直流雜散電流對天然氣管道干擾影響案例分析

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(1. 中石油管道有限責任公司 西氣東輸管道分公司，廣州 510000； 2. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

隨著廣東經濟的迅速發展，高壓直流輸電系統和城市軌道交通系統等基礎設施不斷建設，埋地鋼制管道受直流雜散電流干擾的問題日益突出[1-6]。本工作對廣東地區某天然氣管道進行檢測，明確其受到了高壓直流輸電系統和地鐵交通系統的直流雜散電流干擾；通過數據分析，得到管道受雜散電流干擾的規律；對照干擾期間管道的運行情況，分析了管道受高壓直流輸電系統和地鐵交通系統的直流雜散電流干擾影響而存在的幾點危害，以期為預防直流雜散電流干擾提供借鑒。

1 管道電位的檢測和監測方法

針對管道存在直流雜散電流干擾的工況，采用試片斷電法，進行管道全線的通/斷電電位測試。通過檢測24 h內試片斷電電位的最大值、最小值和平均值，評價管道受直流雜散電流干擾的情況。按照SY/T 0029-2012《埋地鋼質檢查片應用技術規范》,測試采用數據記錄儀uDL2和工作面積為6.5 cm2的極化試片，數據記錄儀設置每秒采集一組數據，通斷周期設置為通4 s/斷1 s，測試接線如圖1所示。本次測試的管道防腐蝕層類型為3PE，管道的陰極保護方式為外加電流法。

圖1 數據記錄儀接線示意圖Fig. 1 Wiring diagram of data logger

本工作還采用極化探頭法和電位監測系統，長期監測管道電位，以明確管道受高壓直流輸電工程單極大地回路運行方式的影響。極化探頭是由和管道相同材質的極化試片和長效硫酸銅參比電極(CSE)構成的，試片面積為6.5 cm2。電位監測系統由電位監測終端、傳輸網絡和服務器構成，見圖2。電位監測終端與極化探頭和管道進行連接，通過自動采集試片的通電電位和斷電電位，來測試管道在受到高壓直流接地極入地電流影響時的通/斷電電位，再通過無線網絡傳輸，將測試數據傳輸到遠程服務器內。測試人員通過專業軟件讀取數據。電位監測系統設置10 min采集1組通/斷電電位。

圖2 電位監測系統架構和電位監測終端Fig. 2 Potential monitoring system architecture and potential monitoring terminal

2 管道電位的檢測結果

此段管道共有3座陰極保護站,分別設置在閥室2、閥室6和站場2位置(見圖3)。其中，閥室2和閥室6處的恒電位儀采用恒電位模式運行，站場2處恒電位儀采用恒電流模式運行。由于直流雜散電流干擾，閥室2處恒電位儀(控制電位為-1.5 V)輸出電流波動較大；閥室6處恒電位儀(控制電位為-1.3 V)的保護電位波動較大，且保護電位較控制電位更負，無輸出電流；站場2處恒電位儀的保護電位波動大，恒電位儀無法采用恒電位模式運行，只能采用恒電流模式運行,控制輸出電流為0.55 A。3個恒電位儀的輸出情況見表1。

圖3 站場閥室和陰保站分布示意圖Fig. 3 Layout diagram of the station valve chamber and cathodic protection station

序號陰保站名稱恒電位儀輸出情況工作模式保護電位/V輸出電流/A輸出電壓/V1閥室2恒位-1.47～-1.550.95～0.222.75～4.652閥室6恒位-1.56～-1.7200.30～0.823站場2恒流-0.41～-1.350.551.86～7.91

由于直流雜散電流干擾造成管道電位波動嚴重，無法采用瞬間斷電法進行管道的陰極保護電位檢測，因此采用試片斷電法進行檢測。采用數據記錄儀測量管道24 h的通/斷電電位，發現管道全線的通電電位都存在明顯的波動，波動范圍為-3.98～+2.42 V，見圖4。其中，兩個管段的通電電位波動比較大，分別為kp4708測試樁附近管段和靠近站場2的管段；kp4708附近管段的通電電位波動幅度最大達到2.37 V，靠近站場2的管段通電電位波動幅度最大達到6.40 V。

管道全線的斷電電位波動范圍為-0.16～-1.30 V。管道全線斷電電位最正值正于-0.85 V的共27處，斷電電位平均值正于-0.85 V的共有10處，見圖5。按照GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》，已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施，因此，該管段共有27處需要采取防護措施。管道24 h的電位檢測結果顯示，管道受到動態直流雜散電流干擾，電位持續波動。

