降低高壓直流入地電流對天然氣管道腐蝕的研究

代書龍，劉百爽

（中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

高壓直流輸電系統主要由整流站、逆變站、輸電線路以及接地極組成，正常運行時，主要有雙極運行方式、單極大地回線運行方式以及單極金屬回線運行方式。雙極運行方式中又包含雙極平衡運行以及雙極不平衡運行兩種方式。其中，直流系統處于單極大地回線運行方式以及雙極不平衡運行方式時，大地中會流過強大的入地電流，特別是在單極大地回線方式下，入地電流高達數千安培。

隨著我國西電東送以及西氣東輸工程的大量投產，直流接地極與埋地油氣管道鄰近的情況已不可避免[1-2]。直流接地極對鄰近埋地油氣管道的腐蝕影響和危險影響問題日益突出[3-6]。接地極與天然氣管道的布置示意圖如圖1 所示，d 為接地極與輸氣管道之間的距離，通常接地極為水平雙圓環布置，正常情況下，天然氣管道表面有絕緣涂層，入地電流流經天然氣管道表面時，對管道表面的腐蝕不大，但當管道表面出現破損時，強大的入地電流流經破損點，進而導致金屬管道出現電解腐蝕，且入地電流會在管道上產生感應電壓，電位升高可能對人身安全帶來威脅，電流腐蝕直接影響到金屬構件的壽命，對油氣管道還會帶來其它一系列安全問題[7-9]。因此，如何降低甚至消除接地極入地電流對天然氣管道的腐蝕影響已成為亟需解決的問題。

當前科技工作者的研究主要集中在高壓直流入地電流對天然氣管道影響機理，天然氣管道腐蝕成因等方面，鮮有文獻提出有建設性的降低天然氣管道腐蝕具體措施，而本文的重點正在于對接地極周圍電場分布情況進行深入研究后，提出有效的降低管道腐蝕方法。

本文先對接地極周圍電場在均勻土壤以及不同土壤電阻率中的分布情況進行分析，并根據法拉第電解定律找出與天然氣管道腐蝕相關的物理量，據此提出三種降低天然氣管道腐蝕的具體措施。

圖1 接地極與輸氣管道布置示意圖

1 接地極附近電場分布

若接地極埋設在土壤電阻率均勻的大地中，通過接地極入地電流的電流線是垂直于接地極等效半球體表面向外輻射的，大地中任意半徑為R 的半球表面上各點的電流密度均勻并且相等，示意圖如圖2 所示，大地中任意半徑等效半球體表面的電流密度[10]為：

式中，JR為半球體表面的電流密度，Id為接地極入地電流，2πR2為等效半球體表面積，半球體表面的土壤電位梯度為：

式中：ER為等效半球體表面的電位梯度，ρ為土壤電阻率。不難看出，在相同的入地電流下，半球體表面的電位梯度與土壤電阻率及半球體的半徑密切相關，天然氣管道離接地極越遠，管道上的電流密度越小。此外，若采用深埋接地極的方式，并將接地極由半球體改成球體，則電位梯度變為式（3）表達式，由于半球體變為球體后，表面積增加一倍，對減小電位梯度大有益處，因此可采取深埋接地極的方式裝設接地極。

圖2 均勻土壤中接地極附近電場分布

然而，大地中的土壤電阻率并非完全相同，大地土壤電阻率模型通常可等效為水平多層土壤結構，不同地區的土壤層數以及每層土壤的電阻率及高度均有區別。

圖3 第一層土壤電阻率小于第二層時電場分布

圖4 第一層土壤電阻率大于第二層時電場分布

從接地極流出的電流線經過不同電阻率的分界面時，由于電阻率大的土壤對電流線的阻礙作用更大，因此電流被擠向電阻率更小層的土壤，當土壤電阻率ρ1＜ρ2，電流密度J1＜J2時，第二層土壤電位梯度衰減比第一層慢，如圖3所示。圖形中，ρ1為第一層土壤電阻率，h1為第一層土壤高度，ρ2為第二層土壤電阻率，h2為第二層土壤高度，ρn為第n 層土壤電阻率，hn為第n 層土壤高度。當土壤電阻率ρ1＞ρ2，電流密度J1＜J2時，第二層土壤電位梯度衰減比第一層快，如圖4 所示。若其中一層土壤電阻率相對另一層為無窮大，則電流不流經無窮大層的土壤。

