埋地輸氣管道雜散電流干擾分析與防治措施

李剛川

（湖南省華湘天然氣有限責任公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，國內各種高壓輸電網、電氣化交通軌道、變電站等設施大規模建設，埋地鋼質管道的數量也在持續增長[1]。管道的鋪設中經常不可避免的與高壓輸電線路或電氣化鐵路并行或交叉，從而對管道產生雜散電流干擾，甚至形成管道腐蝕穿孔[2]，嚴重威脅著管道的運行安全。因此，及時檢測管道受雜散電流的干擾程度和影響范圍，對避免管道事故的發生具有重要的意義[3-5]。

湖南某天然氣管道采用3PE防腐層和強制電流陰極保護結合的方式實施外腐蝕防護，管道途經區域多次與電氣化鐵路并行、交叉，且管道周邊范圍內存在較為密集的廠礦企業分布，環境復雜。在日常運營過程中，發現管道通電電位波動較大且存在多處管段交流干擾電壓超標，但對于管道沿線斷電電位和整體交流干擾腐蝕情況未能全面掌握，嚴重威脅到管道的安全使用。因此，對管道進行雜散電流的系統檢測并開展排流整改對保障管道安全運行具有重要意義。

1 管線概況

邵東市輸氣管線全長22.87km，該線路全線設置3座站場，其中場站1到場站2為SA線，場站2到場站3為SC線，管線設置一座陰極保護站，陰保站位于站場2內，預置電位為-1.25V，此段管線陰保系統自2018年投運以來，由于受到雜散電流干擾，恒電位儀輸出電流整體較小，輸出電流分布在0.1～0.2A之間。該管道與懷邵衡鐵路（交流電氣化高速鐵路）存在近距離并行、交叉，具體走向如圖1所示。

圖1 邵東線與懷邵衡鐵路位置關系示意圖

2 管道雜散電流干擾檢測方法

針對管道存在直流雜散電流干擾的情況，按照SY/T 0029－2012《埋地鋼質檢查片應用技術規范》，測試采用數據記錄儀uDL2和工作面積為6.5cm2的極化試片，按照每秒采集一組數據，通斷周期設置為通12s/斷3s，對管道沿線進行通/斷電電位和交流干擾電壓測試，根據測試數據分析管道沿線干擾情況，雜散電流干擾測量接線如圖2所示[6]。

圖2 雜散電流干擾測量接線圖

3 交流干擾評價分析

3.1 交流干擾現場檢測

為評價該段管道交流雜散電流的影響程度，全線選擇8處（測量間距2～3km）進行24h連續監測，監測結果表明管道的交流電壓都存在明顯的波動。在8處測試點中，2處管段的交流電壓波動較大（超過15V），為SA04#和SA015#測試樁，交流電壓的最大值為分別為15.92V和17.23V，其管道交流電壓24h監測結果如圖3和圖4所示。

圖3 SA04#測試樁處管道交流電壓-時間曲線

圖4 SA015#測試樁處管道交流電壓-時間曲線

管道交流電壓與時間關系分布圖表明，2處監測點交流電壓均呈現白天交流電壓波動幅度較大，晚上交流電壓穩定的規律，且平均每 5～10min 出現一次尖峰電壓，尖峰值整體均在4V以上，之后迅速回落至0.2V左右，為典型的間歇性干擾，測量時間段管道交流電壓最高達17.23V。另外，需要注意的是，2處測量點的測試時間分別為在6月26日和6月28日，但其交流電壓-時間波形圖具有較大的相似性，即不同位置和時間下管道交流電壓的波動幅度和波動規律具有一定重復性。

現場勘查結果顯示，該管道與懷邵衡高速鐵路存在多處交叉與并行，交叉點有2處（SA023和SC016），并行段長度接近10km（SC029至SC081），平均間距為500m，最近間距為200m（SC042），最遠間距約為1300m（SC029），根據現場對列車通行情況與管道交流電壓變化的對照可知，測試點處在無火車通過時，管道交流電壓穩定，在列車經過前后呈現瞬間增大并回落的變化，形成一個電壓尖峰。電氣化鐵路對管道交流干擾類型主要為電阻耦合式干擾，其特點是管道附近無電力機車時，管道無明顯交流干擾，列車在管段區間運行并靠近測試點時，管道受到干擾，交流干擾電壓迅速上升并達到峰值；當列車駛離管段區間時，管道交流干擾消失[7,8]，表明該管道的交流干擾是由于懷邵衡鐵路與管道交叉并行造成的。

