城鎮基礎設施對油氣管道的干擾規律及其識別方法

,, ,,,

(1. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083； 2. 中石化管道儲運公司，徐州 221008；3. 中石化長輸油氣管道檢測有限公司，徐州 221008； 4. 北京科技大學，北京 100083)

隨著我國國民經濟的快速發展，交通、能源等工程的投入不斷加大，這促使各類城市基礎設施進入快速發展階段。截至2015年底，我國除臺灣省以外的所有地區在役油氣管道總里程累計約12萬千米[1]，在“十三五”期間將有多條高壓輸電、高鐵等基礎設施項目開工建設[2-3]。城鎮基礎設施的快速建設導致高壓電網、電氣化鐵路更加稠密，與油氣管道并行、交叉的現象更加普遍。埋地油氣管道與電氣基礎設施并行或交叉時，常常受到雜散電流干擾[4]。在干擾作用下管道涂層破損處有電流流入/流出，導致埋地管道遭受腐蝕、氫脆、防腐蝕層剝離等破壞的風險增加[5]。1991年，加拿大一條天然氣管道由于受到雜散電流干擾，導致腐蝕泄漏[6]。在我國四川的成都-德陽輸氣管道、東北的鐵嶺-秦皇島輸油管道和新港輸油管道都出現了的雜散電流干擾問題[7-8]。城鎮基礎設施雜散電流干擾問題對管道的危害日益突出[9-10]。如何快速識別城鎮基礎設施對管道的干擾類型，根據干擾源類型采取相應的防護措施，對雜散電流的防治具有重要的工程價值。

本工作以我國東部某管道沿途受到城市地鐵、高鐵、高壓交/直流輸電線等多種干擾為背景，開展雜散電流干擾源識別及防護措施研究。通過測試管道干擾參數，明確雜散電流對管道的干擾影響規律，形成各類干擾的識別方法。為相關工程技術人員開展類似工作提供了很好的借鑒，同時現場檢測數據可以為電力部門和管道運營管理部門開展干擾防護工作提供參考。

1　現場測試內容和方法

研究對象為上海至南京某管段，總長335 km(管道里程148 km～483 km)，外防腐蝕層為加強級熔結環氧粉末，管徑φ762 mm，材質為X60鋼。根據前期現場調研結果，分別選擇管道與城市地鐵、高鐵、高壓交流輸電線路、高壓直流輸電系統臨近的位置開展現場測試，見圖1。

圖1　通/斷電電位、交流干擾電壓以及交流干擾電流密度現場測試示意圖Fig. 1Field test schematic for off-potential, on-potential, AC voltage and AC current density

現場測試內容主要有4項：管地通電電位、管道斷電電位、交流干擾電壓以及交流干擾電流密度。

管地通電電位和斷電電位測試參考GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》。采用UDL2數據記錄儀和飽和硫酸銅參比電極進行測試，通電電位測試速率1個/秒；斷電電位測試采用15 s一個周期，每個周期通電12 s，斷電3 s，在斷電后200 ms測試斷電電位[11]。

交流干擾電壓和交流干擾電流密度測試參考GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》。交流干擾電壓采用UDL2數據記錄儀和飽和硫酸銅參比電極進行測試，測試速率1個/秒。交流電流密度采用試片法測試，試片為圓形,裸露面積為1 cm2，材質與管道相同，試片與管道相連通過試片上的電流除以試片面積獲得管道交流干擾電流密度。現場測試示意圖如圖1所示。測試前，先將試片埋入地下24 h，使之充分極化后開始檢測。

2　結果與討論

2.1　城市地鐵對管道的干擾規律

管道473～479 km段靠近南京地鐵2號線，與地鐵最近距離約5 km，現場測試結果見圖2。由圖2(a)可見：通電電位出現大范圍波動，而且在時間上存在明顯分界，即6∶00～23∶00時間段管道通電電位波動較大，波動范圍為-1.55～-0.024 V。而在23∶00～6∶00時間段，通電電位比較平穩，維持在約-0.6 V。經調查南京地鐵2號線的運行時間正好為6∶00～23∶00。同時，在地鐵運行時段內管道的斷電電位出現比較明顯的波動，地鐵停運后管道不受干擾。地鐵運行期間同一位置處管地電位既發生正向波動，也發生負向波動。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖2　管道478 km測試樁監測結果Fig. 2　The monitoring results of pipeline at 478 km test post: (a) on-potential, off-potential; (b) AC voltage and AC current density