圖5 電流流經絕緣涂層完好管道的電場分布

圖6 電流流經絕緣涂層破損管道的電場分布

2 天然氣管道腐蝕機理

根據法拉第電解定律可知：

m 為天然氣管道在破損點腐蝕的質量，M為被腐蝕的管道摩爾質量，Q 為總的泄露電流電量，n 為管道在發生腐蝕后化合價的變化量，F 為法拉第電解常數，i 為電流，T 為統計時間，JN為管道上等效泄露電流密度，Sd為管道破損點面積。通過法拉第電解定律可知：當管道上通過相同的電量時，管道上沉積的物質的質量與其M/m 成正比；管道上發生反應的物質的量與通過管道的電量成正比。本文主要從降低通過管道上的電量方面展開研究。

輸氣管道表面絕緣涂層完好時，由于絕緣涂層的電阻率大，由接地極流出的電流在土壤中流經管道時可繞過管道流向另一側，如圖5所示，因此管道上的電流密度極小，天然氣管道幾乎不被腐蝕。但當管道出現破損時，由于破損點處出現裸露的金屬導體，而金屬導體的電阻率比土壤電阻率小，因此破損點周圍的電流將大量流向破損點，如圖6 所示，導致破損點的泄露電流密度增大，根據法拉第電解定律可知，管道腐蝕質量也將增大。此外，破損點面積越大時，腐蝕越嚴重。

3 降低天然氣管道腐蝕措施

天然氣管道深埋于大地，管道難以避免的會出現破損情況，由于電位梯度及管道腐蝕質量均與泄露電流密度成正相關關系，減小管道泄漏電流密度便可減小管道的腐蝕，為此，本文提出三種通過人工干預的方式引導從接地極流出的電流，使之偏離天然氣管道的破損點。

由于電流流經不同電阻率的材料時，電流會被擠向電阻率更小的材料，因此若在輸氣管道兩側裝設比土壤電阻率更小的矩形扁鐵，并將兩側的扁鐵用導線連接，由于矩形扁鐵及導線的電阻率比土壤及輸氣管道的電阻率小，由接地極流向輸氣管道的電流將被迫轉移至矩形扁鐵，因此流過輸氣管道的電流將會大大減小，縱然輸氣管道的絕緣涂層存在破損，破損處流過的電流減小后，管道的腐蝕也將減小，從而起到了保護管道的作用。保護原理示意圖如圖7 所示。

此外，若在輸氣管道靠近接地極一側裝設高電阻率材料，由于高電阻率材料對電流的阻礙作用，將引起本應流過輸氣管道的電流方向發生彎曲，偏離原路線，偏離原路線的電流繞過高電阻率材料的同時也繞過了輸氣管道，高電阻率材料同樣對輸氣管道起到了保護作用。其保護原理如圖8 所示。

圖7 管道兩側加裝扁鐵時電場示意圖

圖8 管道靠接地極側裝高電阻率材料時電場示意圖

圖9 接地極與輸氣管道分層布置時電場示意圖

另外，由于大地為多層電阻率土壤結構，而由接地極流出的電流更容易流向電阻率更小的土壤中。因此，若將接地極布置于土壤電阻率小的土壤中，而將輸氣管道布置于高電阻率土壤中，此時高電阻率土壤中的電流密度變小，從而降低了對輸氣管道的腐蝕作用，原理示意圖如圖9 所示，示意圖中以第一層土壤電阻率小于第二層土壤電阻率為例，若第一層土壤電阻率大于第二層土壤電阻率，應將接地極裝設于第二層土壤，而將輸氣管道裝設于第一層土壤。

4 結束語

入地電流流過天然氣管道時，管道的腐蝕主要發生在破損點處，流過管道的泄露電流以及管道破損點面積越大，發生腐蝕的金屬質量越大。

在輸氣管道兩側裝設比土壤電阻率更小的矩形扁鐵，并將兩側的扁鐵用導線連接時，流過輸氣管道破損點的泄露電流密度大大減小，有效保護了輸氣管道。

在輸氣管道靠近接地極一側裝設高電阻率材料，高電阻率材料將迫使電流線偏離原路徑，從而電流線避開了輸氣管道，降低了天然氣管道的腐蝕。

將接地極布置于電阻率低的土壤中，而將輸氣管道布置于電阻率較高的土壤中時，由于電阻率高的土壤中電流密度小，因而可降低入地電流對天然氣管道的腐蝕。