地磁暴侵害油氣管道的管地電位效應(yīng)

劉連光　張鵬飛　王開讓　畢武喜　葛艾天

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))　北京　102206 2.中油管道科技研究中心　廊坊　065000 3.中石油北京天然氣管道有限公司　北京　102249)

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地磁暴侵害油氣管道的管地電位效應(yīng)

劉連光1張鵬飛1王開讓1畢武喜2葛艾天3

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))北京102206 2.中油管道科技研究中心廊坊065000 3.中石油北京天然氣管道有限公司北京102249)

摘要由于輸油氣管道埋在地下，鋼質(zhì)管道內(nèi)外壁有絕緣涂層，不與大地直接接觸，油氣管道遭受地磁暴侵害的響應(yīng)機制與電網(wǎng)不同，研究油氣管道的干擾機制、物理過程以及干擾效應(yīng)，對分析地磁暴對油氣管道的影響及危害具有重要意義。針對2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我國西氣東輸一線和陜京二線等輸氣管道引發(fā)的管地電位(PSP)現(xiàn)象，研究了地磁暴引發(fā)管道地磁感應(yīng)電流(GIC)的機制與過程以及GIC衍生管道PSP的機理，利用PSP算法，假設(shè)感應(yīng)電場沿管道分布，大小取0.1 V/km，計算了不同形態(tài)管道的PSP水平。實測和仿真計算數(shù)據(jù)表明，即使是遭受中、小地磁暴的侵害，鋼質(zhì)油氣管道的PSP也會超過管道雜散電流干擾防護標準規(guī)定的限值，證明了管道干擾及防護研究要考慮中、小地磁暴的影響。

關(guān)鍵詞：地磁暴油氣管道管地電位地磁感應(yīng)電流

0引言

地球空間暴和地磁暴[1]對衛(wèi)星、導(dǎo)航通信以及電網(wǎng)[2，3]、輸油氣管道等人工技術(shù)系統(tǒng)的影響是社會發(fā)展的新問題。與地磁暴對衛(wèi)星、導(dǎo)航通信和電網(wǎng)的影響研究相比，目前國內(nèi)對油氣管道地磁暴侵害開展的研究工作相對較少。2013年2月，中國工程院啟動了復(fù)雜電磁脈沖環(huán)境威脅的戰(zhàn)略研究科技咨詢項目，包括對電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的地磁暴危害進行了專題研究，并獲得了2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我國西氣東輸一線和陜京二線等輸氣管道引發(fā)的管地電位(Pipe-Soil-Potential，PSP)監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，2012年10月1日UT00∶00～2012年10月1日UT12∶00陜京二線輸氣管道霸州閥室(N39°06′E116°24′)監(jiān)測的PSP變化數(shù)據(jù)與地磁暴Dst指數(shù)變化數(shù)據(jù)如圖1所示。按我國《地磁暴強度等級》(GB/T 31160—2014)國家標準[4]，引發(fā)該閥室附近管道PSP變化的地磁暴屬中等地磁暴，并不是等級特別高的大地磁暴。

圖1　陜京二線PSP和Dst指數(shù)變化曲線Fig.1　The curve of PSP indices in 2nd Shanxi-Beijing Gas Pipeline and Dst indices

為防護各種雜散電流對管道造成的金屬腐蝕損傷，國內(nèi)外都有管道雜散電流檢測及防護的相關(guān)標準。其中，我國埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準(GB 50991—2014)規(guī)定[5]：管道PSP正向偏移20 mV時可確認有直流電流干擾，管道PSP正向偏移100 mV時必須采取排流或其他防護措施。圖1監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，只要有一定nT值的地磁Dst指數(shù)變化，都存在管道PSP變化。其中，PSP在地磁暴由第一階主相轉(zhuǎn)到第二階主相階段，即由-22 nT下降至-119 nT的過程中，PSP的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈的波動，該時間段PSP波動的最大值達到了160 mV，遠超PSP偏移達到100 mV應(yīng)采取措施排流的限值。侵害事件表明，地磁暴對我國油氣管道的干擾問題需要研究。