3.2 交流干擾評價

為進一步評價該段管道所受交流雜散電流的干擾程度，對測量范圍內管道交流電壓的最大值、最小值和平均值及交流電流密度進行了統計分析，統計結果如表1所示。

通過表1可知，8處測試點中，SA04、SA015、SA023、SC026和 SC081共計5處管道的最大交流電壓均大于4V，但最大交流電流密度僅SA04和SA015處大于30A/m2，根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》相關規定，當管道的交流干擾電壓不大于4V時，交流干擾程度為弱，可不采取交流干擾防護措施。當交流干擾電壓大于4V且30A/m2＜交流電流密度＜100A/m2時，交流干擾程度為中，應排查干擾來源，采取措施或提出建議消除干擾。同時根據NACE SP0177—2014《減緩交流輸電線路和雷擊對鋼質管道及其腐蝕防護影響的做法》中規定交流電壓最大不應超過15V。在本案例中，僅在靠近管道與懷邵衡鐵路交叉段的SA04和SA015處交流雜散電流干擾程度中且最大電壓超過15V。此外，交流干擾還明顯影響該管道恒電位儀的正常運行，使管道得不到有效的陰極保護。因此為保證管道檢測、維護人員的人身安全，建議對上述二處管段進行交流排流處理，其余6處測試點管道整體交流干擾程度較為微弱，可以不采取防護措施。

表1 管道交流電壓分布范圍與評價統計表

3.3 交流干擾排流整改措施的建議

一般對于已投產管道來說，交流雜散電流的排流通常采取接地的防護措施，而接地排流方式分為直接接地、負電位接地和固態去耦合器接地三種方式，針對本案例，前兩種方式都會對管道陰極保護系統造成影響，而固態去耦合器接地能實現隔直通交，在排除交流雜散電流的同時能有效隔離陰極保護電流[7-9]。因此，在本案例中，選擇交流電壓最大的2處（SA04和SA015）左右的位置采用固態去耦合器 + 排流地床的形式進行排流處置。

排流地床的設置原則是使其接地電阻小于管道接地電阻，為雜散電流提供一個低電阻通道，將雜散電流通過排流地床排出。本方案排流地床采用鍍鋅角鋼與接地扁鐵聯合布置，接地網參數：總尺寸10m×10m，網格大小2m×2m；水平網采用鍍鋅扁鐵50×4mm；垂直接地極為50×50×4mm鍍鋅角鋼，長2m，具體連接如圖5和圖6所示。

圖5 排流接地網示意圖

圖6 排流地床結構示意圖

4 直流雜散電流評價分析

4.1 管道直流干擾現場檢測數據

采用試片斷電法對存在明顯直流干擾的管段進行管道通/斷電電位的24h連續監測，監測結果表明，管道通電電位均存在明顯的波動，其中在SC026-SC051段管道通/斷電電位整體呈現負向偏移，在SC061-SC081段管道通/斷電電位整體呈現正向偏移，如圖7和圖8所示。

圖7 SC026和SC051處管道通斷電位24h變化圖

通過圖7和圖8可以看出，在SC51#測試樁處，管道電位呈現多次較長時間段內的電位負向偏移，最負通電電位達到-1.62V，其最長偏移時間持續約52min，在SC061-SC081段管道電位則呈現正向偏移，有2處管道通電電位正向偏移較大，在SC061#測試樁處，最正通電電位達到0.4V，最正斷電電位達到-0.56V，其通電電位的波動幅度為1.35V，最長偏移時間持續約95min，在SC069#測試樁處，最正通電電位0.37V，最正斷電電位-0.62V，最長偏移時間持續約115min，表明管道存在明顯的直流雜散電流干擾，SC026-SC051段為管道雜散電流干擾的陰極區（流入電流），SC061-SC081段為管道雜散電流干擾的陽極區（流出電流）。

圖8 SC061至SC081段3處管道通斷電位24h變化圖

直流雜散電流的來源一般有直流高壓輸電（ HVDC）系統、直流牽引運輸系統及其他直流系統如直流電解系統、直流電焊系統、管道的外加電流保護系統等。該管道電位的變化趨勢類似于直流高壓輸電（ HVDC）系統接地極放電所引起管道電位的變化[10,11]，即一段時間內管道電位呈現正向或負向的變化趨勢。因此本管道干擾源可能為某接地裝置工作放電所導致，通過現場調查與資料查閱，該管道附近無直流接地極或其他大型電鍍工廠，具體干擾源還需進一步測試分析。

4.2 直流干擾的危害與評價

在5處測試點中，管道通/斷電電位明顯正向偏移，且在受干擾和未受干擾的時間段內，管道斷電電位均不滿足-850mV陰保準則，這可能是由于該段管道處于恒電位儀的末端，陰極保護效果逐漸減弱和雜散電流干擾的綜合效果所導致。同時在SC061-SC081段管道主要為雜散電流的流出端（陽極區），雜散電流排出點集中在界面電阻小、易放電的局部位置，導致破壞性極強，在長時間段的電流流出下，管道運行短時間內即可導致管線發生腐蝕穿孔[12]。

