土壤環境對埋地金屬管道所受高壓直流干擾的影響

呂 超1,張鈺暄2,李永發,王修云,姜子濤

(1. 中石油管道有限責任公司 西氣東輸分公司，上海 200122; 2. 中國石油管道局工程有限公司 上海分公司，上海 200122；3. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

近年來，我國遠距離、大容量直流輸電(HVDC)工程和輸氣、輸油管道工程迅猛發展[1-3]，電力輸送網和油氣管網日趨稠密。我國DL/T 5224-2005標準規定接地極與埋地管道距離應大于管道長度或大于10 km[4]，而加拿大相關標準指出在一定的土壤條件下，直流接地極可對70 km外的管道產生干擾[5]。但是由于輸送目的地高度一致，導致直流輸電工程與油氣管道不可避免地相互靠近。直流輸電線路在故障、調試或檢修時常采用單極大地回路方式運行，此時大量電流通過直流接地極流入大地形成雜散電流，對附近的埋地管道產生干擾，導致管體加速腐蝕，引發安全事故[6-7]。我國多地報道了高壓直流干擾案例[8]，但是各地高壓直流干擾水平相去甚遠。例如：云廣特高壓直流輸電工程受端接地極單極大地運行時，導致廣東某天然氣管道閥室引壓管發生打火放電，現場測得管地電位高達175 V(相對于飽和銅/硫酸銅參比電極CSE)；而三峽至上海地直流輸電工程受端接地極單極大地運行時，雖然也造成了附近管道電位的偏移，但是偏移量僅為1.4 V(相對于CSE)。

我國幅員遼闊、土壤結構復雜多變，而國內外對于高壓直流干擾的研究尚處于起步階段，土壤環境對高壓直流干擾的影響規律還不明確[9-12]。鑒于此，本工作利用數值模擬技術研究了在不同土壤結構中高壓直流接地極對埋地管道的干擾規律，為我國其他接地極設計選址及相關模擬計算提供參考和建議。

1 模型繪制

本工作采用CDEGS軟件的MALZ模塊對不同土壤環境中高壓直流干擾的規律進行數值模擬。MALZ模塊主要利用邊界元方法求解電場方程，獲得主要計算區域內的各電學參數[13-14]。為了去除其他因素的影響，設計建立了高壓直流對埋地管道干擾的簡化模型，如圖1所示。管道為水平直管道，長度50 km。高壓直流接地極為雙圓環結構，位于管道中間位置距離管道3 km。其他參數如表1所示，計算時采用電流由大地流入接地極的方式進行計算，文中電位均相對于CSE。

圖1 高壓直流對埋地管道干擾的簡化模型Fig. 1 Simplified model of HVDC interference to buried pipeline

表1 用于數值模擬的管道參數
Tab. 1 Parameters of pipeline for numerical simulation

參數取值管徑/mm457管道壁厚/mm16管道埋深/m1.5管材X80鋼防腐層面電阻率/(Ω·m2)105直流接地極的入地電流/A5 000直流接地極埋深/m4

2 模擬結果與分析

2.1 表層土壤厚度的影響

為了研究表層土壤厚度對干擾影響的規律，設計構建了水平雙層土壤結構，如圖2所示。表層土壤電阻率較低，為100 Ω·m，厚度為0.1～9 km。底層土壤電阻率較高，為1 000 Ω·m，厚度無窮大。作為對照，在整體土壤電阻率100 Ω·m(表層厚度為無窮大時)和1 000 Ω·m(表層厚度為0 km時)兩種情況下，計算了管地電位。

