油氣管道受直流雜散電流影響規律及防護措施研究

鄂志國（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

管道是能源輸送的主要方式，在其服役的過程中，受電化學腐蝕、細菌腐蝕和化學腐蝕的影響，會不可避免的出現壁厚減薄和穿孔泄露問題，造成嚴重的經濟損失和環境污染[1-2]。電化學腐蝕中的直流雜散電流干擾來源包括直流高壓輸電系統、直流牽引系統和管道外加電流陰極保護系統等[3]。其中，直流高壓輸電系統因放電時間不固定、入地電流大、持續時間長等特點，可在放電接地極附近形成恒定的直流電場，對油氣管道的腐蝕或氫脆作用較強[4-5]。

西氣東輸二線[6-7]、上海天然氣管道[8]、廣東天然氣管道[9]等均發生過接地極引發的直流干擾現象，但受限于干擾方放電的不確定性，迄今為止對于高壓直流干擾的干擾頻次、時長及干擾規律尚認識不足，對于可采取的防護措施未進行定量分析和研究。基于此，利用電位遠程監測系統，采用斷電試片法監測管道的通、斷電電位，得到不同放電類型下的干擾規律，并針對分段絕緣和敷設鋅帶兩種緩解措施進行評價。

1 基本情況

東北地區某天然氣管道全長160 km，管材為X60，管徑D457×7.5 mm，設計壓力10 MPa，管道埋深1.5～2 m，外防腐采用強制電流陰極保護加防腐層的聯合防護方式。首站和末站中間有三個閥室，閥室進出站的位置均有跨接線將上下游管道連接，故整條管道處于電連接狀態。某新建的高壓直流接地極為高硅鉻鐵材料，采用三個同心圓布置，內環、中環和外環的半徑分別為80 m、120 m 和160 m，填充材料為焦炭，最大持續額定電流為3 000 A，最大過負荷電流為3 500 A，雙極運行不平衡電流為30 A。接地極與管道的垂直距離為15 km，距離2#閥室的距離最近為17 km。管道與接地極的相對位置見圖1。

圖1 管道與接地極的相對位置Fig.1 Relative position of pipe and grounding electrode

2 管道電位監測結果

管道電位遠程監控系統由電位監測終端、試片、移動通信網絡和遠程服務器組成，其中試片與管道同材質，面積6.5 cm2，用于模擬防腐層破損點。電位監測終端與試片和管道相連，通過通、斷電控制，測試管道的通電電位、斷電電位和泄露電流密度；數據采集完成后，通過移動通信網絡傳輸至遠程服務器儲存，并支持實時調用數據。

在管道站場、閥室及中間測試樁設置監測點。在監測的半年內，共發生了15 次干擾現象，總時長311 h6 min（約13 d），相當于每年的干擾時長為26 d，遠超過DL/T 5224—2014《高壓直流輸電大地返回系統設計技術規范》中關于干擾時長的要求（不超過放電時長的1%，即3.65 d）。有4 次的干擾時長在2 h 以下，最長一次的干擾時長為142 h31 min，其中第10 次和11 次的干擾電流最大為2 700 A，已達到額定入地電流的90%。接地極的干擾頻次與時長見表1。

表1 2022 年接地極的干擾頻次與時長Tab.1 Interference frequency and duration of grounding electrode in 2022

以入地電流最大的兩次為例進行分析：

第10 次為陽極放電，靠近接地極約20 km 的管道電位向負向偏移，最負偏移至-2.81 V，遠離接地極約有100 km 的管道電位向正向偏移，最正偏移至-0.18 V，由于首站和末站設有陰極保護系統，故兩站的電位逐漸趨向正常水平。通過電位偏移量可知，接地極陽極放電時，靠近接地極的區域為雜散電流流入段，此時管道存在氫脆風險；遠離接地極的區域為雜散電流流出段，管道存在腐蝕風險；越靠近接地極，管道電位的偏移量越大。

第11 次為陰極放電，靠近接地極約60 km 的管道電位向正向偏移，最正偏移至4.81 V，遠離接地極的其余管道電位向負向偏移，最負偏移至-2.13 V。通過電位偏移情況可知，中間管段和兩端互為電流的流入、流出點，靠近接地極的區域為雜散電流流出段，管道存在腐蝕風險；遠離接地極的區域為雜散電流流入段，管道存在氫脆風險，且兩端陰保站恒電位儀輸出的直流電使電位負移更加嚴重；越靠近接地極，管道電位的偏移量越大。此外，綜合不同放電類型的電位偏移情況，陰極放電較陽極放電在遠離接地極管段上的干擾程度大。接地極放電時監測點的電位變化情況見圖2。

圖2 接地極放電時監測點的電位變化情況Fig.2 Potential changes at the monitoring point during the grounding electrode discharge

當接地極放電時，靠近接地極的測試樁受干擾程度最大，繪制監測時段內每次干擾對最近點的影響，最大干擾位置的電位變化情況見圖3。第10 次和第11 次接地極放電不僅通電電位大幅變化，斷電電位也相應變化，不滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》 中陰保電位-0.85～-1.1 mV 的范圍要求。陽極放電存在管道過保護的風險，陰極放電存在管道欠保護的風險，當干擾結束后，管道電位迅速恢復至正常水平。

圖3 10 月份最大干擾位置的電位變化情況Fig.3 Potential changes at the position of maximum interference in October

3 防護措施

對高壓直流雜散電流干擾的防護措施可以從干擾源和受干擾側兩方面考慮，其中BS/EN 50162—2004《直流系統中雜散電流引起腐蝕的防護》從干擾源角度介紹了多種防護措施，包括改良接地極設計、更換極址、首選雙極運行方式、減少單極大地回線方式的持續時間、直流干擾影響程度測試等[10]。但鑒于從干擾源減少電流泄露具有不確定性和不可控性，故在此只考慮管道自身的防護措施。

