特高壓直流入地電流對埋地鋼管陰極保護的干擾影響

鐘 雪,張文艷,但 濤

(1.西南油氣田分公司集輸工程技術研究所，成都 610000； 2.西南油氣田分公司蜀南氣礦，瀘州 646000)

在特高壓輸電系統單極放電情況下，因直流電壓、放電時間、接地極放電電流等因素的影響，接地極入地電流對附近埋地鋼管和陰極保護系統造成的干擾程度、影響范圍、腐蝕風險會有所不同[5-9]。近些年來，國內關于高壓/特高壓直流輸電系統對埋地鋼質管道干擾的研究較多[10-15]。程明等[13]在測試±500 kV高壓直流輸電系統的魚龍嶺接地極對廣東省天然氣管網一期工程的影響時發現，魚龍嶺接地極單極放電電流為3 000 A時，對一期管網的影響范圍大于7 km，管道側直流電位偏移為-12.5～49 V。張良等[14]開展了800 kV特高壓直流入地電流對埋地鋼管影響的研究，結果表明特高壓直流接地極放電對管道造成了較大的影響：電流流入區域管中最大電流為4.84 A，管地電位最大負向偏移-4 853 mV，最大正向偏移+568 mV，管壁最大腐蝕速率為0.049 mm/a，超過了管道設計控制目標。

本工作以川渝地區某集輸管道和共樂接地極為研究對象，通過監測特高壓直流接地極單極放電過程中管道陰極保護參數，分析了入地電流對管道陰極保護的干擾范圍及影響程度。

1 概述

1.1 管道情況

川渝某集輸管道全長110.4 km，采用L485M螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，外防腐蝕層采用工作溫度不超過50 ℃的常溫型三層PE。管道沿線耕地以山坡旱地和坡地梯水田為主，區內土壤電阻率在11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蝕性等級以中等腐蝕性為主，強腐蝕性次之，少量基巖地區為弱腐蝕性。

集輸管道沿線設置5座截斷閥室，管道陰極保護系統包括2#、3#和5#閥室處的3座陰極保護站，120個普通測試樁，18個智能測試樁，47處直流排流設施(遠端排流點2處、局部接地鋅帶排流點45處)；在首站、末站以及距首站38.6 km(35#樁)和86 km(84#樁)處設置有絕緣接頭；同時在進、出閥室兩側管道的合適位置(距離閥室50～100 m)各設置一處過電位保護點，各過電位保護點安裝了防浪涌保護裝置對閥室進行排流保護，防止管道線路上的電涌對閥室內設備的沖擊和干擾。

1.2 接地極情況

該管道途經共樂接地極。該接地極為向家壩-上海800 kV特高壓直流輸電線復龍換流站和宜賓-金華800 kV特高壓直流輸電線宜賓換流站共用，管道與接地極的最近距離約14.8 km，其位置關系如圖1所示。共樂接地極極環采用同心雙圓環布置：內環半徑為240m，埋深為3.5m，焦碳填充截面為0.6 m×0.6 m；外環半徑為315 m，埋深為4 m，焦碳填充截面為0.6 m×0.6 m。共樂接地極設計性能如下：額定電流4 540 A，暫態電流6 045 A(3 s)，最大電流8 500 A(20 min)。

圖1 管道與接地極位置關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of position relationship between pipeline and grounding electrode

2 結果與討論

2.1 管道陰極保護有效性

共樂接地極放電期間(電流2 900 A)，對管道沿線通電電位/斷電電位進行監測，結果如圖2所示。由圖2可知：在共樂接地極放電期間，管道87#樁斷電電位最正,為-0.556 V，35#樁上游位置斷電電位最負,為-1.168 V；管道斷電電位正于-0.85 V即極化電位不達標的測試樁共有11處，分別為20#、50#、52#、62#、65#、78#、82#、83#、84#上游、84#下游、87#；靠近接地極最近的測試樁電位正向移動，入地電流由近端流出管道，判斷此次接地極放電為陰極放電。

圖2 共樂接地極放電期間管道沿線電位分布Fig.2 Potential distribution along the pipeline during discharge of Gongle ground electrode

2.2 管道電位偏移

2處絕緣接頭將管道分成3段，共樂接地極放電期間每段絕緣管道都存在電流流入、流出管段。在共樂接地極放電期間(電流2 900 A)，在各測試樁處對管道通電電位/斷電電位進行連續監測，管道沿線電位偏移量及不同時刻管道通電電位分布如圖3、4所示。

圖3 共樂接地極放電期間管道沿線電位偏移量Fig.3 Potential offset along the pipeline during discharge of Gongle ground electrode

圖4 共樂接地極放電期間不同時刻管道通電電位分布Fig.4 Pipeline power-on potential distribution at different time during discharge of Gongle ground electrode

