地磁暴對輸油管道雜散電流的影響

楊永明

摘 要：本文通過對東黃老線停運管道進行分析試驗，驗證了東黃復線管道不達標管段與地磁暴之間的關系，結果表明：地磁暴對東黃復線輸油管道保護電位的影響較小，此外，東黃復線欠保護與動態直流雜散電流干擾、地磁暴無明顯的因果關系，還需從防腐層、陰極保護電流流失方面做進一步檢測。

關鍵詞：陰極保護;雜散電流;地磁感應電流（GIC）;管地電位;地磁擾動（GMD）

腐蝕是引起埋地管道破壞和失效的主要原因之一，金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，雜散電流腐蝕是金屬電化學腐蝕中危害最為嚴重的一種。

雜散電流又稱迷流，是指在規定的電路之外流動的電流，由雜散電流而引起的金屬腐蝕為雜散電流腐蝕。根據雜散電流的來源，腐蝕主要有三種類型。①直流雜散電流腐蝕，電流來源于軌道交通供電系統、陰極保護系統等直流電源;②交流雜散電流腐蝕，電流來源與高架交流電線等交變電流源;③地球磁場影響，屬于一種自然界的現象，由于地球磁場而引起的雜散電流[1]。根據雜散電流幅值和電流流經路徑是否隨著時間發生變化，直流雜散電流可進一步分為靜態雜散電流和動態雜散電流兩種[2]。

因地球本身存在磁場，管道為金屬管道，根據感應電流的成因，地球磁場會在管道中形成感應電流，可能會對管道保護電位產生影響，本文通過在東黃老線上的科研試驗，分析地磁場對東黃復線的影響。

1 地磁暴監測數據分析

為驗證東黃復線管道不達標管段與地磁暴之間的關系，對東黃老線停運管道進行分析試驗，根據檢測結果進行類比分析研究（東黃復線為在運管道，公司相關規定要求不得在在運管道上進行科研試驗）。本次選取了中國地震局地質預測研究所安丘地磁臺提供的地電場監測數據（東西分量，西向為正）與東黃老線輸油管道GIC（地磁感應電流）及PSP管地電位數據進行對比分析，安丘地磁臺與昌邑輸油站和西里固陰保站的距離分別為28.5km、24.3km，是目前與兩管道監測點距離最近的地電磁場監測臺站（東黃老線和東黃復線輸油管道整體并行，之間的最大距離為10km）。安丘地電場（b）、昌邑管道GIC（c）、昌邑管道PSP（d）和西里固管道PSP（e）。為便于分析，Dst指數及管道測量數據的水平坐標已統一為世界時間。

1.1 西里固陰保站PSP觀測

據中國科學院空間環境研究預報中心報道，受2017年9月4日和6日全暈日冕物質拋射的持續影響，8日地磁有9小時達到大磁暴水平，3小時中等磁暴水平，9小時小磁暴水平，最高Kp指數達到了8，本次磁暴屬于急始型大磁暴事件。

機理分析結果表明，管道GIC可引起PSP量值的偏移，東黃老線管道GIC和西里固管道PSP的相關性并不明顯，導致這一測量結果的原因是：西里固陰保站現場維護人員定期切換兩臺恒電位儀，這一操作會導致1#設備時而工作時而停止，在1#設備工作時，PSP測量值以1#設備輸出的預設電位為基準，隨著GIC的變化而變化;而在切換至2#設備時，由于儀器故障原因，PSP測量值則為管地自然電位。根據陰保站人員現場切換時間，本文將西里固PSP數據劃分為5個時段，并求出每段時間內PSP與昌邑管道GIC的數據線性相關系數 ，這一測量結果說明地磁暴感生的管道GIC可導致PSP偏移，對管道的腐蝕態勢產生影響;在恒電位儀的作用下，PSP的偏移量不僅與GIC有關，而且與恒電位儀的輸出電位變化量有關;同時驗證了測量儀器的可靠性。

1.1.2 GIC量值分析

7日12：00至7日23：00期間，屬于GMD強度較小的時段，因此昌邑管道GIC量值基本穩定在3A左右，無強烈波動。7日23：00至9日00：00期間，屬于磁暴期間，經分析可得，每次Dst指數的快速下降，都會帶來GIC的劇烈波動，且在Dst指數下降最快的4小時內（即7日23：00至8日03：00），產生了本次磁暴期間GIC的最小值0.16A（時間：8日00：02）和最大值7.88A（時間：8日00：28），在8日13：00至19：00也出現了多次峰值。

1.1.3 PSP量值分析

與GIC相似，昌邑輸油站中監測的PSP，在7日12：00至7日23：00期間波動較小，基本穩定在-1.1V左右，在7日23：00至9日00：00期間，昌邑PSP值基本在-1.00V至-1.20V之間變化，但波動十分劇烈。在7日23：00至8日04：00之間，PSP正向偏移量多次超過100mV，負向偏移量最大值達到128mV。

西里固陰保站中監測的PSP在7日12：00至7日14：00期間，PSP未出現明顯波動，在7日23：00至9日00：00期間， PSP的波動幅值較高，由地磁暴造成的正向偏移量多次超過100mV，負向偏移量最大值達到392mV。同時在儀器故障瞬間的PSP偏移也十分嚴重。

1.1.4 危害分析

我國埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準GB 50991-2014規定，管道PSP正向偏移20mV時可確認有直流電流干擾，管道PSP正向偏移100mV時必須采取排流或其他防護措施。PSP數據分析結果表明：

（1）地磁擾動較小期間，昌邑管道PSP和西里固管道PSP偏移量水平在20mv以下，通電電位和斷電電位都在陰保電位標準范圍內，無需進行排流保護。

（2）大磁暴期間，昌邑輸油站和西里固陰保站的PSP正向偏移量都多次超越應采取排流措施的限值，可見在本次磁暴侵擾下兩監測點附近的管道產生了較嚴重的正向偏移，負向偏移量仍未超過限值。

PSP的監測結果表明，2017年9月7日至9日期間的強烈地磁擾動引起了管道保護電位的正向偏移，未造成管道的負向偏移。

磁暴期間，雖然會造成管道保護電位的波動，但恒電位儀的保護作用可以將波動控制和限值以內，不會造成管道電位的劇烈變化。

2 結語

通過對地磁暴對管道影響的研究，發現正常情況下地磁暴對管道的保護電位干擾影響很小，在地磁暴較為嚴重的時候因恒電位儀的保護，管道保護電位的變化幅度也在正常的范圍以內，地磁暴不是該段管道陰保不達標的主要影響因素。

東黃復線壽光至昌邑段管道欠保護原因從本文研究看，與動態直流雜散電流干擾和地磁暴干擾無明顯聯系。排除以上管道外界影響因素后，管道電位不達標的原因集中在管道本身，即防腐層的狀況，下一步的工作重點要針對防腐層的情況進行檢測、分析。

參考文獻：

[1] 馮洪臣. 管道陰極保護設計-設計、安裝和運營[M]. 北京： 化學工業出版社，2015.

[2] 陳志光，秦朝葵，張揚竣. 軌道交通雜散電流腐蝕研究現狀[J]. 世界科技研究與發展，2010，32（4）：497-500.