管道自身防護可從防腐層完整性、分段隔離、強制排流和陰極保護等方面入手，其中分段隔離和陰極保護是最直接的方法[11]。分段隔離通過減小受雜散電流影響的管段長度，隔離管中電流向遠端流動的趨勢，以減少雜散電流流入、流出區域；陰極保護是采用犧牲陽極，通過金屬接地降低管道與土壤之間的電位差，形成保護系統。

為測試不同防護措施的實施效果，減少現場重復施工，利用Comsol 軟件中的一次電流分布、邊界元模型進行模擬。設置土壤為無限空域，無窮遠處的電解質電位為0；受干擾管道的電位模型為0 外加電流的懸浮電位，表示干擾管道與其余物質沒有電連接；在接地極邊緣，采用電解液電流密度規定外加電流密度。按照第1 節管道和接地極的實際情況建立模型，以最嚴重的陰極放電為例，模擬電位與實際監測電位結果對比見圖4。散點的現場實測數據與模擬結果基本吻合，說明模型建立可靠，可以用于后續防護措施的評估。

圖4 模擬電位與實際監測電位結果對比Fig.4 Comparison between simulated potential and actual monitored potential

3.1 分段絕緣

根據圖2，管道在中間和兩端的斷電電位較大，因此優先選擇上述位置進行分段絕緣，分別在距離管道中點20 km 和50 km 處設置兩處分段絕緣，將整條管道分為5 個電氣不連通的管段，分段絕緣布置示意圖見圖5。分段絕緣后管道斷電電位模擬結果見圖6，分段絕緣的防護效果見表2。

表2 分段絕緣的防護效果Tab.2 Protective effect of segmental insulation

圖5 分段絕緣布置示意圖Fig.5 Layout diagram of segmental insulation

圖6 分段絕緣后管道斷電電位模擬結果Fig.6 Simulation results of pipeline disconnect potential after segmental insulation

采用分段絕緣后，管道中點與兩端的地電位差大幅降低，管地電位變??；在絕緣接頭附近的管段，由于電連接方式的改變，成為新的雜散電流流入、流出點，且隨著入地電流的增加靠近絕緣接頭處的電位有所升高，這部分管段有可能成為新的腐蝕或氫脆風險點。

3.2 陰極保護（犧牲陽極）

在管道中點和兩端分別敷設10 km 和5 km 的鋅帶，鋅帶可通過測試樁內的連接線與管道相連，敷設鋅帶布置示意圖見圖7。敷設鋅帶后管道斷電電位模擬結果見圖8，防護效果見表3。敷設鋅帶的管段，管道斷電電位有所降低，中點處呈波谷狀，泄露電流密度也有所降低；不敷設鋅帶的管段，管道電位的變化相對較小。犧牲陽極對于降低管道局部位置處的雜散電流干擾具有重要作用，但對于遠離接地極的區域，由于入地電流的影響范圍較廣，如大面積使用鋅帶，將導致投資成本和運行成本巨大。

表3 敷設鋅帶的防護效果Tab.3 Protective effect of laying zinc strip

圖7 敷設鋅帶布置示意圖Fig.7 Layout diagram of laying zinc strip

圖8 敷設鋅帶后管道斷電電位模擬結果Fig.8 Simulation results of pipeline disconnect potential after laying zinc strip

3.3 雙重防護措施

鑒于以上防護措施的優劣性，先對管道進行分段絕緣，降低泄露電流密度，隨后在不同絕緣接頭處敷設小面積鋅帶，進一步降低管線電位，減少鋅帶敷設量，雙重防護布置示意圖見圖9，雙重防護的防護效果見表4。與單獨采取防護措施相比，采用雙重防護措施后，管線電位全線降低，且降低幅度比任何一種防護措施都大，滿足管道對陰極保護電位的限制要求。

表4 雙重防護的防護效果Tab.4 Preventive effect of double protection

圖9 雙重防護布置示意圖Fig.9 Layout diagram of double protection

3.4 經濟效益評價

根據試片的面積，將以上斷電電位轉化為泄露電流密度，進而轉為均勻腐蝕速率。當接地極入地電流密度為2 700 A，管道腐蝕速率為3.571 mm/a，采取雙重防護措施后，腐蝕速率降為0.0213 mm/a，滿足SP 0169—2013《埋地或水下金屬管線系統外腐蝕控制標準》中的要求，此時直流雜散電流對管道的干擾可以忽略不計。由此可平均使管道延壽5～8 a，每年可減少管道更換5～10 km，減少天然氣泄露10×104～20×104m3，按照管道單價175 元/m（含管材、土建和施工費用），天然氣價格3.5 元/m3核算，年共計節約運行成本105 萬元～259 萬元。

4 結論

1）針對高壓直流輸電系統接地極放電引發的干擾情況，利用電位遠程監控系統對干擾頻次、時長和放電類型進行了監測，結果顯示每年的干擾時長為26 d，遠超過標準的相關要求。

2）通過電位偏移情況可知，越靠近接地極，管道電位的偏移量越大；陽極放電時遠離接地極的管段為雜散電流流出段，陰極放電時靠近接地極的管段為雜散電流流出段，此時管道存在腐蝕風險；陰極放電較陽極放電的干擾程度大。

3）分段絕緣可有效降低管道中點處的電位差，敷設鋅帶可在局部范圍內降低泄露電流密度；采用雙重防護措施后，管地電位全線降低，且降低幅度比任何一種防護措施都大；實施后，可節約管道更換里程，減少天然氣泄露量，節約運行成本。