為進一步明確陰保不達標段與雜散電流流出段管道的腐蝕風險，按照GB/T21246-2020提出在雜散電流干擾的區域需要采用試片法對陰極保護效果及干擾程度進行評判的原則，選取與管道材質相同（X45）的極化試片（試片面積6.5cm2）于SC026#和SC069#測試樁處與管道進行連接后進行了埋設，埋設時間共計6個月。開挖檢測結果如圖9所示，從圖中可以看出，試片均出現了較為嚴重的腐蝕，在SC026處，試片表面整體呈現絮狀的腐蝕結構，腐蝕面為較大創面的均勻腐蝕，腐蝕產物主要為紅褐色及少量的黑色沉積物，與基體結合較為松散，判斷腐蝕產物絕大部分為鐵的氧化物以及含有少量的鐵的硫化物[13]；在SC069處，試片表面出現了明顯的點蝕，點蝕坑呈現為蜂窩狀的散點分布，創面光滑、并伴隨有金屬光澤，局部腐蝕較為嚴重，最大的腐蝕坑深度約1.1mm，由此可知，在管道陰極保護不達標且存在直流雜散電流干擾時，管道存在嚴重的腐蝕風險。因此，按照 GB50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》，已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施。

圖9 SC026和SC069處試片腐蝕形貌圖

4.3 直流雜散電流干擾治理建議

管道通/斷電電位的監測結果表明，本段管道受到不同程度的直流干擾且管道本體存在較為嚴重的腐蝕風險，為確保管道的運行安全，應進行直流雜散電流排流。直流雜散電流排流有直接排流、極性排流、強制排流和接地排流四種方式。根據本管道受干擾情況調查，基本確定為某接地體裝置放電所導致，但未能準確確定干擾源位置，同時管道正向偏移段主要出現在該管道的末端，因此，排流方式建議在管道的末端增設強制排流的方式，給予管道施加陰極保護電流，從而抑制管道電位的正向偏移，降低管道的腐蝕風險。另外，SC061-SC069段為雜散電流流出嚴重段，在陰保站啟用后進行24h電位監測，并根據監測結果對部分不達標段補設鎂合金犧牲陽極作為陰極保護補充措施。

5 排流效果評價

5.1 交流排流效果評價

為進一步明確該排流措施的效果，在對SA04和SA015測試樁處采取固態去耦合器加接地網的排流措施后，進行24h管道交流電壓的監測，監測結果如圖10所示。從圖中可以看出，2處排流整改點交流電壓較排流前均大幅降低，其中SA04#測試樁處最大交流電壓由15.92V降低至4.15V，SA015#測試樁處最大交流電壓由17.23V降低至6.59V。同時，排流后最大交流電流密度均小于30A/m2，交流干擾程度均為“弱”，均滿足管道交流干擾防護效果評價指標。

圖10 SA04和SA015#測試樁處整改后管道交流電壓-時間變化圖

5.2 直流整改效果評價

為明確在距離SC081#測試樁約1.2km的管道末端新增陰保站后管道沿線陰保電位分布情況和保護范圍，初步采用饋電法進行排流效果的模擬試驗，在末端恒電位儀開啟后（設置預置電位-1.4VCSE），對管道雜散電流流出段SC061-SC081段管道通/斷電電位進行24h監測。監測結果表明，該段管道斷電電位基本都能達到-850mV的標準要求，僅在SC061#測試樁處仍有部分時間點管道電位處于不達標狀態，可能是由于該處干擾較大且距離末站陰保站較遠所導致，因此在SC61#測試樁建議進一步采用鎂陽極極性排流的方法進行熱點保護。

6 結語

（1）24h的通/斷電電位數據檢測表明，所測地點部分管道陰極報電位未達到標準要求，管道長期處于陰極保護欠保護狀態，需及時采取整改措施；

（2）交流干擾檢測結果顯示，管道受到電氣化鐵路影響，存在明顯的交流雜散電流干擾，交流干擾峰值出現在電氣化鐵路與管道交叉處，最大交流電壓超過17V，需要交流干擾防護措施；

（3）管道通/斷電電位測試結果明確了管道雜散電流的流入流出點，在SC061-SC081段管道呈現多段時間的電位正向偏移，為雜散電流流出點，持續最正通電電位達到了0.4V，持續最正斷電電位達到了-0.56V，持續時間最長達到了115min，存在明顯的直流雜散電流干擾；

（4）交流排流整改結果表明，采用固態去耦合器加排流接地網的方式，有效的降低管道的交流干擾，達到管道交流干擾防護效果評價指標。饋電試驗結果結果表明，在管道的末端采取強制排流措施后，大部分管道斷電電位能達到標準的要求，直流干擾程度能有效控制在可接受范圍之內。