直流接地極對管道雜散電流的干擾影響及其規律分析

2019-01-09 10:01:44,,,,,

石油化工腐蝕與防護 2018年6期

,, , ,,

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

隨著國內經濟的迅速發展，高壓直流輸電工程和輸油輸氣管道的建設也在快速發展。由于電力行業和石油天然氣行業對傳輸路徑的擇優原則極為相近，使得輸電線路與輸油輸氣管道平行接近或交叉跨越的情況時有發生。

由于高壓直流輸電系統本身的特性，在運行過程中不可避免地會對周圍金屬設施產生直流雜散電流干擾。P.Nicholson[1]在實際測試中發現，故障電流從流入埋地管道至流出管道之前會沿管道流動很長一段距離，在管道中持續存在幾分鐘甚至幾天，會造成雜散電流流出管道部位嚴重腐蝕。相關研究[2-3]也表明，高壓直流輸電干擾具有影響范圍廣、干擾程度大和緩解困難等特點。

1 高壓直流輸電系統

高壓直流輸電系統一般分雙極和單極兩種運行方式，在正常工況下以雙極-大地方式運行。此時入地電流為系統不平衡電流，數值小于輸出電流的1%，但其大小和方向會隨時間發生變化，具有波動性，會對附近的埋地金屬結構產生動態直流干擾[4]，引起管道電位的波動，給陰極保護有效測試和運行管理帶來困難。在高壓直流輸電系統建設并投運初期,檢修或故障排查時會采用單極-大地運行方式。此時,直流接地極處有高達幾千安培的電流流入大地(或由大地流入接地極)，對接地極附近的人畜產生影響[5]，還可能對幾十千米甚至上百千米范圍內的埋地長輸管道及站內設備產生直流干擾，嚴重影響陰極保護系統的正常運行;也會造成埋地管道腐蝕穿孔或過保護風險[6-7]，引發管材氫脆、氫致開裂等安全問題[8-9]。

為掌握華東某地區高壓直流輸電工程接地極對周圍埋地鋼質管道的影響情況，采用遠程電位監控系統對周圍的天然氣管道電位進行長時間連續監測，并分析其受到高壓直流輸電系統干擾嚴重程度。

2 高壓直流干擾判斷

高壓直流輸電系統在進行單極-大地方式運行時，同一接地極的送端和受端會流出電流和流入電流。接地極流入電流時，稱為“陰極放電”；接地極流出電流時，稱為“陽極放電”。

采用智能電位遠程監測系統，同步測試華東某地區A接地極對附近兩條天然氣管道的電位偏移情況。A1天然氣管道兩端為兩個站場，中間有7個站場，管線跨越兩個省，管道全長約779 km，接地極與管道垂直距離約37 km，接地極位于第5個站場附近；A2天然氣管道兩端為兩個站場，中間有1個站場，管道距離接地極直線距離大于220 km，管線長度約為105 km，其中距離A2管道20 km附近有另一接地極X。

為研究A接地極放電規律、干擾程度和干擾范圍，在A1天然氣管道分別安裝12處電位監測點，A2天然氣管道安裝7處電位監測點(見圖1)。其中在1點40分時，A1管線監測到9處監測點位置發生電位波動，而1號監測點和11號、12號監測點電位均發生正向偏移，3號至10號監測點均發生負向偏移。在2點45分時所有監測點電位均恢復到正常電位。在1點40分至2點45分時間段內，A1管線上監測到的監測點電位均同時發生了正向或負向偏移，可以判斷在此時間段內，A1管線受到接地極的干擾。

圖1 電位監測點和接地極相對位置

在相同時間段，A2管線監測到6處電位監測點發生電位偏移情況。其中1號至4號監測點均發生負向偏移，5號和6號監測點發生正向偏移(見圖3)。可以判斷在此時間段內，A2管線也同時受到接地極的干擾。

在靠近A接地極附近的A1管線的8個電位監測點偏移同一個方向，遠離A接地極的A1管線兩端的電位監測點偏移另一個方向，且電位偏移量較A2管線電位偏移量大，可以進一步判斷，此次電位波動是由A接地極造成。通過此類方法對A接地極附近的2條管道長時間連續監測電位進行分析，得到2016年和2017年A接地極對埋地鋼質天然氣管道的干擾次數和干擾時長短。

