數值模擬海底電纜對沉海油氣管道的交流干擾風險

梁 毅,杜艷霞,謝絲莉

(北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083)

目前，全球競相發展新能源產業，而海洋領域的新能源開發更是占據著極其重要的地位，海底電纜作為沿海島嶼與城市之間電力與通信的重要傳輸手段，其重要性不言而喻。對于擁有長達1.8萬km海岸線，超過6 000個大小島嶼的中國來說，海底電纜的需求量十分巨大。近年來，隨著我國海洋開發的大力推進以及海洋漁業的發展，沿海人民對電力、通訊的需求不斷增加。另外，我國淺海不斷發現新的油氣田，海上石油平臺通訊、供電、勘探，海上風電場的建設、海洋漁業的發展等進一步增大了海底電纜的需求[1-4]。我國海底電纜行業的蓬勃發展使海底電纜與沉底管道發生長距離并行或多次交叉的可能性增大，易形成長距離的共用走廊帶。而大量的架空高壓輸電線與埋地管道的研究表明[5-8]，與埋地金屬管道并行的高壓輸電線路會通過電磁感應、電阻耦合等方式在埋地管道上感應出交流電壓和電流，對管道造成交流干擾，從而對管道產生不可忽視的危害，如會引起交流腐蝕，導致管道穿孔泄漏，影響陰極保護系統的正常運行，造成保護電位不滿足保護要求，犧牲陽極發生“極性逆轉”等問題,同時還會對工作人員產生電擊危害，嚴重威脅工作人員的人身安全[9-10]。但是，由于海底電纜在近些年才開始迅猛發展，海底電纜對沉底油氣管道的交流干擾還缺乏相關的研究，針對海底電纜對鄰近油氣管道干擾的影響尚未明確。

本工作構建了海底電纜與沉海油氣管道的電磁干擾數學模型，通過模擬計算考察了海底電纜對油氣管道的交流干擾風險及影響因素，為海底電纜敷設提供一定的參考以保障相鄰管道的正常運行。

1 計算模型建立與參數設計

圖1顯示了用于模擬計算的海底電纜與沉海油氣管道(以下稱管道)的幾何模型，管道全長約20 km，海底電纜全長約17 km，海底電纜與管道并行約7 km，管道在左側(E點)登陸后有絕緣接頭。海底電纜為交聯聚乙烯絕緣單芯光電復合海底電纜，三相電纜分別來源于不同的廠家，但可以將海底電纜結構進行簡化，如圖2所示。

圖2 簡化后海底電纜結構Fig.2 Structure of submarine cable after simplification

利用電磁干擾模擬軟件(CDEGS)模擬計算常態運行下海底電纜對管道干擾情況。管道、海底電纜以及環境特性參數如表1所示。在后續的計算中，保持這些參數不變。

根據上述條件，建立數值模擬的計算模型，在計算管道的交流電流密度時，可采用公式法和模擬真實破損法兩種方法進行模擬。

公式法是通過模擬計算獲得的交流干擾電壓和GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中電流密度的計算公式，如式(1)所示，計算管道上電流密度分布。

表1 計算模型中的恒定參數設置Tab. 1 Constant parameter settings in calculation model

(1)

式中：JAC為評估的交流電流密度，A/m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率(取測試點處管道附近土壤電阻率的實測值)，Ω·m；d為破損點直徑，按發生交流腐蝕最嚴重時的考慮，取0.011 3 m。

模擬真實破損法是在具有某一特定涂層面電阻率的管道涂層表面均勻繪制破損點，使得該管道涂層面電阻率達到預定值，通過計算破損點流出的電流，獲得管道上的電流密度分布。

以上兩種數值模擬方法的計算結果如圖3所示。結果顯示，公式法與模擬真實破損法得到的交流電流密度相差不大。因此，交流電流密度的后續運算均采用公式法進行計算。

圖3 兩種數值模擬方法的計算結果對比Fig.3 Comparison of calculation results by two numerical simulation methods

參考BS EN 15280-2013《應用于陰極保護埋地管道的交流腐蝕可能性評價》及BS ISO 18086-2015《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護等級》中關于使用交流電流密度判斷交流干擾的標準，根據計算獲得的交流電流密度對油氣管道受交流干擾的程度進行評估。

表2 交流干擾程度的判斷指標Tab. 2 Assessment criteria of AC interference degree

2 模擬計算結果及影響因素分析

以海底電纜與沉底管道的基本參數及所處環境的特性參數為基礎，構建計算模型，通過CDEGS進行數值模擬計算，分析常態運行下海底電纜對鄰近管道的干擾，考察了海底電纜負載電流不平衡度、海底電纜與管道的間距、海底電纜外被層面電阻率以及海底電纜的接地方式等對管道干擾情況的影響。

