榆濟天然氣管道交流雜散電流的檢測與防護

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(中國石化天然氣榆濟管道分公司，濟南 250101)

隨著經濟不斷發展，交流電氣化鐵路和高壓交流輸電線路與埋地天然氣管道交叉或并行的現象越來越普遍，交流雜散電流干擾愈加嚴重。目前交流干擾源主要來自于高壓電力線與電氣化鐵路[1]。長輸天然氣管道作為長距離輸送天然氣的主要手段，一般是埋地敷設，一旦天然氣管道防腐蝕層出現破損，受交流干擾的影響，涂層缺陷處會形成局部腐蝕，致使管道穿孔[2]。另外雜散電流的作用范圍廣，交流腐蝕發生隨機而變，影響距離達幾公里甚至數十公里[3]。因此，對交流雜散電流進行檢測和防護變得尤為重要。

榆濟管道全長約941.63 km，設計年輸量30×108Nm3，線路起點為榆林首站，終點為宣章屯輸氣站。管線東西橫穿毛烏素沙漠邊緣、黃土高原、呂梁山脈、太岳山脈、太行山脈、采空區等復雜地段，沿線途經4省、8地市、23縣(區)，多處與電氣化鐵路和高壓線路并行或交叉，天然氣管道受到較嚴重的交流干擾。其中，榆濟管道JLS110-JFY127段(山西省離石-汾陽段)地處黃土丘陵地帶，沿線地形條件復雜，土壤電阻率偏高，多處與交流電氣化鐵路或高壓交流輸電線路交叉，交流雜散電流干擾嚴重。本工作闡述了固態去耦合器排流方案的實施過程，對比分析施了工前后的交流電壓及交流電流密度，以期為今后管道交流雜散電流排流提供參考。

1 交流干擾測試方法及判據

1.1 交流干擾測試方法

判斷天然氣管線是否存在交流干擾可按照GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中提出的利用交流電壓與交流電流密度相結合的方法進行測量，見圖1。

圖1 管道交流干擾電壓測量接線圖Fig. 1 Measurement wiring diagram of AC interference voltage for pipeline

1.2 交流干擾判據

根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》的要求，管道上的交流干擾電壓不高于4 V時，干擾程度為弱，可不采取交流干擾防護措施；管道上的交流干擾電壓高于4 V時，應采用交流電流密度進行評估，交流電流密度可按式(1)計算

(1)

式中：JAC為交流電流密度，A/m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率，Ω·m；d為破損點直徑,此處取0.011 3 m。

結合以上數據，通過計算或實際測試得到交流電流密度，判斷腐蝕風險。管道受交流腐蝕風險等級可按表1確定。

表1 交流干擾程度的判斷指標Tab. 1 Evaluation criteria of AC interference level

當判定為強時，應采取交流干擾防護措施；判定為中時，宜采取交流干擾防護措施；交流干擾程度判定為弱時，可不采取交流干擾防護措施。干擾程度為中或強時，應排查干擾來源，采取措施或提出建議消除干擾。

2 交流干擾檢測和評估

2.1 測試儀器

現場測試儀器如下：1臺ZC-8型接地電阻測量儀，1臺HC-069儲存式雜散電流測試儀，1塊DT-980數字萬用表和3支便攜式參比電極。

2.2 交流干擾排流前情況

據現場實地調查，初步推測11個測試樁中除JLS146測試樁外其他都受到高壓線的影響，此外JLS141、JLS146及JLS160測試樁還和太中銀鐵路存在并行情況。

排流前交流干擾測試數據見表2。采用HC-069儲存式雜散電流測試儀對11處測試樁的管地交流電壓進行連續監測，每處測試樁監測時間為3 h。測得交流電壓全部大于4 V，土壤電阻率都大于25 Ω·m，根據交流電流密度公式計算得到JLS141和JLS146測試樁的交流電流密度高于100 A/m2，干擾程度判為“強”，應采取交流干擾防護措施；其他測試點的交流電流密度為30～100 A/m2，干擾程度判為“中”，宜采取交流干擾防護措施。為保證榆濟天然氣管道長期安全平穩運行，本工作對JLS110-JFY127段(山西省離石-汾陽段)交流干擾程度判定為“中”的部位也采取了交流干擾防護措施。

3 交流干擾排流方案及效果

3.1 固態去耦合器選取及安裝

為確保榆濟管道的正常輸氣任務，對離石段-汾陽段交流干擾程度大于等于30 A/m2的部位采取交流干擾防護措施，在11處測試點附近各安裝1 套具有阻直通交功能的固態去耦合器。

固態去耦合器通過內部的電容元件實現穩態感應電壓的排流，一般來說額定穩態交流排流量為45 A可滿足多數工況要求。對固態去耦合器的額定雷電沖擊通流容量和故障電流(AC-rms/工頻/30周波)的要求一般分別為100 kA和3.5 kA[4]。本次排流施工采用的固態去耦合器額定交流電流為45 A，雷電沖擊通流容量為100 kA，故障電流(AC-rms/工頻/30周波)≥3.5 kA。

