高壓直流接地極對埋地金屬管道干擾的研究現狀

許振昌,都業強,杜艷霞,秦潤之,張 慧

(1. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083； 2. 東莞新奧燃氣有限公司，東莞 523000)

高壓直流(HVDC)輸電是一種用于遠距離的高效輸電方式，具有損耗小、造價低，穩定性高等優點。我國能源主要分布在西部地區，而能源的主要消耗卻在東部沿海地區，高壓直流輸電是我國能源輸送的一種重要方式。目前，我國已有多條大型高壓直流輸電工程投產運行，例如西電東送工程、北電南送工程、向家壩-上海和哈密-鄭州等高壓輸電工程，此外，還有多條高壓輸電線路正在規劃建設中[1-4]。

HVDC系統主要有兩種運行模式：單極運行模式和雙極運行模式[5]。系統正常運行模式為雙極對稱運行模式，即由正負兩極及導線構成閉合回路，在此運行模式下產生的不平衡電流一般小于額定電流的1%，其對埋地金屬管道的危害較小。而當雙極中一極設備故障或者檢修時，HVDC系統會以單極大地回線方式運行，即以大地作為回路通道，此時數千安培的電流會通過接地極進入大地，對附近的埋地金屬管道產生較大危害，相對于雙極系統，其影響范圍更大，影響強度更高[6-8]。因此，本工作通過調研近年來HVDC單極大地回線運行時的干擾案例，介紹了因高壓直流干擾造成的管地電位和泄漏電流密度等參數的變化，同時也總結了實際工程中數值模擬技術在HVDC干擾預測和緩解方案設計中的應用，并總結了可能的防護措施。

1 高壓直流干擾的現場案例

隨著高壓直流輸電系統的投運，檢測發現多條埋地管道受到干擾，現場案例表明HVDC單極大地回線運行時會造成管道的管地電位發生較大偏移，偏移量遠超過陰極保護標準要求的范圍[9]，這使得管道面臨較大的干擾風險。

QIN等[3]檢測發現，在翁源接地極2 400 A陽極放電時，距離接地極約7 km左右的檢測點(該位置為距離管道最近的測試點)處管道的管地通電電位為-211 V(相對于銅/硫酸銅參比電極，CSE，下同)，泄漏電流密度峰值達到-488 A/m2，泄漏電流密度變化曲線如圖1(a)所示；3 200 A陰極放電時，管地通電電位達到304 V，斷電電位為1.645 V，泄漏電流密度峰值達到82 A/m2，泄漏電流密度變化曲線如圖1(b)所示；同時計算發現，管地通電電位和接地極放電電流呈線性關系，該點處的比值為-92 V/kA。

(a) 2 400 A

(b) -3 200 A圖1 不同放電電流條件下，監測點處的泄漏電流密度變化曲線Fig. 1 Curves of leakage current density at monitoring points under different discharge current conditions

孫建桄等[10]測試了±500 kV翁源接地極放電1 200 A時對西氣東輸二線韶關站至廣州站段管道的影響。翁源接地極中心距離西氣東輸西二線管道的垂直距離約為7 km，距離154號閥室13.7 km，距離155號閥室15.2 km。測試結果顯示：放電1 200 A時，距離接地極最近位置的管道通電電位正向偏移至約100 V，距離管道較近的這兩個閥室的通電電位正向偏移至約50 V，均超過人體安全電壓35 V，管道的腐蝕風險和人員設備的安全風險較大。

BI等[4]測試發現，哈密南-鄭州HVDC輸電線路的哈密南接電極采用單極大地回線運行，放電5 000 A時，與接地極最近的管道相距約35 km，電位監測顯示接地極放電使得管道的極化電位正向偏移至約0.5 V，正于-0.85 V陰極保護極化電位準則1.35 V，可能存在較高的腐蝕風險。

李振軍[11]測試了哈密南-鄭州±800 kV特高壓直流輸電系統中哈密接地極對西氣東輸管道的影響，發現采用單極大地回線方式運行，最大入地電流為2 900 A，在接地極陰極放電時，管道沿線管地電位分布如圖2(a)所示，其中距離接地極與管道垂直點11 km處的管地電位正向偏移最大，從-1.408 V偏移到10.33 V，偏移量達11.73 V；接地極陽極放電時，管道沿線管地電位分布如圖2(b)所示，距離接地極與管道垂直點21 km處的管地電位負向偏移最大，從-1.4 V偏移到-8.5 V，偏移量達7.1 V，且放電的影響范圍均較大，均在300 km以上。