圖4 管道全線通電電位最大值、最小值和平均值分布圖Fig. 4 Maximum, minimum and average values of the power-on potential of the pipeline

圖5 管道全線斷電電位最大值、最小值和平均值分布圖Fig. 5 The maximum, minimum and average distribution of the power-off potential of the pipeline

澳大利亞標準《AS 2832.1:2015 Cathodic protection of metals Part1:Pipes and cables》規定，對于動態雜散電流干擾的評價，需進行20 h以上的管道斷電電位持續監測；對于防腐蝕層性能良好的構筑物或已證實對雜散電流的響應為快速極化和去極化的構筑物，應遵循以下準則：電位正于保護準則(對鋼鐵構筑物電位為-850 mV)的時間不應超過測試時間的5%，電位正于保護準則+50 mV(對鋼鐵構筑物電位為-800 mV)的時間不應超過測試時間的2%，電位正于保護準則+100 mV(對鋼鐵構筑物電位為-750 mV)的時間不應超過測試時間的1%；電位正于保護準則+850 mV(對鋼鐵構筑物電位為0 mV)的時間不應超過測試時間的0.2%。根據此標準，對全線管道上27處進行進一步陰極保護效果評價，其中有14處電位正于保護準則的比例不滿足標準要求，均分布在靠近站場2的區域，見表2。

表2 正于保護準則的管道斷電電位的統計結果Tab. 2 Statistical results of power-off potential grater than the protection criteria

3 直流雜散電流干擾源的調查結果

通過現場勘查，發現此段管道附近共有3個可能的直流雜散電流干擾源，分別為兩個高壓直流輸電系統的接地極和廣州地鐵。干擾源和管道的相對位置見圖6。

高壓直流輸電系統接地極對管道造成的干擾有兩種形式：一種是在輸電線路雙極運行時，接地極有不平衡電流對管道的影響，不平衡電流的影響持續存在，不平衡電流一般小于額定運行電流的1%；另一種是輸電線路單極大地回路運行，接地極流入流出的電流為直流輸電系統的額定運行電流，入地電流可達幾千安培，對管道的影響發生在單極大地回路運行期間。在白天地鐵運行期間，管道受地鐵直流雜散電流干擾，夜間地鐵停運之后，地鐵對管道無影響。24 h電位檢測結果顯示，此段管道電位共有3種波動規律，見圖7。

圖6 管道走向及與干擾源的相對位置FIg. 6 Pipeline orientation and relative position to sources of interference

由圖7(a)可見：測試樁kp4650為距離站場1最近的測試樁，距離高壓直流輸電系統接地極和地鐵均最遠，受到的干擾最小。白天時間段的電位波動幅度明顯大于夜間時間段的，白天時間段通電電位為-0.84～-1.51 V，波動幅度約為0.67 V，夜間時間段波動幅度較小，約為0.15 V。

由圖7(b)可見：測試樁kp4707為距離高壓直流接地極1最近的測試樁，白天時間段電位波動幅度和夜間時間段的接近，白天時間段通電電位為-0.23～-2.06 V，波動幅度約為1.82 V，表明管道受到的高壓直流輸電系統不平衡電流干擾大于地鐵雜散干擾。

(a) 測試樁kp4650處(b) 測試樁4707處(c) 測試樁kp4830處圖 7 三種通-斷電電位波動規律圖Fig. 7 Fluctuation patterns of three kinds of on/off potential

由圖7(c)可見：測試樁kp4830為距離高壓直流接地極2和地鐵較近的測試樁，在高壓直接接地極采用雙極運行模式時，白天時間段和夜間時間段的通電電位波動劇烈，整體的波動幅度遠高于kp4707和kp4650測試樁的，同時白天時間段的波動幅度大于夜間時間段的。白天時間段通電電位波動范圍為+2.011～-3.94 V，夜間時間段通電電位波動范圍為+0.75～-2.13 V，表明此部分管道受到高壓直流接地極2不平衡電流和地鐵雜散電流干擾最為明顯，造成該管段持續處于欠保護狀態。

對比3種管道電位的波動規律發現，本次測試的管道同時存在高壓直流輸電系統的不平衡電流和地鐵雜散電流的綜合干擾。

4 高壓直流輸電系統單極大地回路運行影響管道的監測結果

高壓直流輸電系統單極大地回路運行時，其中一個高壓接地極為流出電流，稱為“陽極放電”，相對應的另外一個高壓接地極為流入電流，稱為“陰極放電”。文中的接地極1和接地極2分別為兩個高壓直流輸電系統中的一個接地極。