2.1 海底電纜負載電流不平衡度的影響

根據構建的模型，此時海底電纜與管道的間距為200 m，海底電纜接地方式為兩端三相互連接地。當常態運行負載電流為1 411 A，負載電流不平衡度為4%時，三相電流的最大負載電流為1439A(上浮2%)，最小負載電流為1 383 A(下降2%)，在6種電流分配情況下,如表3所示，計算管道受干擾的情況，結果如圖4所示。結果顯示，不平衡度為4%時，三相電流中各相實際負載電流的差異是引起管道干擾程度不同的原因。其中當A相實際電流(IA)為1 411 A，B相實際負載電流(IB)為1 383 A，C相實際負載電流(IC)為1 439 A時，管道的交流干擾電壓和交流電流密度都達到最大，分別為0.38 V和56.60 A/m2。當A相實際電流為1 411 A，B相實際負載電流為1 439 A，C相實際負載電流為1 383 A時，管道受干擾的程度最小，此時管道的最大交流干擾電壓為0.13 V，最大交流電流密度為19.82 A/m2。由此可見，負載電流在三相中分配的不同會導致管道受干擾程度存在明顯的差異。

表3 負載電流不平衡度為4%時三相電流中各相電流的分配情況Tab. 3 Current distribution in three phase current at load current imbalance of 4%

(a) 交流干擾電壓(b) 交流電流密度圖4 常態負載電流不平衡度為4%時管道的交流干擾電壓和交流電流密度Fig.4 AC interference voltage (a) and AC current density (b) of pipeline at load current imbalance of 4%

改變負載電流不平衡度進行計算，當負載電流不平衡度為2%和1%時，管道的交流干擾電壓隨負載電流分配情況的變化規律與負載電流不平衡度為4%時的相似。當A相實際電流為1 411 A，B相實際電流最小，C相實際電流最大時，即海底電纜三相中的實際電流滿足IC≥IA>IB時，管道受交流干擾程度最高；當A相實際電流為1 411 A，B相實際電流最大，C相實際負載電流最小時，即海底電纜三相中的實際電流滿足IB>IA≥IC時，管道受交流干擾程度最低。

圖5展示了在3種負載電流不平衡度及不同電流分配方式下管道的最大交流干擾電壓。其中，負載電流的不平衡度及其分配方式如表4所示。結果表明，隨著負載電流不平衡度的增加，管道的受干擾程度增加。當不平衡度由4%降低為2%時，不同的負載電流分配方式下管道交流干擾電壓降低的程度略有不同，為15%～33%；當不平衡度由2%降低為1%時，不同的負載電流分配方式下管道交流干擾電壓降低程度亦不大相同，為17%～23%。

圖5 不同方式下管道的最大交流干擾電壓Fig.5 Maximum AC interference voltage of pipeline under different modes

2.2 海底電纜與管道間距的影響

選取負載電流不平衡度為1%的情況，參考不平衡度的模擬計算結果，選擇A相電流為1 411 A，B相電流為1 396.9 A，C相電流為1 411 A的條件，保持海底電纜接地方式為兩端三相互連接地，改變海底電纜與管道間距，對管道受干擾程度的影響進行模擬計算，結果如圖6所示。結果表明，當海底電纜與管道的間距為50m時，管道的最大交流干擾電壓為0.96 V，最大交流電流密度為142.3 A/m2；當海底電纜與管道的間距增大至300 m，管道的最大交流干擾電壓降到0.10 V，最大交流電流密度降低到15.5 A/m2，減低幅度約為89.6%。

表4 不同方式下負載電流不平衡度及各相中電流分配情況Tab. 4 Current distribution in different phases and load current imbalance under different modes

由此可見，隨著海底電纜與管道間距的增大，管道的交流干擾電壓與交流電流密度減小，管道最大交流干擾電壓降低幅度隨海底電纜與管道間距的增大而減小，擬合得到二者的關系，用式(2)表示，擬合曲線的擬合優度R2為0.997 7，結果如圖7所示。

(a) 交流干擾電壓 (b) 交流電流密度圖6 海底電纜與管道間距對管道干擾的影響Fig.6 Effects of distance between submarine cable and pipeline on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

U=1.65-0.017×L+6.74×10-5×L2-

0.93×10-8×L3

(2)

