高壓直流接地極對埋地管道腐蝕影響及防護措施研究

楊天雪

華北油田公司第四采油廠,河北廊坊 065000

我國的一次能源產地和主要的負荷中心分布不均勻、不平衡，能源主要集中在西部，而負荷中心集中在中、東部地區，因此西氣東輸、西電東送等一系列大型的能源線路工程應運而生[1-2]。在最初的工程設計中，高壓直流輸電系統（HVDC）與油氣管道多采用相互避讓的方式以減少相互影響程度，但隨著線路工程里程的不斷增加，受限于土地資源和沿線地形條件，兩者存在交叉或并行的現象越來越多。根據HVDC的特性，其接地極對周邊油氣管道和金屬構筑物會產生強烈的直流雜散電流干擾，當干擾電壓超過4 V時，會造成閥室內絕緣卡套或引壓管燒毀；當干擾電壓超過人體安全電壓時，還會造成人身傷害[3-4]。古彤等[5]從管道材質、土壤電阻率、土壤pH值等方面分析了接地極對管道腐蝕的影響，并為后續腐蝕研究提供了基礎數據；李想等[6]討論了接地極對恒電位儀的影響，并分析了絕緣接頭的防護效果；朱鈺等[7]分析了不同入地電流情況下的管道電位、電流密度和腐蝕速率的分布情況；張良等[8]對800 kV的特高壓直流入地電流進行了分析，對多種陰極保護技術的有效性進行了測試。以上研究成果對于研究高壓直流接地極對埋地管道的腐蝕影響具有重要意義，但大多只涉及接地極的單一放電方式，且未研究接地極與管道空間位置之間的關系。基于此，采用電位遠程監測系統對接地極附近的埋地管道進行長時間通/斷電電位監測，考察接地極陽極放電和陰極放電對管道電位的影響，并針對干擾情況提出防護措施，以期為減緩管道直流干擾提供實際參考。

1 工程概況

1.1 接地極情況

以某±800 kV HDVC輸電工程為例，直流接地極采用雙跑道型方式設計，內外環的半圓直徑分別為360 m、420 m，內外環的直線段均為360 m，內環埋深3.5 m，外環埋深4.5 m，內外環采用焦炭填充。設計性能中額定電流4 540 A，最大電流8 500 A。

1.2 管道情況

管道1全長243 km，管道規格為D1 016 mm×13 mm；管道2全長104 km，管道規格為D813 mm×10 mm。管材均為X65管線鋼，采用3PE防腐層結構和外加電流陰極保護。管道1和管道2中的站場和閥室進出站均有跨接線，將上下游管道連接起來，因此所有管道處于電連接狀態。接地極與管道1的垂直距離為7 km，與管道2的垂直距離為15 km，在沿線設置管道監測點，管道1共有13個監測點，管道2共有9個監測點，接地極與電位監測點的相對位置見圖1。

圖1 接地極與管道相對位置示意

2 試驗方法

采用電位遠程監測系統，在選定的管道測試樁處安裝電位監測終端，將試片通過電位監測終端與管道相連，將采集到的通/斷電電位通過無線傳輸網絡上傳至后臺服務器，再通過HMI人機界面實時查詢接地極對管道的干擾情況。試片采用與管道相同的材質，暴露面積6.5 cm2，采用銅/飽和硫酸銅（CSE）作為參比電極。

為了更好地研究接地極放電過程對管道的腐蝕情況，在室內進行土壤腐蝕性測試。采用三電極體系，使用電化學工作站測試極化曲線，工作電極為X65試片，暴露面積6.5 cm2，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。電解質采用管道埋深附近1.5 m處的土壤。