(a) 陰極放電

(b) 陽極放電圖2 接地極放電對管道管地電位的影響Fig. 2 Influence of ground electrode discharge on pipeline ground potential： (a) cathode discharge; (b) anode discharge

早年的測試報告也介紹了一些由HVDC引起的異常現象。例如2007年5月，西氣東輸管道芙蓉-上海段出現陰極保護異常現象，此次干擾導致管道正向偏移幅度最大達到830 mV，直接導致恒電位儀無法正常運行[12]。2011年9月，云廣線單極大地回線運行時，魚龍嶺接地極產生強大的入地電流對廣東天然氣鰲廣干線造成較大影響，距離接地極11，26，37 km的3個站場的管地電位分別偏移至+20，-20，-70 V，導致多臺恒電位儀燒壞[13]。

諸多現場情況表明，高壓直流的干擾程度較大，管地電位產生的偏移較大，偏移量甚至可達上百伏，已有現場測試結果顯示HVDC干擾造成管地通電電位偏移最高可至304 V，這嚴重威脅著人員的安全和管道防護設備的正常運行。目前現場的測試數據主要集中在管地電位或泄漏電流密度，雖然一定程度上可以反映管道面臨的安全風險，但缺乏關于在如此高干擾電位下的管道腐蝕速率實測數據報道，故目前仍無法準確判斷埋地管道在HVDC大幅正電位干擾下實際的腐蝕程度，以及大幅負向干擾對埋地管道涂層失效、氫脆風險等一系列問題的影響，HVDC干擾下管道安全風險的綜合評判指標有待系統、深入的研究。

2 直流干擾的模擬試驗研究

現場大量案例表明，高壓直流輸電系統接地極單極大地回線運行對埋地管道造成較大的干擾，但關于這種干擾會帶來哪些危害及危害的機理，仍缺乏透徹的理解，部分學者近年來也開展了室內模擬試驗研究，以探討高壓直流干擾下干擾參數的變化規律及其對管道腐蝕行為的影響。

秦潤之等[14]研究了高壓直流干擾下X80鋼在廣東土壤中的腐蝕行為，結果表明：土壤含水率為21%(質量分數，下同)的廣東紅褐色黏土中，在50～300 V直流干擾下，電流密度隨時間變化均呈現典型的3階段變化特征，即電流密度在幾秒內急劇上升到峰值，然后再逐漸下降至穩定值并最終在穩定值保持較長時間，見圖3和圖4。根據相關參數的測量結果可以推斷，電流密度變化主要是因為大幅干擾電位造成短時間內試片周圍土壤溫度升高，含水率降低，局部電阻率大幅增加。同時試驗獲得直流干擾電位分別為50，100，200，300 V情況下，對應X80鋼的腐蝕速率分別為5.56，7.85，10.63，7.78 μm/h，此外研究還發現高壓直流干擾下腐蝕速率和電流密度變化曲線符合Faraday定律。

圖3 X80鋼試樣在50～300 V直流干擾下的電流密度隨時間變化曲線Fig. 3 Current density versus time curves of X80 steel sample under 50 ～ 300 V DC interference

圖4 300 V直流干擾下電流密度的變化情況Fig. 4 Change of current density under 300 V DC interference

符傳福等[15]研究了直流雜散電流干擾下Q235鋼在海南土壤中的腐蝕規律，試驗土壤含水率為15.8%，工作面積為1 cm2，試驗裝置為一土壤盒，兩端為鍍鉑鈦電極，加載電流為8 mA，再將試片、電阻和另一鍍鉑鈦電極串聯埋入土中，測量電流流出試片的規律。結果表明：電流隨時間變化可分為三階段，先增大后急劇減小至某一值之后，小幅波動，這是因為隨著腐蝕發生，土壤與基體接觸變差，氧含量降低;腐蝕產物主要為Fe3O4、Fe2O3，并伴有少量FeS；腐蝕速率高達16.710 mm/a，危害較大。

