城市軌道對油氣管道直流干擾站控防護技術

張勝利 牙亞萌 張國虎 唐 強 陸劍鋒 許 捷

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 四川北尚新材料科技有限公司, 四川 成都 610101; 3. 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司儲氣庫管理處, 重慶 400015

0 前言

重慶市兩江新區的快速發展,導致中衛—貴陽聯絡線配套相國寺儲氣庫工程管道外部環境在建設期間發生了較大變化,使管道遭受了設計階段不可預見、只能在管道投運后通過實測才能獲知干擾程度和范圍的地鐵雜散電流直流干擾,對銅相線陰極保護的正常運行產生了不利影響。目前國內的排流方式大多采用在管道沿線設置眾多犧牲陽極或排流點的間接排流方法,施工安裝要二次進場,征地范圍廣、費用高,提供的電流和抑制能力有限,且不可調節與控制。本文通過研究國內外現有科研文獻資料[1-7],并結合本工程的實際工況,確定了直流干擾排流防護方案,成功運用于相國寺儲氣庫工程,有效地緩解了干擾。

1 工程概況

中衛—貴陽聯絡線配套相國寺儲氣庫工程的相國寺儲氣庫注氣氣源來自中貴線,功能定位為中貴線季節調峰、事故應急供氣、戰略應急供氣和川渝市場季節調峰、事故應急供氣。地面工程總投資額為19億元。主要包括注采集輸系統、雙向輸氣管道系統[8],八塘閥室和集注站分別設置線路陰極保護站1座,對站外管線實施強制電流陰極保護。配套管線見圖1。

圖1 相國寺儲氣庫工程配套管線示意圖

2 干擾情況

相國寺儲氣庫工程線路管道均先于重慶3號線地鐵龍頭寺至江北機場段、6號線地鐵禮嘉至北碚區段建設投運,銅相線距離最近的3號線地鐵(魚洞至江北機場)約20 km、距離最近的6號線地鐵(茶園至北碚,北碚有始發站)約7 km。相旱線距離最近的3號線地鐵(魚洞至江北機場)約6 km、距離最近的6號線地鐵(茶園至北碚,北碚有始發站)約18 km。上述地鐵投運后,相國寺儲氣庫工程的銅相線受到雜散直流電流干擾嚴重,相旱線受到雜散直流電流干擾較輕。24 h連續監測發現,銅相線管地電位在-3～+1 V范圍內頻繁劇烈波動,影響范圍為整條管線,主要的干擾源在西山坪—靜觀閥室段,干擾特征與地鐵軌道干擾的特征在時間上存在一致性,見圖2。管線在無直流干擾正常情況下,陰極保護電流不超過1 A,當受干擾導致管地電位負于恒電位儀設定值時,設備輸出為零,關機;當干擾導致管道出現正電位時,管道所需陰極保護電流量大增,在設備的輸出電流超過3 A,深井陽極地床接地電阻高(11 Ω),將超出陰保機的額定輸出電壓范圍,致使陰保機頻繁報警、關機,設備不能正常運行。

圖2 銅相線土場閥室長時間電位監測圖

3 腐蝕機理

當導軌附近有埋地金屬,如鋼筋、管道、電纜護套等時,在整流器附近,電流從電位較低處進入大地,通過大地放回整流器負極。雜散電流流出的陽極受到腐蝕[9-11],關系見圖3。典型的直流雜散干擾示意圖見圖4。

圖3 雜散電流對供電軌道的影響

圖4 由直流驅動鐵路引起的干擾示意圖

4 常用直流干擾防護措施

直流干擾的防護應遵循排流保護為主、綜合治理、共同防護的原則進行。排流保護是直流干擾防護的主要方法,分為集中強制排流、極性排流、接地排流、陰極保護站、強制排流等多種方式[12-19]。

4.1 集中強制排流

對地鐵干擾防護而言,從效果上首選集中強制排流,即通過強制排流器將管內雜散電流強制返回軌道上,但在中衛—貴陽聯絡線配套相國寺儲氣庫工程中,管道與干擾源(城市軌道交通地鐵線)間距遠,約7 km,該方式投資高,排流線回路電阻大,不可行。

4.2 極性排流

由于干擾特征為波動頻次在約1 s時間內進行管地電位正負交替,大小變化大的頻繁波動的動態干擾,管道上同一位置處陽極區和陰極區頻繁轉換,難以對正偏移時補充保護電流,難以抑制雜散電流腐蝕,也不適合。

4.3 接地排流

需沿線設置安裝,開挖量大,投資大,相國寺儲氣庫管道是已投運管道,二次進場、征地和開挖量大,經濟上不合理。

4.4 陰極保護站強制排流

由于動態干擾下常規恒電位儀設備無法正常投運,無法給管道提供保護電流并對正偏移陽極區域進行腐蝕控制。該方式需解決這個關鍵技術問題,才能發揮其集中排流經濟性好、作用范圍大的優勢,否則不可行。

5 解決方案

為了使相國寺儲氣庫工程陰極保護站在干擾環境下能正常投運,相國寺儲氣庫工程利用中國石油工程建設有限公司西南分公司《城市軌道對相國寺儲氣庫管道直流干擾站控防護技術》課題研究成果,采用了能隨干擾波動頻次和程度而智能快速響應并調節輸出電流的站控防護技術,并結合工程實際情況,在直流干擾波動最強的土場閥室增設一座強制電流陰極保護站,與八塘閥室陰極保護站一起保護銅相線,對正向偏移的管地電位糾偏,使其達到GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》中要求的負于-0.85 V的陰極保護電位要求。

整改設計與施工完成后,為驗證整改后陰極保護的有效性,采用數據記錄儀UDL 2長時間采集管線電位數據。UDL 2是一種高精度、雙通道數據記錄儀,與陰極保護試片一起使用。內置具有斷電延時功能的一體化電流檢測儀器,可直接測量試片的交流電流密度和直流電流。參比電極輸入端提供直流電位,交流電壓和斷電電位的測量功能。獲得了整改后對銅相線各測試樁處的管道通斷電電位48 h長時間監測數據,檢測數據見圖5～6。

采用澳大利亞標準AS 2832.1[20]提出的動態電位評價方法來評價相國寺儲氣庫工程銅相線排流防護后的效果,評價數據見圖7。

圖5 銅相線48 h監測通電電位最大值、最小值和平均值

圖6 銅相線48 h監測斷電電位最大值、最小值和平均值

圖7 銅相線斷電電位統計

6 結論

1)通過管道長時間的通斷電電位監測結果可以看出,在夜間地鐵停運時間段,管道的斷電電位均能達到-850 mV,管道處于有效的陰極保護狀態。在白天時間段,長時間監測的位置斷電電位在試片充分極化后能夠負于-850 mV的保護范圍。

3)對管道受城市軌道交通直流干擾嚴重,而又與地鐵軌道相對較遠,無法向干擾源負回歸網絡實施直流強制排流的情況,該站控防護技術是有效的適用方式。有效地減緩了干擾腐蝕,保證管道的安全可靠運行,將會在更多的工程中進行推廣應用。