3 結果與討論

3.1 管道干擾監測結果

由2020年5月20日-11月20日（共6個月）的監測數據（見表1）可知，共檢測到15次干擾，總干擾時長約為417 h（17.4 d）；其中，最長的一次干擾持續時間為80 h 26 min，半年的干擾總時長已超過設計文件的要求（全年接地極放電時長不超過3.65 d）；第5、10、14次的干擾較為嚴重，放電電流均為3 600 A，已達到額定電流的80%。

表1 接地極干擾時長與放電方式統計

3.2 管道電位監測結果

在此，以第5次干擾接地極陽極放電和第14次干擾接地極陰極放電為例，分析管道通/斷電電位的分布情況。接地極陽極放電時，管道1和管道2未受干擾和受干擾時的通/斷電位分布分別見圖2和圖3。管道未受干擾時，管道1和管道2的管道電位波動較小，其斷電電位均在-1.2～-0.85 V之間，即處于良好的陰極保護狀態。接地極陽極放電后，管道1靠近接地極的5號監測點附近（約35 km的范圍內）電位出現負移，通電電位中最負電位為-10.8 V，監測范圍內管道1其余部分的電位出現正移，通電電位中最正電位出現在10號監測點，為4.2 V，已超過絕緣卡套、引壓管燒燭安全的電位差要求；在遠離接地極的11、12、13號監測點的通/斷電電位均出現回落，說明直流干擾的影響范圍有限。管道2在靠近接地極的1號監測點附近（約49 km）的電位出現負移，通電電位中最負電位為-12.2 V；在遠離接地極端的管道電位出現正移，通電電位中最正電位為2.2 V。通過電位的偏移情況可以判斷：當接地極陽極放電時，電流在靠近接地極端的管道防腐層破損處流入，此位置為雜散電流的流入點，遠離接地極端的管道位置為雜散電流的流出點，流出區域為腐蝕嚴重區域。

圖2 管道1電位分布情況（陽極放電）

圖3 管道2電位分布情況（陽極放電）

接地極陰極放電時，管道未受干擾和受干擾時的通/斷電電位分布見圖4、圖5。接地極陽極放電后，管道1靠近接地極的5號監測點附近約37 km的范圍內電位出現正移，通電電位中最正電位為1.5 V，監測范圍內管道1其余部分管段的電位出現負移，通電電位中最負電位出現在1號監測點，為-3.2 V；管道2在靠近接地極約55 km的電位出現正移，通電電位中最正電位為3.8 V，在遠離接地極端的管道電位出現負移，通電電位中最負電位為-2.9 V。通過電位的偏移情況可以判斷：當接地極陰極放電時，電流在遠離接地極端的管道防腐層破損處流入，此位置為雜散電流的流入點，靠近接地極端的管道位置為雜散電流的流出點，流出區域為腐蝕嚴重區域。

圖4 管道1電位分布情況（陰極放電）

圖5 管道2電位分布情況（陰極放電）

通過對比接地極不同放電方式對兩條管道的電位影響可以看出，靠近接地極端管道的受干擾程度遠大于遠離接地極端的管段，且越接近接地極受干擾程度越大，但兩條管道的雜散電流流入流出機制不同。其中，管道1分為三個雜散電流流入、流出段，管道中間和兩端互為流入流出段；管道2分為兩個雜散電流流入、流出段，管道兩端互為流入流出段。此外，接地極距離管道1的垂直距離較管道2近，越靠近接地極端則雜散電流流入和流出管段越短。管道2與接地極之間的距離大于10 km，雖然滿足DL/T 5224—2014《高壓直流輸電大地返回系統設計技術規范》的相關要求（接地極與地下金屬管道的最小距離應大于10 km），但仍然存在較大的直流干擾。

