輸電線路對天然氣管道的交流干擾防護措施

周啟超 王春雨 戴 俊 魏冬宏 劉新凌

（廣東大鵬液化天然氣有限公司，廣東 深圳 510000）

0 引言

油氣管道交流腐蝕是指管道受到交流電作用而發生腐蝕失效的過程[1]。近年來，能源基礎設施建設快速發展，當高壓交流輸電線路與埋地油氣管道相互靠近時，可能通過電磁耦合、電阻耦合、電容耦合等方式對埋地油氣管道產生交流干擾[2-5]，油氣管道面臨的交流腐蝕風險日益嚴峻。

隨著交流干擾引起的管道腐蝕失效案例越來越多，國內外學者也針對交流腐蝕展開了大量研究[6-8]。在交流干擾腐蝕的緩解治理方面，李廣澤等人[9]建立了高壓輸電線路對管道交流干擾的仿真模型，研究了管道與輸電線路交叉角、輸電線路運行電流、排流點位置等因素對交流干擾水平與治理效果的影響，緩解方案要求感應電壓大于4V時再采用交流電流密度評估腐蝕風險；賀裕卓等人[10]詳細檢測了某管道受到電氣化鐵路交流干擾情況，采用裸銅線作為接地極實施了排流治理措施，緩解要求為交流感應電壓降至4V以下。以往的交流干擾治理案例多采用4V感應電壓作為限定條件，但許多研究表明[11-15]交流腐蝕風險的評估應直接采用交流電流密度，交流電流密度超過100A/m2，管道交流腐蝕速率較高。而管道交流感應電壓低于4V時，交流電流密度也可能超過100A/m2，使得管道存在嚴重的交流腐蝕風險[16]。

1 管道交流雜散電流干擾評估

1.1 評價指標

SY/T 0087.6-2021[17]《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準第6部分：埋地鋼質管道交流干擾腐蝕評價》規定運營期管道的交流腐蝕評價應采用直測法獲取交流雜散電流密度，交流電流密度處于30～100A/m2之間時，管道陰極保護斷電電位應為-1.15～-0.90 VCSE，交流電流密度≥100A/m2時，交流腐蝕速率較高，應采取干擾緩解措施。

1.2 評價指標

某埋地管道為高壓天然氣鋼質管道，材質為X65管線鋼，管道全長9.618公里，采用3層PE外防腐層和強制電流的陰極保護方式進行聯合保護，全線設置有15處陰極保護測試樁。交流雜散電流干擾檢測采用埋設時間大于15天的1cm2試片，使用數據記錄儀對交流雜散電流進行24小監測，采集斷電電位、交流感應電壓、試片交流電流密度等參數，數據采集頻率為1Hz，并在測試樁位置采用溫納四極法測試土壤電阻率。

管道沿線15處陰極保護測試樁斷電電位處在-0.95～-1.15V之間，編號為5#、5-1#的測試樁位置的交流電流密度大于100A/m2，斷電電位為-1.074V、-0.957V。5#、5-1#兩處測試樁距離50m，土壤電阻率為50Ω·m，交流雜散電流密度平均值分別為288.1A/m2、710.3A/m2，交流感應電壓的平均值分別為3.5V、2.2V。埋地油氣管道交流干擾源主要有交流輸電線路及電氣化鐵路[18]，5#、5-1#位置管道與2條500kV輸電線路并行，5條220kV輸電線路交叉，與電氣化鐵路距離較遠，交流干擾未呈明顯間斷特征[19]，由圖1可知在白天用電高峰期間，交流干擾水平較高，夜間用電低谷時期交流干擾出現下降趨勢，所以該段管道交流雜散電流干擾源為臨近高壓交流輸電線路。雖然管道交流感應電壓小于4V，但交流電流密度高于100A/m2，存在較高的交流腐蝕風險，應采取交流干擾緩解措施。

圖1 交流雜散電流檢測結果

1.3 交流感應電壓限值分析

兩處交流干擾超標位置陰極保護斷電電位處在-0.95～-1.15V之間，交流干擾電流密度應小于100A/m2，交流腐蝕風險處于可接受范圍[20]。兩處干擾超標位置交流感應電壓分別取平均值3.5V、2.2V，使用交流感應電壓與試片直測交流電流的比值得到試片擴散電阻為121.4Ω、30.9Ω，兩處干擾超標位置采用直測法得到的交流電流密度應小于100A/m2，從而可得到管道的交流感應電壓限值為1.214V、0.309V。

2 交流干擾緩解方案設計

2.1 交流干擾計算模型

油氣管道交流干擾模擬分析通常采用電路法或電磁場法[21]，本次計算使用CDEGS軟件基于電磁場法建立了如圖2所示5條220kV及2條500kV高壓輸電線路對管道交流干擾模型，模擬輸電線路穩態情況下對管道的交流干擾影響，求解計算管道電場分布情況。