由圖2(b)可見：交流干擾電壓和交流干擾電流密度均比較低，即地鐵雜散電流對管道交流電壓和交流電流密度影響不大。

我國城市地鐵主要采用直流供電，供電電壓為750 V和1 500 V。在地鐵運行時，機車從牽引網取電，然后通過鐵軌回流。由于鐵軌與大地不是完全絕緣，部分電流會通過鐵軌流入大地，對附近的管道產生直流雜散電流干擾。導致管地電位正負波動的原因主要有2種：

(1) 地鐵機車運行位置的影響。地鐵機車所在位置不同，主要的泄流點可能隨之變化，如圖3所示。對于管道上的A，B兩點,當機車位于位置1時，A點電流流入電位負向偏移，B點電流流入電位正向移動。而當機車位于位置2時，電流方向相反，A點電流流出電位正向偏移，B點電流流入電位負向移動。由此可見，地鐵機車的運行位置可能導致同一位置管地電位發生不同方向的偏移。此外，由于一個區域內地鐵機車數量往往不止一輛，多機車的相互作用使得管地電位波動更加復雜和頻繁。

(a)　機車在1號位置

(b)　機車在2號位置圖3　地鐵機車運行位置對干擾電流的影響Fig. 3　Effect of running location of subway locomotive on interference current: (a) locomotive at No. 1 location; (b) locomotive at No. 2 location

(2) 地鐵運行狀態的影響。地鐵在加速運行和剎車時泄漏電流方向相反，從而導致管道上的雜散電流方向隨之發生改變。

2.2　高鐵對管道的干擾規律

現場選擇2處距離高鐵較近的測試樁進行測試:341 km測試樁處和465 km測試樁處。前者管道與高鐵并行，并行長度約3 km，最小間距約10 m，該處位置高鐵采用地面路基鋪設；后者管道與高鐵接近90°交叉，之后管道與高鐵相互遠離，該處位置高鐵采用高架鋪設。

341 km測試樁處測試結果如圖4所示。由圖4可見：管地通斷電電位沒有明顯變化，而在該處交叉穿越位置管道交流干擾電壓和交流電流密度呈現間歇性峰值。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓和交流干擾電流密度

(c)　圖4(b)局部放大圖圖4　管道341 km測試樁處監測結果Fig. 4　The monitoring results of pipeline at 341 km test post: (a) on potential and off potential; (b) AC interference voltage and AC interference current density; (c) enlarged view for Fig. 4 (b)

465 km測試樁處測試結果如圖5所示。由圖5可見:管地通斷電電位的波動是由該處位置靠近南京地鐵引起的(見2.1節)，且與341 km處測試結果類似，管道交流干擾電壓和交流電流密度也呈現間歇性峰值。

我國高鐵主要采用交流供電，因此對管道主要產生交流雜散電流干擾。兩處測試結果顯示，在管道與高鐵交叉位置和并行位置都受到雜散電流干擾，而且即使采用高架方式管道也可能受到干擾，如465 km處。對單個干擾峰進行局部放大，如圖4(c)所示,高鐵干擾尖峰是逐步升高再降低的，對該高鐵干擾尖峰進行統計，結果顯示干擾尖峰持續時間為30～250 s。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖5　管道465 km測試樁監測結果Fig. 5　The monitoring results of pipeline at 465 km test post: (a) on-potential, off-potential; (b) AC interference voltage and AC interference current density

2.3　高壓交流輸電線路對管道的干擾規律

現場選擇管道與高壓交流輸電線路并行區域進行測試，并行長度約7 km，最近間距約20 m，現場測試結果如圖6所示。由圖6可見:高壓交流輸電線路主要對埋地管道產生穩定的交流干擾，而對管地通斷電電位影響不大。高壓交流輸電線路對管道的干擾會隨著其負荷(導線電流)變化而有所改變。在晚上用電量較少時,干擾較小;在白天用電量高時，干擾較大。

2.4　高壓直流輸電系統對管道的干擾規律

現場調研顯示202 km測試樁處距離三峽-上海直流輸電工程華新換流站接地極約20 km，現場測試結果如圖7所示。由圖7可見:管地通電電位波動劇烈，而管道交流干擾電壓和電流密度均比較低。但是與地鐵干擾不同，雖然管地通電電位也隨時間發生快速正負向波動，但是并沒有明顯的時間界限，即白天和晚上均發生波動。