QIAN等[16]研究了里賈納黏土壤(薩斯卡通，加拿大)提取液中的X52鋼在不同直流電流密度下的腐蝕情況，如圖5所示。結果說明：隨電流密度增加，X52鋼的腐蝕程度增大。經過48 h的失重測試，無直流電下X52鋼的腐蝕速率為0.4 mm/a，電流密度為5 A/m2時的腐蝕速率為6.5 mm/a，10A/m2時的為12.5mm/a，腐蝕速率分別是自然狀態下的16和31倍。且在陽極區管道的涂層破損處，會加速腐蝕，陰極區的堿化會導致聚合物脫黏，降低防腐蝕層的保護效果。

圖5 不同直流電流密度下X52鋼在土壤模擬液中的腐蝕速率Fig. 5 Corrosion rates of X52 steel in the soil solution at different DC current densities

楊超等[17]研究了在含0.1 mol Cl-+0.1 mol SO42-+0.1 mol HCO3-土壤模擬液中，直流雜散電流對X65鋼腐蝕行為的影響。結果發現：當直流干擾電流小于0.5 A時，X65鋼會發生鈍化，腐蝕速率降低；當直流干擾電流大于0.5 A時，保護膜被溶解，腐蝕轉向活性溶解過程，X65鋼腐蝕加劇。

DAI等[18]研究了高壓直流電場下干濕循環對鋼腐蝕的影響，結果表明：高壓直流電加速腐蝕，且電場強度越大，腐蝕速率越高；腐蝕產物為γ-FeOOH，且銹層處出現較多裂紋，腐蝕嚴重；此外，隨著場強的增加，腐蝕電位正向偏移，分析得出這主要是由于鋼表面形成大量腐蝕產物，從而直接阻礙了鋼電極的陰極過程，使鋼的混合電位表現出正向偏移。DAI等[19]還發現直流電場會加速疏松γ-FeOOH的生長，且抑制疏松γ-FeOOH向其他致密產物轉變。

實際長輸管道工程中常采用外加電流的陰極保護技術，而陰極保護電位過負，管線容易發生氫脆失效，對此，有學者開展了相關試驗。楊永和等[20]研究了在外加陰極保護電位下，X80鋼在新疆三種典型土壤模擬溶液中的氫脆行為，結果表明：外加電位為-1.1 V時，在新疆農田、戈壁和沙漠三種典型土壤模擬溶液中，X80鋼均發生強度和塑性損失，表現出氫脆敏感性，其在三種典型土壤模擬溶液中的氫脆敏感性由強到弱為沙漠>戈壁>農田；同時研究表明在不同的環境中，隨著土壤電導率的增加和pH的降低，X80鋼的氫脆敏感性增加。

目前的室內試驗研究顯示，高壓直流干擾下的試樣相對于自然狀態的，腐蝕更為嚴重，并且在土壤模擬溶液中，試樣的電流密度也呈現出三階段的變化規律，腐蝕產物主要為Fe3O4、Fe2O3和FeOOH。當前試驗大多在土壤模擬溶液中開展，鮮少在真實土壤中進行，而模擬溶液很難模擬真實土壤的擴散特性，同時真實土壤又存在多種類型，不同土壤中HVDC的干擾規律及腐蝕機制目前尚缺乏系統的研究。此外，目前也缺乏關于HVDC干擾造成的埋地管道氫脆及涂層破壞風險方面的研究，雖有學者研究了陰保條件下管線鋼在土壤模擬溶液中的氫脆行為，但對于真實土壤環境以及HVDC干擾時造成的大幅度負向電位下的氫脆行為，尚缺乏全面的認識。

3 模擬計算在高壓直流干擾中的應用

現場案例和試驗結果表明，高壓直流干擾的幅值高，影響范圍大，同時受干擾管道的長度可達數千公里，這一情況下，獲取參數的變化規律較為困難，因此，數值模擬計算為高壓直流干擾的預測和緩解方案的優化設計提供了有效工具。為解決復雜土壤模型的干擾狀況，一些研究人員采用ANSYS、CDEGS等軟件模擬計算了接地極放電對管地電位的影響程度以及緩解方法的效果。