國內(nèi)對電網(wǎng)的地磁暴干擾已有大量研究。文獻[6]給出了2004年7月～2006年12月不同強度地磁暴侵害廣東500 kV和220 kV電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流(Geomagnetically Induced Current，GIC)實測數(shù)據(jù)。從文獻[6]的電網(wǎng)GIC監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出，電網(wǎng)GIC的特征是：500 kV電網(wǎng)的GIC比220 kV電網(wǎng)的GIC要大1個數(shù)量級。其原因是導(dǎo)線的直流電阻越小，感應(yīng)地電場在電網(wǎng)(變壓器中性點)產(chǎn)生的GIC越大，廣東500 kV主網(wǎng)多采用四分裂導(dǎo)線，單位長直流電阻是采用相同截面、單導(dǎo)線220 kV線路直流電阻1/4。因此，500 kV電網(wǎng)GIC比220 kV電網(wǎng)GIC大，即電壓等級高(導(dǎo)線電阻越小)電網(wǎng)災(zāi)害風(fēng)險大。與電網(wǎng)的研究相比，獲得管道的地磁暴侵害觀測數(shù)據(jù)，這在全球中低緯國家中是第一次。

與電網(wǎng)類似，油氣管道也有管道長短、口徑大小、管壁薄厚等結(jié)構(gòu)和形態(tài)上的差異。2012年10月1日地磁暴對不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)管道的干擾情況、考慮磁暴類型、磁暴強弱、地理經(jīng)緯度和大地構(gòu)造等環(huán)境因素時管道的PSP、對管道GIC的監(jiān)測、管道PSP與管道GIC的關(guān)系、不同地磁暴在絕緣涂層有漏點的管道產(chǎn)生的GIC及地磁暴干擾導(dǎo)致的我國大規(guī)模管道腐蝕的經(jīng)濟損失等都是極其復(fù)雜的未知問題，也是與地球物理學(xué)科相交叉的難題。針對我國管道發(fā)現(xiàn)的PSP干擾現(xiàn)象，借鑒國外的研究成果，本文對油氣管道的地磁暴PSP效應(yīng)做了初步研究，以期對埋地管道的PSP效應(yīng)及干擾影響有初步的認識。

1響應(yīng)機制

在工程上，經(jīng)處理的埋地管道由內(nèi)到外分內(nèi)涂層、鋼管和絕緣涂層3部分。鋼管屬良性導(dǎo)體，絕緣涂層要求電阻率不小于10 000 Ω·m2[7]，可見，雖稱為絕緣涂層，但其導(dǎo)電性依然存在，研究地磁暴的PSP效應(yīng)可視其為阻值比較大的電阻，地磁擾動(Geomagnetic Disturbance，GMD)[1]感應(yīng)電場仍可經(jīng)鋼管、絕緣涂層與大地構(gòu)成的回路產(chǎn)生GIC，GIC流經(jīng)涂層電阻產(chǎn)生PSP。與電網(wǎng)GIC相比，管道的干擾效應(yīng)包括GIC和PSP。絕緣涂層的優(yōu)良與否是關(guān)系埋地油氣管道GIC和PSP大小的重要影響因素之一。

管道和電網(wǎng)GIC產(chǎn)生原理如圖2所示。為防止各種干擾的雜散電流影響管道及陰極保護等裝置運行，在管道的首末段往往會并聯(lián)低阻值的金屬接地電極，通過低阻值的電極將雜散電流引入大地[8]。一段涂層無破損、無漏點的管道，當管道兩端與大地?zé)o外加電氣聯(lián)系時，大部分雜散電流在管道末端經(jīng)涂層流入大地，如圖2a所示。當管道兩端有接地金屬電極時，大部分雜散電流通過金屬接地極流入大地，少部分雜散電流經(jīng)涂層泄入大地，如圖2b所示。一段絕緣層有破損漏點的管道，無論是否有接地極，大部分雜散電流通過漏點流入大地，只有少部分雜散電流經(jīng)接地極或涂層入地。與圖2c變壓器中性點直接接地電網(wǎng)的干擾相比，管道的干擾效應(yīng)、響應(yīng)機制等都有差異，干擾計算需要考慮有無接地電極和涂層有無破損，因此管道的地磁暴PSP效應(yīng)建模與計算比電網(wǎng)GIC計算復(fù)雜。