固態去耦合器的直流阻斷功能是通過晶閘管或二極管實現的。去耦合器兩個端子之間電壓低于某導通閥值電壓時，允許交流電流通過而直流電流不導通；當其高于導通閥值電壓時，去耦合器切換到直流短路模式。目前常見阻斷閥值電壓有-2 V/+2 V和-3 V/+1 V。本次排流施工采用阻斷閥值電壓為-3 V/+1 V的固態去耦合器。

由于固態去耦合器具有“阻直通交”的功能，固態去耦合器接地極的選擇范圍更廣，本次排流施工選用接地效果好、耐蝕性強的銅作為接地材料。固態去耦合器的接地極采用截面積為35 mm2、長度為35 m的裸銅線，裸銅線與管道之間平行間距為1 m，裸銅線埋深與管道底部等高，采用銅管鉗接的方式與固態去耦合器的電纜連接。JLS141-JFY060測試樁附近的裸銅線沿管道單側敷設。固態去耦合器電纜與管道之間采用鋁熱焊的連接方式，每個連接處需除去50 mm×50 mm的絕緣層，表面除銹等級達到St3級，連接好的電纜留有10%的伸縮余量。固態去耦合器采用鋼制樁體和鋼質金屬盒方式，樁下面用錨固螺絲安裝在水泥基礎上，地下埋深1.0 m，露出地面1.5 m。

表2 交流干擾排流效果Tab. 2 Effect of AC interference drainage

3.2 排流效果

排流施工完成后再次利用HC-069儲存式雜散電流測試儀對11處測試樁的管地交流電壓進行監測，每個測試樁監測時間為3 h，圖2為JLS160測試樁管地交流電壓-時間變化圖。

圖2 JLS160管道管地交流電壓-時間變化圖Fig. 2 Diagram between pipe-soil AC voltage and time of JLS160test stake

根據上述的排流施工方案對榆濟管道JLS110-JFY127 段內11處測試點進行排流施工，并對其交流電壓和交流電流密度進行測試。表2統計了排流后管道的交流電壓和交流電流密度。

為了更直觀地分析此次排流效果，將交流干擾排流施工前后的交流電壓進行對比，如圖3所示。

由圖3可見：排流前后交流電壓和交流電流密度都有大幅下降。排流前最高交流電壓為46 V，其中2處交流電壓高于30 V。排流后最大交流電壓為9.82 V。排流后，交流電流密度從31.21～172.77 A/m2減弱到4.35～21.2 A/m2，交流干擾排流效果明顯。

由表2可見：11個排流點處土壤電阻率全部大于25 Ω·m。安裝固態去耦合器接地排流后，有三處測試樁交流電壓小于4 V，分別是JFY012、JFY015和JFY0243測試樁，最大交流電流密度為21.2 A/m2。根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》的要求，上述11處測試樁交流干擾防護效果均達到標準要求。

此次排流工程共有11的排流點，通過對測試數據進行分析，排流施工達到了相關標準要求的排流效果，很好地解決了榆濟管道JLS110-JFY127段的交流干擾問題。

4 結論

(1) 經測試表明，榆濟管道JLS110-JFY127段(山西省離石-汾陽段)與交流電氣化鐵路和高壓交流輸電線路與管道并行或交叉處，受交流干擾明顯。受到干擾的11處測試樁中，有兩處為“強”干擾，9處為“中”等干擾。

(a) 交流電壓

(b) 交流電流密度圖3 排流前后交流電壓及交流電流密度的變化Fig. 3 Variation of AC voltage (a) and current density (b) before and after drainage

(2) 對于干擾為“強”和“中”的部位，采用固態去耦合器和平行裸銅線地床相結合的方案進行排流施工。排流結果表明，上述11處測試樁交流干擾防護效果均達到GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》的要求。

本次榆濟管道交流防護工作很好地解決了榆濟管道JLS110-JFY127段的交流干擾問題。

參考文獻：

[1] 滕延平，蔡培培，徐承偉，等. 應用同步監測法定位管道雜散電流的干擾源[J]. 油氣儲運，2011，30(5)：347-349.

[2] 郝宏娜，李自力，衣華磊，等. 能源公共走廊內管道交流干擾腐蝕判斷準則[J]. 油氣儲運，2012，31(4)：16-18.

[3] 唐永祥，宋生奎. 油氣管道的雜散電流腐蝕防護措施[J]. 石油化工設備，2007，29(4):42-44.

[4] 滕延平，李熙，蔡培培，等. 去耦合器排流技術在管道交流干擾減緩中的應用[J]. 管道技術與設備，2011(5)：27-29.