結果表明：在首站至35#樁、35#樁至48#樁、72#樁至84#樁、87#樁至末站，管道電位負向偏移，這些管段為本次放電期間的陰極區，接地極放電形成的雜散電流由此區域流入管道，管道表面無腐蝕風險； 在50#樁至72#樁、84#樁至87#樁，管道電位正向偏移，這些管段為本次放電期間的陽極區，雜散電流由此區域流出管道，管道表面漏損點位置有腐蝕風險；在管道陰極區，管道通電電位最負達到-3 347 mV，負向偏移量為2 332 mV；在管道陽極區，管道通電電位最正達到+189 mV，正向偏移量為1 381 mV；電位負向偏移管段長度約79 km，電位正向偏移管段長度約28 km，接地極放電對管道全線均造成了干擾影響。

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2.3 絕緣接頭兩側電位

絕緣接頭作為線路陰極保護系統的防護措施，實現線路分段絕緣：在首站至35#樁，35#樁至84#樁，84#樁至末站。對35#樁處絕緣接頭上下游管道電位進行分析，如圖5所示。

由圖5可知：在1∶17左右，絕緣接頭兩側電位出現分化，呈相反趨勢，1∶25-1∶57兩側電位差值達到極值，巨大的電位差導致此處絕緣接頭腐蝕風險較高；此次接地極放電干擾影響時間為1∶17-1∶57，管道受到約40 min持續放電干擾，放電結束后管道電位基本恢復至干擾前水平。

圖5 不同時刻35號樁上下游管道通電電位Fig.5 Power-on potentials of pipeline before and behind 35# pile at different time

2.4 鋅帶排流量

線路上共設置28處鋅帶，其中21處鋅帶與管道未連接，放電前通過管道陰極保護測試發現41#和61#測試樁處鋅帶開路電位分別為-0.99 V和-0.94 V；放電期間對5處鋅帶進行了排流量監測，分析鋅帶排流效果，監測結果見表1。

表1 共樂接地極放電期間鋅帶排流量Tab.1 Current drainage through zinc belts during discharge of Gongle ground electrode

結果表明：共樂接地極放電時，通過鋅帶流入流出的電流量明顯增大，鋅帶能起到良好的排流作用；但接地極放電量較大時，由于鋅帶自身排流的局限性，無法完全抑制干擾。

2.5 恒電位儀輸出電流

由圖6可見：共樂接地極放電前，3臺恒電位儀輸出電流平穩；此次接地極為陰極放電，干擾電流從管道遠端流入近端流出，為抑制雜散電流干擾，靠近接地極的2#和3#閥室處陰極保護站的恒電位儀輸出電流增大，2#閥室處恒電位儀輸出電流由0.8 A增大至5.2 A；3#閥室處恒電位儀輸出電流由3.2 A增大至7.3 A后，由于無法抵抗外部干擾，電位儀出現故障，自動啟動保護功能，無法正常工作，接地極放電結束后，依舊處于故障狀態；5#閥室處管道兩端電位負向偏移，恒電位儀輸出降低，由1.2 A降低至0.1 A；在接地極放電結束后，2#和5#閥室處恒電位儀輸出電流瞬間恢復至正常狀態，對雜散電流干擾響應迅速，自動調整時間基本無遲滯現象。

圖6 不同恒電位儀輸出電流曲線Fig.6 Curves of output current from didfferent potentiostats

3 結論與建議

通過連續監測共樂接地極放電期間管道電位，分析了接地極放電對該管道電位的偏移、干擾范圍及影響程度，得到了以下結論：

(1) 共樂接地極陰極放電時(電流2 900 A)，管道全線共有11處極化電位不達標。

(2) 50#樁至72#樁、84#樁至87#樁是本次放電期間的陽極區，管道表面漏損點位置有腐蝕風險。

(3) 電位負向偏移管段長度約79 km，電位正向偏移管段長度約28 km，接地極放電對管道全線均造成了干擾影響。

(4) 管道受到約40 min持續放電干擾，絕緣接頭兩側電位差值大，腐蝕風險較高。

(5) 在接地極放電期間，恒電位儀和鋅帶能起到良好的干擾緩解和抑制作用，但由于鋅帶自身排流的局限性以及恒電位儀工作狀態，當接地極入地電流較大時，現有設施無法完全排除干擾將電位控制在標準許可范圍內。

結合管道陰極保護情況及測試結果，提出以下幾點建議：

(1)為掌握全年接地極的放電情況及放電對管道的干擾影響，建議在管線陰極保護末端、干擾嚴重段、干擾分界點等位置安裝陰極保護智能測試樁，定期監測管線各項參數。

(2) 接地極放電時絕緣接頭兩側電位呈相反趨勢，電位差大，絕緣接頭腐蝕風險高。建議在絕緣接頭內外側安設腐蝕監測點，定期監測絕緣接頭內外側腐蝕情況。

(3) 對全線陰極保護系統進行輸出調試，適當提高恒電位儀輸出，在接地極未放電情況下保證管道全線陰極保護電位達到標準要求；同時在陰極保護系統末端、干擾嚴重區域等保護薄弱位置增加犧牲陽極補充保護。

(4) 定期檢查管線上排流鋅帶與管道的連接狀態，確保連接有效；定期測試排流鋅帶的相關參數，包括鋅帶開路電位、鋅帶接地電阻等，確保鋅帶的有效性。