氣管道面臨的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)日益嚴(yán)峻。

隨著交流干擾引起的管道腐蝕失效案例越來越多，國內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)交流腐蝕展開了大量研究[6-8]。在交流干擾腐蝕的緩解治理方面，李廣澤等人[9]建立了高壓輸電線路對(duì)管道交流干擾的仿真模型，研究了管道與輸電線路交叉角、輸電線路運(yùn)行電流、排流點(diǎn)位置等因素對(duì)交流干擾水平與治理效果的影響，緩解方案要求感應(yīng)電壓大于4V時(shí)再采用交流電流密度評(píng)估腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；賀裕卓等人[10]詳細(xì)檢測(cè)了某管道受到電氣化鐵路交流干擾情況，采用裸銅線作為接地極實(shí)施了排流治理措施，緩解要求為交流感應(yīng)電壓降至4V以下。以往的交流干擾治理案例多采用4V感應(yīng)電壓作為限定條件，但許多研究表明[11-15]交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估應(yīng)直接采用交流電流密度，交流電流密度超過100A/m2，管道交流腐蝕速率較高。而管道交流感應(yīng)電壓低于4V時(shí)，交流電流密度也可能超過100A/m2，使得管道存在嚴(yán)重的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[16]。

1 管道交流雜散電流干擾評(píng)估

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

SY/T 0087.6-2021[17]《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)第6部分：埋地鋼質(zhì)管道交流干擾腐蝕評(píng)價(jià)》規(guī)定運(yùn)營期管道的交流腐蝕評(píng)價(jià)應(yīng)采用直測(cè)法獲取交流雜散電流密度，交流電流密度處于30～100A/m2之間時(shí)，管道陰極保護(hù)斷電電位應(yīng)為-1.15～-0.90 VCSE，交流電流密度≥100A/m2時(shí)，交流腐蝕速率較高，應(yīng)采取干擾緩解措施。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

某埋地管道為高壓天然氣鋼質(zhì)管道，材質(zhì)為X65管線鋼，管道全長9.618公里，采用3層PE外防腐層和強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)方式進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，全線設(shè)置有15處陰極保護(hù)測(cè)試樁。交流雜散電流干擾檢測(cè)采用埋設(shè)時(shí)間大于15天的1cm2試片，使用數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)交流雜散電流進(jìn)行24小監(jiān)測(cè)，采集斷電電位、交流感應(yīng)電壓、試片交流電流密度等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz，并在測(cè)試樁位置采用溫納四極法測(cè)試土壤電阻率。

管道沿線15處陰極保護(hù)測(cè)試樁斷電電位處在-0.95～-1.15V之間，編號(hào)為5#、5-1#的測(cè)試樁位置的交流電流密度大于100A/m2，斷電電位為-1.074V、-0.957V。5#、5-1#兩處測(cè)試樁距離50m，土壤電阻率為50Ω·m，交流雜散電流密度平均值分別為288.1A/m2、710.3A/m2，交流感應(yīng)電壓的平均值分別為3.5V、2.2V。埋地油氣管道交流干擾源主要有交流輸電線路及電氣化鐵路[18]，5#、5-1#位置管道與2條500kV輸電線路并行，5條220kV輸電線路交叉，與電氣化鐵路距離較遠(yuǎn)，交流干擾未呈明顯間斷特征[19]，由圖1可知在白天用電高峰期間，交流干擾水平較高，夜間用電低谷時(shí)期交流干擾出現(xiàn)下降趨勢(shì)，所以該段管道交流雜散電流干擾源為臨近高壓交流輸電線路。雖然管道交流感應(yīng)電壓小于4V，但交流電流密度高于100A/m2，存在較高的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取交流干擾緩解措施。

圖1 交流雜散電流檢測(cè)結(jié)果

1.3 交流感應(yīng)電壓限值分析

兩處交流干擾超標(biāo)位置陰極保護(hù)斷電電位處在-0.95～-1.15V之間，交流干擾電流密度應(yīng)小于100A/m2，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)處于可接受范圍[20]。兩處干擾超標(biāo)位置交流感應(yīng)電壓分別取平均值3.5V、2.2V，使用交流感應(yīng)電壓與試片直測(cè)交流電流的比值得到試片擴(kuò)散電阻為121.4Ω、30.9Ω，兩處干擾超標(biāo)位置采用直測(cè)法得到的交流電流密度應(yīng)小于100A/m2，從而可得到管道的交流感應(yīng)電壓限值為1.214V、0.309V。

2 交流干擾緩解方案設(shè)計(jì)

2.1 交流干擾計(jì)算模型

油氣管道交流干擾模擬分析通常采用電路法或電磁場(chǎng)法[21]，本次計(jì)算使用CDEGS軟件基于電磁場(chǎng)法建立了如圖2所示5條220kV及2條500kV高壓輸電線路對(duì)管道交流干擾模型，模擬輸電線路穩(wěn)態(tài)情況下對(duì)管道的交流干擾影響，求解計(jì)算管道電場(chǎng)分布情況。

圖2 管道交流干擾模擬計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果確定模型參數(shù)，如表2所示，沿線土壤電阻率采用管道沿線土壤電阻率的測(cè)量值的最小值25Ω·m，管道路徑、輸電線路與管道的相對(duì)位置按照實(shí)際路徑，塔桿采用三基塔桿。由于缺乏輸電線路的詳細(xì)參數(shù)，模型中輸電線路的相序采用逆向序[22]，設(shè)置最初穩(wěn)態(tài)電流1000A。