圖2 水平雙層土壤結構Fig. 2 Horizontal double-layer soil structure

管地電位是管道管體與正上方土壤電位差，用P/S表示。由于管地電位與管道腐蝕、氫脆等風險息息相關，因此常作為管道受干擾的評價指標。計算各種土壤結構下管地電位分布，結果如圖3所示。由圖3可見：當接地極陰極放電時，靠近接地極位置的管道吸收電流，管地電位正向偏移；而遠離接地極位置的管道釋放電流，管地電位負向偏移。對比整體土壤電阻率為100 Ω·m(表層厚度為無窮大)和1 000 Ω·m(表層厚度為0 km)兩種情況可知，整體土壤電阻率越高，管道所受的干擾越大。這是由于在入地電流相同的情況下，低土壤電阻率中形成的電勢梯度較小，穿越電勢梯度場時管道兩端的電壓差較小，因此管地電位變化較小。對比不同表層土壤厚度情況下的計算結果可見，隨著表層土壤厚度的增加，管道受到的干擾降低，這是由于表層土壤越厚，整體土壤電阻率越小。

以最大管地電位與表層土壤厚度為坐標作圖，結果見圖4。由圖4可見，當表層土壤厚度為0時，最大管地電位為163.6 V，當表層土壤厚度為無窮大時，最大管地電位為16.9 V。由以上分析可知：當表層土壤厚度小于0.15 km時,管道所受干擾主要由深層土壤電阻率決定；當表層土壤厚度大于9 km后，管道所受干擾主要由表層土壤電阻率決定；當表層土壤厚度為0.15～9 km時，管道所受干擾由表層土壤電阻率和深層土壤電阻率共同決定。

圖3 表層土壤厚度對管地電位分布的影響Fig. 3 Effect of top soil thickness on P/S potential distribution

圖4 表層土壤厚度與最大管地電位的關系Fig. 4 Relationship between top soil thickness and maximum P/S potential

2.2 管道沿線土壤的影響

我國油氣管道跨度大，沿線土壤復雜多變。由于管道沿線土壤電阻率變化，管道所受干擾也隨之變化，為研究管道沿線局部土壤電阻率的影響，建立如圖5所示的土壤結構。土壤結構由兩部分組成：整體環境土壤(電阻率較高，為1 000 Ω·m)和局部土壤塊(電阻率較低，為100 Ω·m)，土壤塊尺寸為10 km×2 km×6 km(長×寬×深)。將土壤塊由位置Ⅰ(土壤塊左邊緣與管道左端對齊，土壤塊中心位于管道里程5 km處)逐漸移動至位置Ⅱ(土壤塊中心與管道中心對齊，土壤塊中心位于管道里程25 km處)。計算土壤塊位于不同位置時，接地極系統放電對附近埋地管道的干擾。

圖5 管道沿線土壤結構Fig. 5 Soil structure along pipeline

由圖6(a)可見，當土壤電阻率為100 Ω·m的土壤塊由位置Ⅰ移動至位置Ⅱ時，埋地管道受直流干擾程度逐漸減弱。由圖6(b)可見，隨土壤塊的移動，最大管地電位呈現先緩慢降低，然后快速降低，最后緩慢降低的趨勢。當土壤塊在位置Ⅰ時，最大管地電位最大，為164.2 V，當土壤塊移動至位置Ⅱ時，最大管地電位下降至85.6 V，干擾明顯降低。由以上分析可知：土壤塊中心位于管道里程5～17 km即土壤塊中心距管道中心超過8 km時，土壤塊對直流干擾基本無影響。

由于高壓直流接地極附近管道所處土壤的電阻率對直流干擾的影響很大。因此，如果直流接地極選址在埋地管道附近時，管道應盡量埋設在土壤電阻率相對較低的海洋、地上和地下水系、鹽礦、金屬礦等區域。

(a) 管地電位分布

(b) 最大管地電位圖6 管道沿線土壤塊的影響Fig. 6 Effects of soil block along pipeline: (a) P/S potential distribution; (b) maximum P/S potential