圖2 管道交流干擾模擬計算模型

根據現場調研結果確定模型參數，如表2所示，沿線土壤電阻率采用管道沿線土壤電阻率的測量值的最小值25Ω·m，管道路徑、輸電線路與管道的相對位置按照實際路徑，塔桿采用三基塔桿。由于缺乏輸電線路的詳細參數，模型中輸電線路的相序采用逆向序[22]，設置最初穩態電流1000A。

表1 交流電壓限值

2.2 計算模型驗證

根據輸電線路穩態電流與管道感應電壓的正比關系[23]，調整模型中輸電線路穩態電流值，將模擬數據和現場測試數據進行對比，當5#、5-1#陰保樁位置的模擬交流感應電壓與實測交流干擾電壓一致時，認為干擾源設置正確。如圖3為管道交流電壓測量值與軟件模擬值的曲線圖，在5#、5-1#位置的趨勢基本相同，由于在模擬計算中采用的土壤參數、穩態電流值等都為假設值，所以感應電壓實測曲線和模擬曲線的的局部特征會有所差別。

圖3 管道交流感應電壓測量值與模擬值曲線圖

使用計算模型在5-1#測試樁設置50m鋅帶排流地床，計算緩解效果。考慮到角鋼排流地床的施工效率高，使用計算模型在5-1#測試樁設置角鋼排流地床，調整角鋼數量與布置方式，使得角鋼接地網與50m鋅帶的排流效果一致，認為角鋼接地網與50m鋅帶排流地床等效，然后現場施工安裝角鋼地床，驗證緩解設計方案的有效性。如表3所示，施加排流地床前后的交流感應電壓模擬值緩解幅度為20.5%，現場驗證結果為交流電壓緩解幅度30%，現場實際緩解效果優于模擬計算結果。由于計算模型選取的參數相對保守，增加排流地床后通過試片的電流減少可引擴散電阻降低及局部土壤電阻率的變化，使得實際效果與模擬結果存在偏差，偏差程度認為可接受。

表3 模型驗證

2.3 交流干擾緩解方案設計

使用驗證有效的計算模型，設置鋅帶排流地床，計算增設鋅帶排流地床后的管道交流干擾電壓，并與根據試片擴散電阻計算得到的交流干擾電壓限值進行比較，當5#、5-1#位置的管道交流干擾電壓模擬值分別小于交流電壓限值1.214V、0.309V時，認為模型中設置的排流地床可以有效緩解管道的交流腐蝕風險。如圖4所示，考慮到現場實際施工條件，在5-1#測試樁下游50m的位置往上游方向鋪設三條與管道平行的654m排流鋅帶，在管道另一側鋪設三條與管道平行的100m排流鋅帶時，5#、5-1#位置的交流干擾電壓模擬值分別為0.63V、0.30V，滿足緩解要求。

圖5 交流雜散電流干擾緩解治理效果

3 交流干擾緩解效果評價

按照緩解方案進行鋅帶排流地床施工，鋅帶類型為ZR-2，埋設深度1.5m，鋅帶間隔為1m，每100m通過電纜連通，并在測試樁位置通過固態去耦合器與管道相連。5#、5-1#位置緩解后的交流電流密度實測平均值分別為12.4A/m2、53 A/m2。斷開排流地床后交流電流密度增高至343.1A/m2、991.2A/m2，交流電流密度實際緩解幅度分別為96.4%、94.7%，設計方案的緩解幅度分別為65.3%、85.9%，緩解方案實際效果優于設計方案。

交流干擾治理實際效果與地床接地電阻、試片擴散電阻及變化、數值模型參數等因素相關。通過對交流干擾數據及排流地床參數進行分析，5#、5-1#的交流干擾程度較治理施工前升高，5#、5-1#位置排流地床實際接地電阻分別為0.4Ω、0.6Ω，相較設計值分別降低76%、33%；由于排流地床流入電流，流入試片的電流減少，排流后的試片擴散分別為160、30.5，較設計值分別增高32%、1.3%，仿真模型的土壤電阻率、線路相序等參數的取值保守，得到的排流設計方案也會相對保守，使得排流地床的實際效果優于設計值。

4 結語

（1）管道交流感應電壓低于4V時，管道交流雜散電流密度也可能超標，應采用試片直測交流雜散電流密度直接評估管道交流腐蝕風險；

（2）根據管道交流感應電壓、試片直測交流電流密度確定試片擴散電阻，然后按照交流電流密度限值確定緩解交流干擾的電壓限值，可以作為數值模擬分析管道交流干擾緩解目標的參考值；

（3）交流干擾緩解設計方案的實際排流效果與排流地床的接地電阻、試片擴散電阻變化、模型參數等因素相關，模型參數的保守取值會使得緩解方案相對保守，排流地床接地電阻降低、試片擴散電阻升高會增加實際排流效果。