圖2　管道和電網(wǎng)GIC產(chǎn)生原理Fig.2　Principle diagram of GIC in pipeline and power grid

2模型算法

計算管道PSP，先要計算管道的電場和GIC。加拿大首先開展了管道的地磁暴干擾計算研究，D.H.Boteler根據(jù)管道為導(dǎo)體和經(jīng)高阻涂層埋地等特征，提出采用分布電源傳輸線(Distributed Source Transmission Line，DSTL)理論計算管道電場[9]，即將長距離管道無限細分，認為作用在每小段管道上的感應(yīng)電場是均勻的，每小段管道可用包括電場E、串聯(lián)阻抗Z和并聯(lián)導(dǎo)納Y的傳輸線電路等效代替，GMD感應(yīng)電場E對管道干擾的等效電路如圖3所示。

圖3　管道及其分布電源傳輸線模型Fig.3　Pipeline and its DSTL model

圖3中，Vi和Vk為管道的首末端電壓，Ii和Ik為管道首末端電流，L為管道長度，E為管道感應(yīng)電場直接等效的單位長電壓源，Z為由管道鋼管部分決定的串聯(lián)阻抗，Y為由管道單位長度表面積和絕緣涂層導(dǎo)納決定的并聯(lián)導(dǎo)納[10]。傳播系數(shù)γ和特性阻抗Zt分別為

(1)

根據(jù)圖3和麥克斯韋方程建立管道的傳輸線方程，傳輸線方程可描述每段管道中由均勻感應(yīng)電場E產(chǎn)生的電壓V和電流I的分布。

(2)

(3)

小段管道電場均勻，求解式(2)和式(3)，可得用i端電壓電流表示k端電壓

(4)

對圖3管道模型，將ik段管道等效為采用電流源表示的π型等效電路如圖4所示。根據(jù)圖4等效電路的電路關(guān)系可得

(5)

對比式(4)和式(5)，可得π型等效電路參數(shù)

(6)

(7)

(8)

圖4　電流源表示的油氣管道π型等效電路Fig.4　Equivalent-pi circuit with an equivalent current source

對管道等效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓計算，節(jié)點導(dǎo)納矩陣法和Lehtinen-Pirjola法[11，12]兩種方法具有等效性，前者工程應(yīng)用更多。節(jié)點導(dǎo)納矩陣法計算模型如圖5所示[13]。

圖5　油氣管道節(jié)點導(dǎo)納矩陣模型Fig.5　Nodal admittance network model for pipeline system

圖5中i、 k為網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點，對n節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，矩陣關(guān)系為

J=YV

(9)

式中，J為n×1電流源矩陣，其中Ji為與節(jié)點i相連的支路中的電流源之和；矩陣Y為n×n節(jié)點導(dǎo)納矩陣，對角元素是所有與節(jié)點i相聯(lián)的支路導(dǎo)納之和，非對角元素是節(jié)點i和k之間的負導(dǎo)納。對于不接地的節(jié)點有yi=0，即

(10)

管道等效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓可由節(jié)點導(dǎo)納矩陣的逆乘以節(jié)點電流元求得

V=Y-1J

(11)

根據(jù)圖3和求解式(2)、式(3)，可得ik段管道電壓V和電流I的分布。

V=Aeγx+Be-γx

(12)

(13)

式中

(14)

由式(11)得到的管道等效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓帶入式(12)和式(13)，可得到每段埋地管道的管地電位PSP和該段管道GIC計算公式。