2.3 接地極附近土壤的影響

通常情況下高壓直流接地極與埋地管道相距幾公里到幾十公里，而接地極處土壤往往與管道埋設處差別很大，因此設計了圖7所示的土壤結構模型。該土壤結構由兩部分組成：整體環境土壤電阻率較高，為1 000 Ω·m；接地極附近土壤塊電阻率較低，為100 Ω·m。土壤塊尺寸為10 km×2 km×6 km，將土壤塊由位置Ⅰ(土壤塊左邊緣與管道左端對齊，土壤塊中心位于管道里程5 km處)逐漸移動至位置Ⅱ(土壤塊中心與接地極系統中心對齊，管道中心位于管道里程25 km處)。計算土壤塊位于不同位置時，接地極系統放電對附近埋地管道干擾的情況。

圖7 高壓直流接地極附近土壤結構Fig. 7 Soil structure near HVDC ground electrode

由圖8(a)可見，當土壤塊由位置Ⅰ移動至位置Ⅱ時，埋地管道受直流接地極系統干擾的程度逐漸減弱。由圖8(b)可見，當土壤塊從位置Ⅰ移動至位置Ⅱ時，最大管道電位呈現先緩慢降低，然后快速降低，最后緩慢降低的趨勢。當土壤塊在位置Ⅰ時，最大管道電位最大，為163.5 V，但當土壤塊移動至位置Ⅱ時，最大管地電位下降至82.7 V，干擾明顯降低。由此可見：土壤塊中心位于管道里程5～17 km即土壤塊中心距離接地極中心超過8 km時，土壤塊對干擾基本無影響。

(a) 管地電位分布

(b) 最大管地電位圖8 高壓直流接地極附近土壤的影響Fig. 8 Effects of soil near HVDC ground electrode: (a) P/S potential distribution; (b) maximum P/S potential

由于管道受干擾的程度受直流接地極所處土壤電阻率影響較大。因此，直流接地極應盡可能選在土壤電阻率較低的海洋、地上和地下水系、鹽礦、金屬礦等區域。

2.4 接地極與管道沿線土壤影響對比

由以上計算可見，管道沿線和高壓直流接地極附近土壤對干擾影響都比較明顯。為了明確這些位置的特殊性，設計如圖9所示土壤結構。土壤結構由兩部分組成：整體環境土壤電阻率較高，為1 000 Ω·m；局部土壤塊電阻率較低為100 Ω·m。土壤塊尺寸為10 km×2 km×6 km，分別計算土壤塊在位置Ⅰ(土壤塊中心與接地極中心重合)、位置Ⅱ(土壤塊在管線與接地極之間)、位置Ⅲ(土壤塊中心與管線中心重合)、位置Ⅳ(接地極與土壤塊距離等于接地極與位置Ⅲ時土壤塊的距離)4種不同位置時接地極系統放電對附近埋地管道干擾的情況。

圖9 管道沿線和高壓直流接地極附近土壤結構Fig. 9 Soil structure along pipeline and near HVDC ground electrode

由圖10可見，在4種不同位置時，管道受直流接地極系統干擾程度的順序為：位置Ⅰ<位置Ⅲ<位置Ⅱ<位置Ⅳ。由前面計算可知，土壤塊距離直流接地極越近，對管道的干擾越小。但是，本算例中位置Ⅱ比位置Ⅲ更靠近高壓直流接地極，而位置Ⅲ干擾卻較小。另外，在位置Ⅲ和位置Ⅳ時，土壤塊距高壓直流接地極的距離相等，但是位置Ⅲ的最大管地電位比位置Ⅳ的小很多。由此可見，高壓直流接地極附近土壤和管道附近土壤對高壓直流干擾影響最大，且土壤電阻率越低干擾越小。因此，進行模擬計算或者選址時，應該重點考察這些位置的土壤結構。

3 現場驗證

為考察數值模擬方法計算的土壤環境對高壓直流干擾影響的準確性，利用西北及華南兩個典型土壤環境中高壓直流接地極放電時管地電位波動的監測數據進行驗證。

西北地區某輸氣管線A站場至B站場約300 km長管道受到距離其44 km處高壓直流接地極干擾。在該管道沿線設置遠程監測系統14套，用于監測附近接地極放電時管道沿線管地電位的波動情況，其中距離A站場157 km處為該管道與接地極最近位置點。當接地極5 000 A陰極放電時，現場監測到管道沿線的管地電位如表2所示。其中，在管道與接地極最近位置點，電流流出，管地電位正向偏移最大，達到10.33 V，在距離接地極最遠的位置，電流流入，管地電位負向偏移最大，達到-6.30 V。