式中：U表示管道的最大交流干擾電壓，V；L表示海底電纜與管道的間距，m。

2.3 海底電纜外被層面電阻率的影響

海底電纜的簡化結構如圖2所示，海底電纜鎧裝的外被層主要用來抵抗外界的機械作用，如海流和沙石的沖擊等，其質量是影響海底電纜使用壽命的重要因素[11]，常用黃麻繩、聚丙烯繩以及瀝青等作為海底電纜外被層材料。且隨著海底電纜的發展，其外被層材料越來越多元化，因而有必要考察海底電纜外被層面電阻率對鄰近管道交流干擾的影響。以下從電絕緣角度比較了海底電纜外被層材料對管道干擾的影響。保持海底電纜的負載電流條件不變，參考海底電纜與管道間距對管道干擾影響的計算結果，選取管道交流電流密度為30 A/m2、海底電纜與管道的間距為210 m，構建計算模型，計算海底電纜鎧裝外被層面電阻率對管道干擾的影響，結果如圖8所示。結果表明，海底電纜外被層面電阻率對管道干擾的影響較大，管道的交流干擾電壓及交流電流密度隨外被層面電阻率的增大而增大，當外被層面電阻率達到30 Ω·m2時，管道的最大交流電流密度超過30 A/m2，管道存在一定的交流腐蝕風險。

管道最大交流干擾電壓與外被層面電阻率關系可以用式(3)來擬合，擬合后曲線如圖9所示。由圖9可見，當外被層面電阻率增大到一定程度時，管道最大交流干擾電壓的增幅減小，擬合曲線的擬合優度R2為0.996 5。

圖7 管道最大交流干擾電壓隨海底電纜與管道間距的變化曲線Fig.7 Relationship of maximum AC interference voltage of pipeline and distance between submarine cable and pipeline

U=0.1×ρ0.2

(3)

式中：U為管道最大交流干擾電壓，V；ρ為海底電纜外被層的面電阻率。

(a) 交流干擾電壓(b) 交流電流密度圖8 海底電纜外被層面電阻率對管道干擾的影響Fig.8 Effect of surface resistivity of outer layer of submarine cable on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

圖9 管道最大交流干擾隨海底電纜外被層面電阻率的變化曲線Fig.9 Relationship of maximum AC interference voltage of pipeline and surface resistivity of outer layer of submarine cable

2.4 海底電纜接地方式的影響

保持海底電纜的負載電流條件不變，參考海底電纜與管道間距對管道干擾影響的計算結果，選取海底電纜與管道的間距為210 m，且海底電纜E點的接地電阻為1 Ω，G點的接地電阻為10 Ω，構建計算模型，計算海底電纜接地方式對管道干擾的影響。海底電纜接地方式主要分為兩種，如表5所示。

分別計算這兩種接地方式下，海底電纜對管道干擾的影響，結果如圖10所示。計算結果顯示：三相分別接地方式對管道交流干擾的影響遠大于三相互連接地方式的，當接地方式為三相互連接地時，管道受到的交流干擾程度較低，當接地方式為三相分別接地時，管道受到的交流干擾程度較高，由三相互連接地轉變成三相分別接地時，管道的最大干擾電壓增大了將近6倍。

表5 海底電纜的接地方式Tab. 5 Grounding mode of submarine cable

(a) 交流干擾電壓 (b) 交流電流密度圖10 海底電纜的不同接地方式對管道干擾的影響Fig.10 The effect of different grounding mode on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

通過模擬計算，分別獲取了兩種接地方式下，海底電纜兩端接地極的泄漏電流，如表6所示。由此可見，當接地方式為三相互連接地時，海底電纜兩端接地極的泄漏電流很小，三相間的鎧裝和護套通過接地極形成回路，電流在此回路中形成環流，海底電纜通過接地極流向大地的電流較小，通過阻性耦合作用對管道形成阻性耦合的干擾程度較低，從而導致管道的交流干擾電壓較低；當接地方式為三相分別接地時，海底電纜兩端接地極的泄漏電流較大，海底電纜通過接地極流向大地的電流較大，通過阻性耦合作用對管道形成較大的交流干擾，使管道存在一定的交流腐蝕風險。

表6 海底電纜兩端接地極的泄漏電流Tab. 6 Leakage current of grounding electrode of submarine cable

3 結論

(1) 海底電纜負載電流的不平衡度對沉海油氣管道干擾的影響較大，隨著負載電流不平衡度的增加，管道的交流干擾電壓及交流電流密度均隨之增加，且同一負載電流不平衡度下，管道的受干擾程度亦隨負載電流分配方式的不同呈現出差異性，當三相中實際負載電流為IC≥IA>IB時，管道的交流干擾風險最大。

(2) 海底電纜與管道的間距對管道干擾影響很大，隨間距的增大，管道的交流干擾電壓與交流電流密度隨著減小。

(3) 海底電纜外被層面電阻率是影響管道受干擾程度的重要因素之一，隨著海底電纜外被層面電阻率的增大，管道的交流干擾電壓與交流電流密度隨之增大，故海底電纜外被層面電阻率應盡可能小，以避免管道遭受交流腐蝕的風險。

(4) 海底電纜采用不同的接地方式時，管道受干擾程度有所差異，當海底電纜采用三相分別接地時，管道受干擾程度較大，由三相互連接地轉變成三相分別接地時，管道的最大干擾電壓增大了將近6倍。