JIANG等[1]模擬計算了3PE防腐蝕層對高壓直流干擾防護的有效性。模擬條件為翁源接地，輸電電壓為±500 kV，單極大地回線模式下電流為3 200 A。結論顯示，對于帶3PE防腐蝕層的管道，其管地電位占到雜散電流流入-流出位置間全部電壓的75%以上，因此若防腐蝕層存在缺陷，將會增大管道的腐蝕風險；而裸鋼管道的管地電位較小，且裸露面積大電流密度小，腐蝕反而較輕微。同時也模擬了緩解地床的防護效果，參數來源于西氣東輸二線韶關到廣州段，接地極放電1 200 A，結果顯示，管道兩端安置緩解地床的效果優于每個監測點都安裝緩解地床的，這是因為緩解地床間會相互影響，降低彼此的效果。此外，緩解地床的安裝位置及其電阻對緩解效果也有影響，需要結合實際情況進行具體布置。

吳江偉等[8]運用有限元分析軟件ANSYS計算得到：當表層土壤電阻率為20 Ω·m，入地電流為額定電流3 000 A時，在管道-100 km位置處(以接地極位置作為0坐標)的管地電位為3.40 V，在管道200 km位置處的管地電位為3.18 V，整段管道均受到直流干擾的影響，由此可得高壓直流入地電流的影響范圍非常大，因此有必要建立大范圍的干擾計算模型。同時發現，在表層土壤電阻率不同的情況下，管地電位均在±37 km位置處衰減為0，所以管道腐蝕區的長度與位置不受表層土壤電阻率的影響，但是由于管地電位的幅值發生了變化，會影響腐蝕區管道的腐蝕速率。

趙雅蕾等[21]運用邊界元軟件模擬計算結果表明，隨著土壤電阻率和入地電流的增大，管道與接地極間的安全距離也持續增加。當入地電流為5 000 A，土壤電阻率為100 Ω·m時，防護距離高達75 km。同時，趙雅蕾模擬了分段絕緣對HVDC干擾的影響。計算條件如下:在5 000 A的入地電流下，距離管道零坐標15 km和30 km處設置絕緣法蘭，結果顯示15 km處絕緣法蘭兩端電位差為1.21 V，30 km處絕緣法蘭兩端電位差為1.04 V，絕緣法蘭距離接地極越遠，法蘭兩端的電位差越小。因此，可以通過分段隔離措施將干擾區域限定在一定的管段范圍內進行防護，但這會增加對隔離區域外管段的干擾。除此以外，趙雅蕾還對緩解鋅帶的效果進行模擬，結果顯示，隨著鋅帶長度增加，緩解范圍不斷擴大，當鋅帶長度為1，5，10，15 km時，管地電位大幅度下降的范圍接近1，5，10，15 km，因此緩解范圍與緩解鋅帶長度相當。由此可見，緩解鋅帶保護范圍有限，未敷設鋅帶的管段得不到有效緩解。基于以上分析，提出了分段絕緣+陰極保護+緩解鋅帶的綜合防護措施，模擬計算結果顯示，干擾得到有效控制。

數值模擬計算可以為實際工程提供有效指導，但已有的計算研究，尚未考慮到長距離下土壤參數變化對管道的影響，此外土壤的分層也不夠精細，例如河流、山脈、礦脈等地質條件的變化，都會對計算結果造成影響，并且在模擬管道參數的影響時，實際涂層的破損情況、不均勻性等并未充分體現，因此完善接地極參數、管道參數和土壤模型，對計算結果的準確性尤為重要。

4 高壓直流干擾的防護措施

針對一般直流干擾的危害，國內外提出了一些解決方法，這些方法在實際的緩解中也取得較好效果，例如：

(1) NACE SP 0169標準的第9章提出安裝排流裝置、施加陰極保護、調整輔助陽極地床、避開干擾源、提高管道的外防腐蝕層質量以及在被干擾物中安裝絕緣組件等一系列的防護措施[22]。

(2) AS 2832.1標準的第6章提出提高回路的導電性、增大管道對地電阻、安裝絕緣接頭等措施[23]。

(3) BS EN 50162標準的第7章則講述了從干擾源側來減少高壓直流輸電系統雜散電流的干擾，例如輸電方式優先選擇雙極系統、接地極選址盡可能避免產生入地電流、對接地極地表附近相關性能進行測試與計算等[24]。

(4) GB 50991標準為我國制定的一項國家標準，目的為控制直流雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕影響，該標準第6章提出了一些防護措施，包括排流保護、防腐層保護、陰極保護、絕緣層隔離、屏蔽等[9]。