通過電位監測系統，監測到高壓直流輸電系統接地極2單極大地回路運行時，管道受到嚴重的干擾。在接地極陽極放電3 000 A(高壓直流接地極流出電流)時，管道受干擾時電位分布出現變化見圖8?？梢钥闯?，靠近接地極2的管道電位負向偏移，測試樁KP4829+1位置的最負電位達到-174.6 V。受接地極陽極干擾時，此段管道為雜散電流流入區域，遠離接地極2的管道電位正向偏移，測試樁KP4717位置的最正電位達到31.6 V，此段管道為雜散電流流出區域。

圖8 接地極陽極放電3 000 A時的管道電位分布Fig. 8 Pipeline potential distribution at 3 000 A of grounding anode discharge

在接地極陰極放電1 125 A(高壓直流接地極流入電流)時，管道受干擾時電位分布變化如圖9所示?？拷拥貥O2的管道電位正向偏移，測試樁KP4829+1位置的最正電位達到77.2 V。受接地極陰極干擾時，此段管道為雜散電流流出區域，遠離接地極2段管道負向偏移，測試樁KP4717位置的最負電位達到-12.5 V，此段管道為雜散電流流入區域。

圖9 接地極陰極放電1 125 A時的管道電位分布Fig. 9 Pipeline potential distribution at 1 125 A grounding anode discharge

管道的雜散電流流入和流出區域，隨著接地極入地電流極性變換而發生改變，接地極入地電流越大，管道的受干擾程度越大。在此管段上，靠近接地極的管段受干擾程度遠大于遠離接地極的管段。

5 直流雜散電流干擾對管道造成的危害

此段天然氣管道在受到直流雜散電流影響期間，在以下幾方面嚴重影響了管道的安全運行，對管道造成不同形式的危害。

(1) 閥室的絕緣卡套發生放電燒蝕

在對閥室絕緣卡套的完好情況進行檢查，發現2個閥室(閥室3和閥室8)內的絕緣卡套內部或外部有放電燒蝕的痕跡。由于高壓直流輸電系統單極大地回路運行對管道造成干擾，閥室內絕緣卡套兩端電壓差升高，造成絕緣卡套內部或外部發生放電燒蝕[3]。

(2) 恒電位儀內部元器件燒毀

在一次高壓直流接地極單極大地回路運行之后，發現閥室2位置的恒電位儀內部元器件發生了燒毀。

(3) 恒電位儀無法正常運行

由于直流雜散電流干擾造成管道電位波動嚴重，站場2位置的恒電位儀無法正常采用恒電位模式運行，只能采用恒電流模式；閥室6位置的恒電位儀輸出大部分時間為0 A，并且經常會跳轉至恒電流模式。

(4) 管道防腐層破損點位置發生嚴重腐蝕

對本段管道不同位置的12處防腐蝕層破損點開挖檢測結果顯示，管道破損點位置均有不同程度的腐蝕坑深，腐蝕坑內有明顯的黑色腐蝕產物，12處防腐蝕層破損點處管體最大腐蝕深度統計見表3。本段管道由于全線都受到嚴重的高壓直流接地極干擾，因此全線管道的防腐蝕層破損點均有不同程度的腐蝕，其中靠近站場2附近管道KP4827+132 m位置缺陷腐蝕深度最大，達到3.69 mm，占壁厚的13.42%。此段管道受高壓直流接地極2單極大地回路運行模式干擾嚴重，同時由于高壓直流接地極不平衡電流和地鐵雜散電流干擾，管道長期處于欠保護狀態，因此該管段各缺陷點腐蝕深度整體較其他管段的大。

表3 防腐蝕層破損點位置管體腐蝕深度Tab. 3 Corrosion depth of the pipe at the damage points of the anti-corrosion layer

6 結束語

(1) 通過24 h通/斷電電位數據檢測，發現管道同時存在高壓直流輸電系統的不平衡電流和地鐵雜散電流的干擾，使部分管道長期處于陰極保護欠保護狀態。

(2) 通過電位監測系統，監測到高壓直流接地極單極大地回路運行時，全線管道受干擾嚴重，在此運行模式下，管道KP4829+1測試樁持續最正電位達到了77.2 V，持續最負電位達到了-174.6 V。管道的雜散電流流入和流出區域隨著接地極入地電流極性變換而發生改變；接地極入地電流越大，管道受干擾程度越大，靠近接地極的管段受干擾程度遠大于遠離接地極的管段。

(3) 由于直流雜散電流干擾，管道的運行安全面臨巨大的風險，會造成閥室絕緣卡套放電燒蝕、恒電位儀內部元器件燒毀、恒電位儀無法正常運行等事故，甚至導致管道發生嚴重的腐蝕。