3.3 腐蝕速率計算

取接地極附近的土壤，在室內測試極化曲線，將結果中的電位轉化為CSE電位，見圖6。

圖6 極化曲線

由圖6可見，X65管線鋼的自腐蝕電位為-0.515 V。在接地極采用單極金屬導線回路或雙極運行時（即接地極不放電），管道斷電電位均在-1.2～-0.85 V之間，此時管道處于陰極極化區間，腐蝕性大幅減弱，管道處于較好的保護狀態。以管道1為例，在接地極陽極放電后，靠近接地極端的管道斷電電位的最大負移為-1.6 V；在接地極陰極放電后，靠近接地極端的管道斷電電位的最大正移為0.5 V。對應極化曲線，得到自腐蝕電位為-1.6 V時仍然在陰極極化區，而自腐蝕電位為0.5 V時，已經進入陽極極化區，兩者對應的電流密度分別為0.12 mA/cm2和0.78 mA/cm2。

當直流雜散電流導致的反應只有陽極溶解反應，且外加電流遠大于金屬本身的交換電流密度時，外加電流與金屬腐蝕速率之間遵循法拉第定律[9-10]，見下式：

式中：h為腐蝕深度，cm；A為相對原子質量，取56；i為陽極電流密度，A/cm2；t為陽極作用時間，s；n為反應化學價，取2；ρ為金屬密度，7.85 g/cm3；F為法拉第常數，96 500 C/mol。

接地極的放電時間按照表1計算，放電極性隨機，陰陽極放電各占50%，則靠近接地極端的腐蝕速率為0.043 3 mm/a，其值遠超NACE SP 0169—2007中的0.025 4 mm/a的限值。由此可知，高壓直流接地極對管道的干擾不僅可造成閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒燭，還不滿足管道腐蝕安全限制。

表1 接地極放電時自動合閘裝置閉合前后的通電電位（管道2陽極放電）

3.4 防護措施

對于高壓直流干擾的管道區域，可實施多項緩解和防護措施，例如高壓直流干擾監測、增加強制排流措施、分段絕緣、鋪設鋅帶、安裝非對稱固態去耦合器、更換大功率恒電位儀以及更換極址等。

綜合考慮管道方和電網方的實際情況，初步采取增加強制排流措施（方案1）、分段絕緣+鋪設鋅帶（方案2）、更換極址（方案3）等三種方案，采用Beasy、CDEGS軟件模擬防護措施效果。在方案1中，管道沿線的閥室均安裝自動合閘裝置，該裝置屬于限壓等電位連接保護裝置，當管地電位超過設定的閾值時，自動合閘裝置閉合，閥室管道與接地網相連接，降低了管道與大地之間的電位差，可有效避免引壓管打火放電。方案2中，需在管道1上安裝7處絕緣，在管道2上安裝5處絕緣，并安裝40 km的鋅帶。方案2實施后，接地極對管道的干擾規律發生改變，呈現多個流入段和流出段，通/斷電電位的偏移幅度有所減小，且靠近接地極端的管段收到的干擾趨于平緩，受干擾程度與遠離接地極端的干擾水平相當。方案3中，無需在電網端控制放電次數和放電電流，在管道方也無需防護措施；但需要找到土壤電阻率、土壤pH值和土壤成分符合要求的極址，且根據之前的監測結果，以10 km作為接地極與金屬管道的限制距離遠遠不夠。

綜上所述，這兩條管道部分管段分布在人口密集的城市邊緣，因此無法鋪設鋅帶進行排流，且更換極址需要電網方配合，短期內實現干擾緩解的意義不大，故采用方案1作為直流干擾的防護措施，以管道陽極放電為例，使用前后的效果見表1。

4 結論

（1）通過在管道上設置電位遠程監測系統，可實時監測直流干擾對管道的影響，其中靠近接地極端管道的受干擾程度遠大于遠離接地極端的管道，且接地極與管道的分布位置不同，雜散電流的流入流出機制不同。

（2）接地極與管道的垂直距離越近，靠近接地極端的雜散電流流入和流出管段越短。

（3）對直流干擾的防護措施進行篩選，其中在管道沿線閥室安裝自動合閘裝置可有效降低管道電位的波動，降低了管道與大地之間的電位差。