3 高壓直流干擾監測結果

通過在A接地極附近兩條天然氣管線上設置19個監測點，對華東地區某片區域高壓直流輸電工程接地極對管道的干擾影響進行監測(見表1)。在2017年共監測到A接地極干擾24次，干擾總時間長約為97小時37分鐘；2016年共監測到A接地極干擾41次，干擾總時間長39小時6分鐘。對比兩年的干擾情況，2017年A接地極對天然氣管道干擾次數較2016年有所下降，但干擾時間長度較2016年有所增加。

表1 A接地極干擾次數和時長監測結果

對高壓直流接地極A附近的A1和A2管道通/斷電電位進行監測，兩條管線監測結果(見表2)顯示，在A直流接地極干擾下管道斷電電位的最正值和最負值均超過標準[9]要求的陰極保護電位的上下限。其中受干擾最大的管道(管道A1)干擾電位達到了304.40 V(見圖2)，遠超過人體安全電壓。數據顯示，附近監測的兩條管道的干擾時通電電位絕對值均高于4 V，管道上閥室內的絕緣卡套和引壓管存在打火放電燒蝕風險[2-3]。

表2 管道干擾電位

4 高壓直流干擾規律分析

根據接地極放電原理，當管道附近的接地極為陽極放電時，電流將在管道靠近接地極端由防腐層破損處流入管道，再由遠端流出管道，遠端流出點作為腐蝕原電池的陽極發生腐蝕；當管道附近的接地極為陰極放電時，電流將在管道遠離接地極端由防腐層破損點流入管道，再由近端流出管道，導致近端流出點腐蝕[10]。

從接地極A附近兩條管線的干擾監測情況看(見圖2和圖3)，A1管線靠近接地極A的4號、5號、6號、7號監測點電位均發生負向偏移，為電流流入管道位置，發生陽極放電，管線兩端遠離接地極的2號、3號和8號至12號監測點電位發生正向偏移(其中9號監測點附近有陰保站，電位發生反向偏移)，為電流流出位置?？拷拥貥O位置監測點通電電位負向偏移約-7 000 mV，遠離接地極位置監測點通電電位正向偏移約+0.5 mV，表明靠近接地極的管段受干擾程度大于遠離接地極端管道受干擾程度。A1管線在受到接地極放電干擾時，管道分為3個雜散電流流入流出管段(除9號監測點有陰保站)，管道中間段電位負向偏移，為雜散電流流入段；管道兩端電位正向偏移，為雜散電流流出段，管道中間段和兩端互為雜散電流的流入流出點。

圖2 A1管線受接地極干擾通電電位

圖3 A2管線受接地極干擾通電電位

A2管線靠近接地極位置的1號至5號監測點電位均發生負向偏移，電流從1號點流入管道，遠端6號和7號監測點均發生正向偏移，電流流出管道(見圖4)?？拷拥貥O位置1號監測點通電電位負向偏移約-400 mV，遠離接地極位置監測點通電電位正向偏移約+0.1 mV，再次證明靠近接地極的管段受干擾程度大于遠離接地極段管道受干擾程度。A2管線在受到接地極放電干擾時，管道分為兩個雜散電流流入流出管段，管道靠近接地極段電位負向偏移，為雜散電流流入段；管道遠離接地極段電位正向偏移，為雜散電流流出段，管道兩端互為雜散電流的流入流出點。

圖4 管道雜散電流流入流出示意

A1天然氣管道全長約779 km，接地極A與管道垂直距離約37 km；A2天然氣管道距離接地極直線距離大于220 km，管線長度約為105 km。根據干擾監測結果，A1管線受接地極放電影響管段為2號監測點到12號監測點，管線長度約為700 km；A2管線受接地極放電影響管段為1號監測點到7號監測點，管線長度約為105 km。

對高壓直流接地極A在2017年全年監測到對管道的干擾情況進行統計分析，在年初和年末，均未監測到干擾情況，6月份監測到干擾情況最多，達到8次，見圖5。在每個月干擾次數的基礎上進行干擾時間的統計，除6月份干擾時間達到80 h外，其他月份均不超過5 h，見圖6。