表1 交流電壓限值

2.2 計(jì)算模型驗(yàn)證

根據(jù)輸電線路穩(wěn)態(tài)電流與管道感應(yīng)電壓的正比關(guān)系[23]，調(diào)整模型中輸電線路穩(wěn)態(tài)電流值，將模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)5#、5-1#陰保樁位置的模擬交流感應(yīng)電壓與實(shí)測(cè)交流干擾電壓一致時(shí)，認(rèn)為干擾源設(shè)置正確。如圖3為管道交流電壓測(cè)量值與軟件模擬值的曲線圖，在5#、5-1#位置的趨勢(shì)基本相同，由于在模擬計(jì)算中采用的土壤參數(shù)、穩(wěn)態(tài)電流值等都為假設(shè)值，所以感應(yīng)電壓實(shí)測(cè)曲線和模擬曲線的的局部特征會(huì)有所差別。

圖3 管道交流感應(yīng)電壓測(cè)量值與模擬值曲線圖

使用計(jì)算模型在5-1#測(cè)試樁設(shè)置50m鋅帶排流地床，計(jì)算緩解效果。考慮到角鋼排流地床的施工效率高，使用計(jì)算模型在5-1#測(cè)試樁設(shè)置角鋼排流地床，調(diào)整角鋼數(shù)量與布置方式，使得角鋼接地網(wǎng)與50m鋅帶的排流效果一致，認(rèn)為角鋼接地網(wǎng)與50m鋅帶排流地床等效，然后現(xiàn)場(chǎng)施工安裝角鋼地床，驗(yàn)證緩解設(shè)計(jì)方案的有效性。如表3所示，施加排流地床前后的交流感應(yīng)電壓模擬值緩解幅度為20.5%，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果為交流電壓緩解幅度30%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際緩解效果優(yōu)于模擬計(jì)算結(jié)果。由于計(jì)算模型選取的參數(shù)相對(duì)保守，增加排流地床后通過試片的電流減少可引擴(kuò)散電阻降低及局部土壤電阻率的變化，使得實(shí)際效果與模擬結(jié)果存在偏差，偏差程度認(rèn)為可接受。

表3 模型驗(yàn)證

2.3 交流干擾緩解方案設(shè)計(jì)

使用驗(yàn)證有效的計(jì)算模型，設(shè)置鋅帶排流地床，計(jì)算增設(shè)鋅帶排流地床后的管道交流干擾電壓，并與根據(jù)試片擴(kuò)散電阻計(jì)算得到的交流干擾電壓限值進(jìn)行比較，當(dāng)5#、5-1#位置的管道交流干擾電壓模擬值分別小于交流電壓限值1.214V、0.309V時(shí)，認(rèn)為模型中設(shè)置的排流地床可以有效緩解管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。如圖4所示，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，在5-1#測(cè)試樁下游50m的位置往上游方向鋪設(shè)三條與管道平行的654m排流鋅帶，在管道另一側(cè)鋪設(shè)三條與管道平行的100m排流鋅帶時(shí)，5#、5-1#位置的交流干擾電壓模擬值分別為0.63V、0.30V，滿足緩解要求。

圖5 交流雜散電流干擾緩解治理效果

3 交流干擾緩解效果評(píng)價(jià)

按照緩解方案進(jìn)行鋅帶排流地床施工，鋅帶類型為ZR-2，埋設(shè)深度1.5m，鋅帶間隔為1m，每100m通過電纜連通，并在測(cè)試樁位置通過固態(tài)去耦合器與管道相連。5#、5-1#位置緩解后的交流電流密度實(shí)測(cè)平均值分別為12.4A/m2、53 A/m2。斷開排流地床后交流電流密度增高至343.1A/m2、991.2A/m2，交流電流密度實(shí)際緩解幅度分別為96.4%、94.7%，設(shè)計(jì)方案的緩解幅度分別為65.3%、85.9%，緩解方案實(shí)際效果優(yōu)于設(shè)計(jì)方案。

交流干擾治理實(shí)際效果與地床接地電阻、試片擴(kuò)散電阻及變化、數(shù)值模型參數(shù)等因素相關(guān)。通過對(duì)交流干擾數(shù)據(jù)及排流地床參數(shù)進(jìn)行分析，5#、5-1#的交流干擾程度較治理施工前升高，5#、5-1#位置排流地床實(shí)際接地電阻分別為0.4Ω、0.6Ω，相較設(shè)計(jì)值分別降低76%、33%；由于排流地床流入電流，流入試片的電流減少，排流后的試片擴(kuò)散分別為160、30.5，較設(shè)計(jì)值分別增高32%、1.3%，仿真模型的土壤電阻率、線路相序等參數(shù)的取值保守，得到的排流設(shè)計(jì)方案也會(huì)相對(duì)保守，使得排流地床的實(shí)際效果優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)語

（1）管道交流感應(yīng)電壓低于4V時(shí)，管道交流雜散電流密度也可能超標(biāo)，應(yīng)采用試片直測(cè)交流雜散電流密度直接評(píng)估管道交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；

（2）根據(jù)管道交流感應(yīng)電壓、試片直測(cè)交流電流密度確定試片擴(kuò)散電阻，然后按照交流電流密度限值確定緩解交流干擾的電壓限值，可以作為數(shù)值模擬分析管道交流干擾緩解目標(biāo)的參考值；

（3）交流干擾緩解設(shè)計(jì)方案的實(shí)際排流效果與排流地床的接地電阻、試片擴(kuò)散電阻變化、模型參數(shù)等因素相關(guān)，模型參數(shù)的保守取值會(huì)使得緩解方案相對(duì)保守，排流地床接地電阻降低、試片擴(kuò)散電阻升高會(huì)增加實(shí)際排流效果。