這些方法主要針對一般的直流干擾，但是在面對遠超一般干擾水平的高壓直流干擾時，其有效性需要重新檢驗。在我國，某些地區HVDC干擾的范圍廣、入地電流大且多條輸電線路交叉作用，實際狀況更為復雜，采取一般措施很難達到要求。針對這種嚴重的干擾狀況，一些學者提出了改進思路。

LIU等[25]提出建立連續監測系統和自動調節排流系統，將管地電位的監測結果反饋并自動調節電源輸出，以此將管地電位控制在合理水平。

程明等[26]提出了針對高壓直流接地極干擾的綜合防護方法，包括提高防腐蝕層的完整性；在干線管道上設置絕緣接頭，對管道進行分段隔離；在靠近高壓直流接地極的管道上增設陰極保護站，利用雙向強制排流設備對管道進行強制電流法陰極保護，對不正常的管地電位波動進行糾偏；通過遠程監測系統和腐蝕掛片來監測排流保護效果。該方法的優點在于能對高壓直流接地極提供全面且整體的保護，其安全性和保護效果，均有較大提高。

羅春平等[27]提出了針對高壓直流干擾的緩解方法，通過對管道和高壓直流輸電系統的接地極進行現場調研，測試其管地電位偏移量，在偏移量較大位置安裝緩解系統，開啟智能雙向強制排流器，從而達到緩解干擾腐蝕的效果。需要注意的是，雙向控制存在潛在風險，尤其在抑制管地電位負向偏移時，要強制電流從管道排出，如果不能準確監測管道的電流排出情況，可能會存在加速管道腐蝕的風險，因此該做法目前尚未得到業界的一致認可。

劉玉林等[28]設計了高壓直流影響下新型的管道防腐蝕保護裝置，即新型強排流式管道陰極保護裝置，該裝置采用開關元件、DC-DC技術以及單片機技術，將電網單相電壓變換成直流輸出，并結合反饋系統，自動保持輸出的電壓穩定于設定值，維持地下參比電極與管線之間合理的電位梯度分布，產生最佳防腐蝕效果。

為緩解高壓直流干擾的影響，一些學者提出了改進方案，但這些方案尚未在實際工程中應用，不同方案的適用性尚需要實際工程的驗證。隨著高壓直流干擾問題的日益嚴重，其有效的安全風險評估、監測及防護技術亟待系統研究和實用工程應用的驗證及完善。

5 總結與展望

總結近年來高壓直流接地極對埋地金屬管道干擾問題的研究現狀，可以看到在以下幾個方面尚待研究。

(1) 對HVDC干擾造成埋地管道腐蝕、氫脆及涂層破壞的風險尚待更加系統、全面的研究，也有待現場數據的驗證。盡管近年來現場獲得了HVDC干擾下的干擾參數，實驗室中也獲得了特定土壤中不同干擾下的失重參數、電流密度變化規律和腐蝕產物等，但是關于在不同類型的土壤環境中，HVDC干擾對埋地管道腐蝕過程的作用機制仍缺乏系統研究，此外雖有學者研究了土壤模擬液中管道的氫脆行為,但對于實際土壤環境中HVDC干擾對涂層剝離及氫脆風險的影響仍缺乏系統研究。

(2) 目前，實際生產中缺乏適用于高壓直流干擾的風險評判標準，由于HVDC干擾涉及設備、人員安全、腐蝕、氫脆及涂層剝離等多方面的安全風險，因此HVDC干擾下的綜合風險評判指標有待建立，同時能夠及時捕捉高壓直流干擾風險的現場監測手段也有待進一步完善。

(3) HVDC干擾風險數值模擬預測及防護方案優化設計技術有待進一步完善。由于遭受HVDC干擾的管道長度可達數千公里，相應土壤環境也有較大的變化，對于土壤參數的變化以及土壤分層的準確性，接地極參數、管道參數目前在數值模擬計算中考慮得尚不夠細致，需要進一步完善數值模擬技術，以提高計算的準確性和結果的適用性。

(4) 有效、經濟、實用的HVDC干擾防護技術有待進一步研究，并通過現場實際應用加以驗證。雖然目前已經提出了HVDC干擾的多種防護方案，但由于HVDC干擾風險的評判指標尚未建立，導致防護目標尚未統一，缺乏在實際生產中已經成功實施的HVDC干擾防護方案。