3效應(yīng)分析

2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我國管道的PSP監(jiān)測數(shù)據(jù)是按9次地磁暴的起止時間，分別從中石油北京油氣調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和陜京二線管道兩個閥室的現(xiàn)場直流干擾電流監(jiān)測裝置獲取的，PSP變化的形態(tài)與GMD變化率時間、形態(tài)吻合，數(shù)據(jù)可靠。但由于PSP受管道長短、絕緣涂層、是否安裝接地極和接地極數(shù)量、有無絕緣法蘭、管道參數(shù)是否連續(xù)、管道轉(zhuǎn)彎角度等諸多結(jié)構(gòu)因素的影響，不同結(jié)構(gòu)管道的PSP不同。參照電網(wǎng)，先忽略磁暴類型、磁暴強弱、地理經(jīng)緯度和大地構(gòu)造等不可控環(huán)境因素的影響，只考慮結(jié)構(gòu)因素研究地磁暴的影響及風(fēng)險。與電網(wǎng)主要研究較大磁暴的影響相比，由于本文重點研究中小地磁暴對于不同結(jié)構(gòu)形態(tài)管道影響，可假設(shè)電場方向為沿管道走向均勻電場，大小取0.1 V/km，此假設(shè)也可用于缺乏大地實測數(shù)據(jù)的實際地磁暴侵害油氣管道特性計算中。根據(jù)上述算法與假設(shè)，考慮幾項結(jié)構(gòu)因素影響PSP計算結(jié)果如圖6所示。

圖6　基于管道結(jié)構(gòu)因素的PSP效應(yīng)Fig.6　PSP effects based on structure of pipelines

引入管道調(diào)整距離1/γ[14]，L>4(1/γ)為長管道(Electrically Long(EL) Pipeline)，L<4(1/γ)為短管道(Electrically Short(ES) Pipeline)，管道長度L對PSP分布及峰值變化的影響如圖6a所示，假設(shè)L<400 km為短管道，L>400 km為長管道，由圖可見，短管道PSP隨長度呈線性變化，而長管道呈指數(shù)變化，且PSP最大值及最小值出現(xiàn)在管道兩端。圖6b為管道絕緣涂層對PSP分布及峰值變化的影響，由于PSP沿管道對稱分布，圖中僅取后半段管道的PSP分布研究，由圖可見，隨著絕緣涂層電導(dǎo)數(shù)值的增大，PSP峰值減小。接地極的適當加入可明顯減弱管道地磁暴效應(yīng)，管道單端及雙端通過接地極接地對PSP分布及峰值變化影響如圖6c、圖6d所示。圖6c中假設(shè)管道一端通過0.1 Ω接地極接地，由圖可見，對短管道，管道單端接地較雙端不接地在PSP峰值上有所增大，而長管道則無明顯變化；圖6d中假設(shè)管道雙端通過0.1 Ω接地極接地，由圖可見，無論管道長短，管道雙端通過接地極接地可明顯降低PSP峰值。絕緣法蘭將一段長管道人為分為幾段相對較短、互無電氣聯(lián)系的管道，絕緣法蘭數(shù)量對PSP分布及峰值變化影響如圖6e所示，由圖可見，絕緣法蘭的接入導(dǎo)致PSP波動，且只有絕緣法蘭數(shù)量較多時才可降低管道PSP峰值。長管道輸送油氣時常常遇到特殊情況而要求管道旋轉(zhuǎn)一定角度，圖6f為管道轉(zhuǎn)彎角度對PSP分布的影響，由圖結(jié)果可知，角度越大，管道轉(zhuǎn)彎處PSP峰值越大。

以上數(shù)據(jù)及分析可看出，管道PSP在管道的首末端、安裝絕緣法蘭處以及管道轉(zhuǎn)彎處變化很大，絕緣涂層電導(dǎo)值變化及接地電極的存在也會對PSP峰值產(chǎn)生影響。至于何以0.1 V/km電場就會影響管道的PSP，其中原因是管道的單位電阻非常小。例如，西氣東輸一線主管道的直流電阻為2.477×10-3Ω/km，如果GMD管道電場達到0.1 V/km，管道間距1 km有兩個漏點，管道GIC理論上將達到400 A以上，此效應(yīng)分析及結(jié)論同時驗證了中小地磁暴對于油氣管道相對嚴重的侵害作用。以上條件下GIC衍生的管道PSP大小及影響還需做深入研究。

4結(jié)論

1)2012年～2014年9次地磁暴PSP監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)因素影響計算數(shù)據(jù)表明，中、小地磁暴會引發(fā)管道PSP，如果管道涂層受到損傷并形成漏點，管道的GIC會很大；管道陰極保護失效或排流措施不利，中等地磁暴甚至小地磁暴都可能造成管道的GIC腐蝕。2013年底我國油氣管道總長已達到12×104km，未來建設(shè)規(guī)模巨大，各種原因?qū)е碌墓艿劳繉訐p傷難免，研究管道的GIC腐蝕及避免GIC腐蝕有很大的經(jīng)濟效益。