(a) 管地電位分布

(b) 最大管地電位圖10 不同位置土壤的影響Fig. 10 Effects of soil in various locations: (a) P/S potentials distribution; (b) maximum P/S potential

表2 西北地區某管道的管地電位Tab. 2 P/S potentials of a pipeline in Northwest China

華南地區某輸氣管線C站場至D站場約180 km長管道受到距離其7 km處高壓直流接地極干擾。在該管道沿線設置遠程監測系統16套，用于監測附近接地極放電時管道沿線管地電位的波動情況，其中距離C站場56.808 km處為該管道與接地極最近位置點。當接地極3 200 A陰極放電時，現場監測到管道沿線的管地電位如表3所示。其中，在管道與接地極最近的位置點，電流流出，管地電位正向偏移最大，達到304.7 V，在距離接地極最遠的位置，電流流入，管地電位負向偏移最大，達到-76.0 V。

表3 華南地區某管道的管地電位Tab. 3 P/S potentials of a pipeline in Southern China

表4為上述西北及華南兩高壓直流接地極區域土壤電阻率。由表4可知：西北地區接地極處土壤電阻率較小，最大也不超過890 Ω·m，華南地區接地極處土壤電阻率較大，最大可達到2 500～4 000 Ω·m。兩地高壓直流接地極處土壤電阻率差別較大，因此當高壓直流接地極放電時現場監測到管地電位波動情況差別較大。

利用CDEGS軟件對上述兩處接地極干擾進行模型繪制及模擬計算，將模擬計算結果與現場監測數據對比如圖11所示。由圖11可知，模擬計算所得管道沿線管地電位分布情況與現場多個位置監測的管地電位數據基本一致，現場環境土壤電阻率對高壓直流接地極干擾影響較大，因此該數值模擬方法可以較為準確地預測土壤環境對埋地金屬管道受高壓直流接地極干擾的影響。

表4 西北及華南兩地土壤電阻率Tab. 4 Soil resistivity in Northwest China and Southern China

4 結論

(1) 表層電阻率的降低使得整體土壤電阻率降低，導致直流接地極對長輸管道的干擾也降低。表層土壤對干擾的影響與其厚度密切相關。對于雙層土壤結構，當表層土壤厚度小于0.15 km時，管道所受干擾主要由深層土壤電阻率決定；當表層土壤厚度大于9 km時，管道所受干擾主要由表層土壤電阻率決定；當表層土壤厚度為0.15～9 km時，管道所受干擾由表層電阻率和深層電阻率共同決定。

(2) 高壓直流接地極附近管道所處土壤的電阻率對直流干擾的影響很大。當土壤塊中心與管道中心距離超過8 km時，土壤塊對直流干擾的影響較小。

(3) 管道所受干擾程度受高壓直流接地極附近土壤電阻率影響很大。當土壤塊中心距離接地極中心超過8 km時，土壤塊對干擾影響較小。

(4) 高壓直流接地極附近土壤和管道附近土壤對高壓直流干擾影響最大，且土壤電阻率越低干擾越小。因此對于新建系統應盡量將高壓直流接地極和管道埋設在土壤電阻率較低的區域如海洋、地上和地下水系、鹽礦、金屬礦等，以降低管道所受干擾。

(a) 西北地區

(b) 華南地區圖11 模擬計算結果與現場監測數據對比Fig. 11 Comparison of simulation calculation results with on-site monitoring data: (a) Northwest china; (b) Sothern China

(5) 模擬計算所得管道沿線管地電位分布情況與現場多個位置監測的管地電位數據基本一致，該數值模擬方法可以準確預測土壤環境對埋地金屬管道受高壓直流接地極干擾的影響。