淺談長輸天然氣管道交流雜散電流的防護與治理

延旭博

（河北省天然氣有限責任公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

目前，隨著基礎設施建設的不斷發展，高壓輸電線路等設施與油氣管道的交叉、平行現象越來越普遍，油氣管道受到高壓輸電線路雜散電流干擾已成為常態。圍繞交流雜散電流的成因、腐蝕機理、測試及緩解措施等，國內外已開展了大量的研究。但在實際工程中，仍然存在一些亟待解決的問題，如新建電力線路對管道的交流干擾預判、交流干擾的時變特性與其規律研究及干擾緩解的措施優化等。本文結合高壓輸電線路對天然氣管道交流雜散電流干擾的防護和治理中的實際問題進行了探討，并提出了相關對策。

1 概述

1.1 交流輸電線路的電磁特性

高壓交流輸電線路運行后，由于電流流經導線，將產生強烈的交變電磁場。類似變壓器的電磁感應，當管道與輸電線路臨近、伴行時，會在金屬管道產生感應電動勢，進而產生交流雜散電流[1]。電力線路中電流（負荷）大小、輸電線路與管道距離及伴行長度、管道對地電阻等情況均會影響管道交流雜散電流的強度。

早期管道采用環氧粉末防腐，防腐層容易出現破損點，導致管道對地電阻減小，交流雜散電流在破損點可以向大地排放，在一定程度上降低了交流雜散電流的干擾強度[2]。近年來3PE防腐層的普遍應用，管道對地電阻有了明顯提高，管道上交流雜散電流難以排放，且隨著與輸電線路伴行距離的增加而不斷增強。

1.2 交流雜散電流的危害

（1）交流雜散電流通過電化學腐蝕作用危害管道，使管道發生減薄、穿孔等事故。對于處于交流電場中的管道，交流電場下電位的取向將導致陽極的氧化、腐蝕，陰極端的還原反應和產生氫氣。這些反應將加速管道表面金屬的溶解和離子析出，使管道產生腐蝕、防腐層破壞。特別是在交變電場中，管道表面的行為將變得復雜、難以預測，并可能導致均勻腐蝕和局部腐蝕的發生。國內外案例表明，受交流雜散電流干擾的管道，即使管道斷電電位合格，仍然存在腐蝕的發生可能[3]；

（2）管道交流干擾危害人身安全和設備安全。如某管道在實施排流前，管道上交流電壓最高達到了80V，遠超安全作業電壓的要求，對運行管理人員的日常檢查、參數測量等都存在安全隱患。美國腐蝕工程師協會NACE要求：管道交流電壓不得超過

15V；

（3）危害陰極保護系統設備。頻繁變化的交流電流會干擾恒電位儀運行。如某管道臨近高鐵線路，受其動力交流電的干擾，恒電位儀無法在給定的控制電位的范圍內正常輸出，啟動后即出現報警信息，后經加裝抗干擾模塊，才得以正常運行。

2 交流雜散電流的預防和治理

2.1 交流干擾的預防

因交流雜散電流干擾主要由電磁感應引起，因此在空間足夠的條件下，要避免管道與輸電線路的臨近，特別是長距離平行方向的伴行。在管道和輸電線路不可避免的臨近時，應該注意布置管道的方向與高壓輸電線路的方向盡量垂直，盡量減少兩者的伴行距離。

2.2 交流雜散電流的檢測

當管道周邊存在變電站、交流輸電線路、電氣化鐵路等干擾源，需要對管道受交流干擾的程度進行測試。

（1）通過參比電極和萬用表的交流檔，當管道可以測得交流電壓時，可以初步確定交流干擾的存在；

（2）在已初步確定交流干擾的管段上進行管地交流電位及其分布（包括管地電位按管道里程分布及其隨時間變化的分布）的測試，連續測量時間40～60min，必要時，使用udl2等設備進行24h連續測試[4]；

（3）土壤電阻率測試。為了計算交流電流密度，還應該對管道沿線土壤進行電阻率測試，采用溫納四線法，測量從地表到管道埋深的平均土壤電阻率；

（4）對于交流電流密度，除采用計算方法外，還可以埋設與測試樁連接的試片進行直接測試。

2.3 交流雜散電流的治理實例

2.3.1 基本情況

某管道有近60余公里與2條500kV、2條110kV高壓交流輸電線并行交叉，受交流干擾嚴重，管道交流電壓最高達80V左右。

2.3.2 干擾強度檢測

為了掌握管道受交流干擾的強度和分布情況，對管道的99處電位測試樁、10處絕緣接頭測試樁、4處固態去耦合器進行測試，共計113處。

經檢測，管道有2 9 處交流干擾程度判定為“強”（即超過GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中的交流電流密度的100A/m2限值），如圖1所示，應采取交流干擾防護措施。

圖1 管道交流電壓及電流密度分布圖

對于交流干擾較強的位置，進行24小時電位參數監測。如圖2所示，某測試樁AD28交流干擾在一天內隨時間變化，最大交流干擾電壓為36V，最小交流干擾電壓為22V。現場實測土壤電阻率為21.35Ω·m，計算得到的最大交流干擾電流密度為230.8A/m2，因此交流干擾程度為強，應采取交流干擾防護措施。