2)管道的地磁暴干擾機理、建模計算和干擾效應(yīng)與電網(wǎng)的干擾差異很大，管道干擾研究要考慮中、小地磁暴的影響，建模計算需要考慮的環(huán)境因素以及管道的結(jié)構(gòu)，影響因素復(fù)雜，管道干擾效應(yīng)建模、計算要求高，故地磁暴干擾管道的直接效應(yīng)(GIC和PSP)計算比電網(wǎng)的直接效應(yīng)(GIC)計算復(fù)雜。在實際計算中，大地電阻率建模準確度對管道電場、GIC和PSP影響很大，建議管道干擾研究考慮建立三維大地電阻率模型和大地電阻率橫縱向突變及差異影響，以提高管道電場、GIC和PSP的計算準確度。

3)除地磁暴類型、強弱、經(jīng)緯度和大地構(gòu)造等環(huán)境因素外，地磁暴對管道的干擾與管道長短、絕緣涂層改變、是否安裝接地極和接地極數(shù)量、有無絕緣法蘭以及轉(zhuǎn)彎角度等管道的結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。通過效應(yīng)分析可知，油氣管網(wǎng)和電力系統(tǒng)地磁暴侵害的危險點不同。油氣管網(wǎng)PSP波動較為嚴重的位置在管道首末端部、安裝絕緣法蘭處以及管道轉(zhuǎn)彎處，另外絕緣涂層電導(dǎo)數(shù)值的變化及接地極的存在也會對PSP峰值產(chǎn)生影響，這為管道的地磁暴研究與防護奠定了基礎(chǔ)。我國管道的規(guī)模越來越大，管道GIC研究不只是科研任務(wù)，也是需要防護人員參與的任務(wù)，本文總結(jié)的模型算法及效應(yīng)研究，供管道防護參考。

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作者簡介

劉連光男，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)安全運行與災(zāi)變控制。

E-mail：liulianguang@ncepu.edu.cn(通信作者)

張鵬飛男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)安全運行與災(zāi)變控制。

E-mail：dezhouzhangpengfei@126.com

PSP Interference Effect of Geomagnetic Storm on Buried Pipelines

Liu Lianguang1Zhang Pengfei1Wang Kairang1Bi Wuxi2Ge Aitian3

(1.State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.Petrochina Pipeline R&D CenterLangfang065000China 3.Petrochina Beijing Gas Pipeline CorporationBeijing102249China)

AbstractOil and gas pipelines are buried under ground with insulating coats on both the inner and outer surfaces of the steel pipeline to prevent direct contact from the soil.Therefore，its interfering and responding mechanism under the geomagnetic storm is different from that in the power grid，and it is of great importance that we study such interfering mechanism，physical process and the interference effect for analyzing the influence and damage of pipelines under geomagnetic storm.Based on 9 events of weak to medium geomagnetic storms induced pipe-soil potential (PSP) phenomenon spotted in line No.1 of West-East natural gas transmission and Shan-Jing line No.2 in the period of 2012 to 2014，we analyzed the mechanism and process of geomagnetically induced current (GIC) in pipelines.We also revealed the mechanism of the PSP as a derivative of GIC.With the PSP calculation method proposed by David H.Boteler and under the assumption of an induced electric field of 0.1 V/km along the same direction as the pipelines，we calculated PSP levels in different forms of pipelines.The calculation results and monitored data suggest that，even in cases of weak and medium geomagnetic storms，it is possible for PSP to exceed the limit set by straycurrent interference protection.This shows that weak and medium geomagnetic storms need to be taken into consideration in future researches on interference and protection of pipelines.

Keywords：Geomagnetic storm，oil-gas pipelines，pipe-soil-potential(PSP)，geomagnetically induced current(GIC)

中圖分類號：TM711

國際合作項目(2010DFA04680)和國家自然科學(xué)基金項目(51177045、41374189)資助。

收稿日期2015-04-12改稿日期2015-06-10