我國高壓直流輸電系統多采用雙極對稱輸電，即兩導線的電流大小相等，方向相反，入地電流相互抵消，如圖8所示。實際工況下，由于系統無法完全一致導致兩極之間會有一定的不平衡電流通過直流接地極流入大地，通常小于額定電流的1%[12]。但是由于直流輸電的電流非常大(通常為幾千安培)，即使是1%也有幾十安培，該不平衡電流會對周圍的管道產生動態直流干擾。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖6　管道347 km測試樁處監測結果Fig. 6　The monitoring results of pipeline at 347 km test post: (a) on-potential, off-potential; (b) AC voltage and AC current density

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖7　管道202 km測試樁處監測結果Fig. 7　The monitoring results of pipeline at 202 km test post: (a) on-potential and off-potential; (b) AC interference voltage and AC interference current density

圖8　直流輸電系統雙極對稱輸電方式示意圖Fig. 8　Circuit diagram of the DC transmission system with symmetrical bipolar operation mode

2.5　城鎮基礎設施對管道干擾的識別方法

通過現場測試結果分析了4種干擾類型特征：城市地鐵干擾、高鐵干擾、高壓交流輸電線路干擾以及高壓直流輸電系統干擾。各種干擾特征和識別方法如下所示：

(1) 城市地鐵主要產生動態直流干擾。管地通斷電位呈現明顯的波動特征，且波動與時間呈現明顯對應性，即白天地鐵運行時直流電位波動明顯，而晚間地鐵停運后直流電位波動較小。

(2) 高鐵主要產生動態交流干擾。管道交流干擾電壓呈現明顯的間歇干擾峰，本次現場檢測的干擾峰值持續時間為30～250 s。

(3) 高壓交流輸電線路主要產生穩態交流干擾。管道交流干擾電壓比較穩定，會隨著一天用電負荷的變化呈現相對緩慢的變化。

(4) 高壓直流輸電系統當直流輸電系統雙極-大地回路運行時，主要產生動態直流干擾。管地直流電位呈現動態波動特征，但與地鐵直流干擾不同的是管地直流電位波動沒有明顯的時間對應性。

3　結論

通過現場調研和測試，總結了城鎮基礎設施對我國東部某管道產生的4種主要干擾類型，即城市地鐵干擾、高鐵干擾、高壓交流輸電線路干擾以及高壓直流輸電系統干擾。其中城市地鐵和高壓直流輸電系統主要對管道產生直流干擾，而高鐵和高壓交流輸電線路主要對管道產生交流干擾。通過數據分析獲得了各種干擾的識別方法。對于埋地管道雜散電流干擾問題，可首先對管道開展通斷電電位、交流干擾電壓以及交流電流密度現場檢測；然后根據本文得到的各類干擾的特點，初步確定管道的干擾源和干擾類型；最后針對不同干擾源的特點開展相應的防護設計，降低管道干擾風險，保證管道安全運行。

參考文獻：

[1]高鵬,王培鴻,楊耀輝,等. 2015年中國油氣管道建設新進展[J]. 國際石油經濟,2016(3):60-62.

[2]劉凱. “十三五”,讓人期待的中國鐵路建設[J]. 建筑,2016(2):14.

[3]曹均正,郭煥,魏曉光,等. 智能電網發展與高壓直流輸電[J]. 智能電網,2013,1(2):1-6.

[4]王雙平. 交流電氣化鐵路對路外管道干擾影響及防護[J]. 管道技術與設備,2013(3):36-38.

[5]朱忠偉,吳一平,葛紅花,等. 變電站接地材料的電解腐蝕[J]. 腐蝕與防護,2010(11):868-870.

[6]WAKELIN R G,SHELDON C. Investigation and mitigation of AC corrosion on a 300 mm diameter natural gas pipeline[C]//The 59th NACE Annual Conference. Houston:NACE,2004,paper No.04205.

[7]孔琦. 管道雜散電流智能排流裝置的研究與設計[D]. 山東:中國石油大學,2009.

[8]冷煦耀,呂苑露,何悟忠. 蓋州段輸油管道交流干擾及其排除[J]. 管道技術與設備,1998(2):39-41.

[9]李自力,孫云峰,陳紹凱,等. 交流電氣化鐵路雜散電流對埋地管道電位影響規律[J]. 腐蝕與防護,2011(3):177-181.

[10]張玉星,杜艷霞,路民旭. 動態直流雜散電流干擾下埋地管道的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護,2013(9):771-774.

[11]翁永基,閻茂成. 斷電法消除管道陰極保護電位IR降的研究[J]. 油氣儲運,2002,21(5):30-34.

[12]王官潔,任震編. 高電壓直流輸電技術[M]. 重慶:重慶大學出版社,1997:1-27.