圖2 測試樁AD28交流干擾變化曲線

2.3.3 治理措施

基于檢測結果，選取了交流干擾較大14處安裝固態去耦合器+200m鋅帶進行排流。

2.3.4 基本情況

排流后，管道交流電壓大幅度降低，如圖3所示，絕大部分測試樁處交流電流密度低于30A/m2，排流效果良好。

圖3 排流前后管道測試樁處交流電流密度圖

3 交流干擾預防和治理中的問題

3.1 交流干擾的預測問題

在實際工作，經常遇到電力部門規劃新建輸電線路，路由與油氣管道并行、交差，來函征求油氣管道運行企業意見。雖然已知了擬建設電力線路的相關參數、與管道的距離、走向等參數，但是管道運行企業無法根據這些參數得出電力線路是否會對管道產生交流干擾，一般只能根據經驗做出大概的判斷。此外，盡管新規劃的電力輸電線路與管道的距離、交叉角度等均是滿足相關規范的，但這并不意味著不會對管道產生交流雜散電流干擾。相關的規范大部分是從安全、檢修維護便利等需求而提出的輸電線路與管道間距的最低要求，因此不能作為電力規劃部門不考慮管道交流雜散電流防護措施的理由。當前一些研究人員采用數值模擬仿真計算的方法，計算交流干擾的強度和規律，以此指導和優化管道雜散電流防護措施設計。這種方法經實踐驗證具有較高的準確度，但是需要大量的現場調研工作[5]。同時，數值模擬仿真的費用較高，且需要較為專業的技術人員進行，該方法對于小型電力工程并不經濟。

3.2 交流干擾的變化復雜

從交流干擾形成的機理來說，交流干擾的強度主要與鄰近電力線路的負荷有關。當電力線路滿負荷較高時，管道交流電壓也較高。而要想實現對交流雜散電流的治理，需要準確掌握交流干擾的規律和最高值。但是在實踐中這是非常有難度的。電網的負荷波動受到多種因素的影響，包括季節變化、時間變化以及特定事件的發生。例如在夏季，由于農業灌溉用電增加，電網的負荷通常較高；又如在一天之內，電網的負荷也會發生顯著的波動。通常情況下，電網的負荷在白天相對較高，因為人們在工作期間使用各種電器設備；而在晚上睡眠時間段，電網負荷會逐漸降低。此外，還存在一些小時級別的峰谷差異，如早晚高峰。

顯然，人工測量具有隨機性和偶然性，無法全面反映當天的電力負荷情況。即使采用類似udl2的數據記錄儀進行24小時測試，也只能反映當天的情況，如果恰巧遇到電力檢修或故障，就會對測試數據和結果解讀造成誤導。

3.3 交流干擾判斷準則應用

在GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中，明確提出了管道交流電壓在不高于4V時無需采取治理措施；在高于4V時，采用交流電流密度進行評估的方法。但是，在土壤電阻率較低的地區，即使較低的交流電壓也可能引起較高的交流電流密度。例如管道途徑某養殖場區域，在附近測得交流干擾電壓在3.5V左右，但智能測試樁的試片法測得交流雜散電流密度達到了116A/m2，屬于強干擾，必須采取防護措施。現場調查發現該區域經常有養殖場排放的污水等，污水中的有機物質以及高濃度的鹽類導致土壤電阻率顯著降低，實測土壤電阻率在8Ω·m左右，計算得到交流電流密度達到了98A/m2。此類交流雜散電流干擾點如果僅按國標GBT 50698-2011考慮，無需進行排流處理。但多數研究認為應該以電流密度作為判斷依據。德國標準DIN 50925提出了交流電流密度為30A/m2的限值作為管道的交流腐蝕是否超標的評價標準[6]。貝克曼等研究人員在其著作《陰極保護手冊》中采用了20A/m2的限值[7]。歐洲標準 CEN/TS 15280的相關規定為交流電流密度低于30A/m2可以認為管道免于交流腐蝕[8]。

3.4 交流雜散電流防護措施的經濟性

采用固態去耦合器和接地極（如鋅帶、接地網）排流的方法已較為通用和成熟。顯然，接地體規模越大，其與大地的電阻越小，對于交流雜散電流的排流效果也越好，但也會相應增加工程施工、征地和材料費用。為了保證防護措施的有效性和一次成功，在設計中接地體的規模往往富裕量較大，在一定程度上造成了投資浪費。如何綜合考慮接地效果、投資、使用壽命，合理進行經濟的防護措施設計，當前相關的研究較少，仍然還是困擾管道運行企業的難題。

4 結語

（1）高壓輸電線路對臨近和伴行的管道產生交流雜散電流干擾，危害管道安全，已成為管道運行企業安全和腐蝕控制的關注重點。政府規劃部門、電網企業和管道運營企業和應當建立長期聯絡機制，通過優化和規劃新建輸電線路和管道的設計，在源頭控制交流雜散電流的產生；

（2）對于變化復雜的雜散電流監測，可重復借助智能測試樁、電位傳送器、UDL2等專業監測設備進行密集頻次監測，避免因人工監測時間段、頻次低而沒有發現雜散電流。同時對雜散電流的強度，應選用交流電流密度進行判斷，避免特殊地質情況下的漏判；

（3）雜散電流防護工程完成后，要注重對相關設施的定期檢查維護和測試，如接地體的接地電阻、交流電流密度、交流電壓、周邊土壤電阻率等。考慮到交流干擾可能的人身傷害，相關設置應設置醒目警示標志，保證測試門有效鎖閉，避免無關人員觸碰。