高壓直流輸電接地極對管道干擾的數值仿真和防控技術研究

摘要：通過數值模擬仿真評估高壓直流接地極對新建高壓燃氣管道的干擾，對制定措施緩解管道腐蝕風險、降低施工費用，具有重要意義。使用數值模擬技術建立了管道干擾計算模型，結合現場測試數據進行校正，預測了管道的干擾程度，根據管道的干擾特征設計相關排流措施。采取緩解措施后開展效果測試，結果表明：現場實測的數據結果與數值模擬計算吻合，驗證了數值模擬技術的準確性。管道的直流干擾能通過采取強制排流和犧牲陽極等措施有效緩解。

關鍵詞：高壓直流干擾管道數值模擬直流干擾

中圖分類號：TM86

ResearchonNumericalSimulationandPreventionTechnologyoftheInterferenceofHigh-VoltageDirectCurrentTransmissionGroundingElectrodesonPipelines

WENChending1GUOYanwei2YUANYijun3LICanjun4

1.FoshanNaturalGasHigh-PressurePipelineNetworkCo.，Ltd.，FoshanCity，GuangdongProvince，528000China;2.GuangdongInstituteofSpecialEquipmentInspectionandResearch，FoshanCity，GuangdongProvince，528000China;3.GuangdongForanTechnologyCo.，Ltd.，FoshanCity，GuangdongProvince，528000China;4.ForanEnergyGroupCo.，Ltd.，FoshanCity，GuangdongProvince，528000China

Abstract：Evaluatingtheinterferencecausedbyhigh-voltagedirectcurrent（HVDC）groundingelectrodesonnewlyconstructedhigh-pressuregaspipelinesthroughnumericalsimulationisofsignificantimportancefordevelopingmeasurestomitigatepipelinecorrosionrisksandreduceconstructioncosts.Thisarticleemploysnumericalsimulationtechniquestoestablishamodelforcalculatingpipelineinterference，andcorrectsitbasedonon-sitetestdata，predictsthedegreeofpipelineinterference，anddesignsrelevantdrainagemeasuresbasedonthecharacteristicsoftheinterference.Effectivenesstestsconductedfollowingtheimplementationofmitigationmeasuresindicatethattheon-sitemeasureddataareconsistentwiththenumericalsimulationcalculations，verifyingtheaccuracyofthenumericalsimulationtechnology.TheDCinterferenceonthepipelinescanbeeffectivelyalleviatedthroughtheadoptionofforceddrainageandsacrificialanodemeasures.

KeyWords：HVDCinterference;Pipeline;Numericalsimulation;DCinterference

隨著城市及周邊區域經濟的快速發展，加快天然氣利用和發展，廣東華南某地區擬修建一條天然氣高壓管道。因地理區域限制，新建管道路由處于大塘高壓直流接地極影響范圍內。

高壓直流輸電線路運行時一般使用雙極運行方式，但故障、檢修時采用單極大地返回運行方式[1]。該模式運行過程中，兩側的換流站都需對地，直流輸電工程入地電流高者可達數千安培，導致產生雜散電流造成金屬結構腐蝕，同時對設備和人員造成嚴重的安全隱患[2]。

本文以運用數值模擬技術研究高壓直流大塘接地極對天然氣高壓管道的干擾影響，分析管道面臨的風險，制定相應的防護措施并與新建管道同步設計和施工，保證天然氣管道運營安全。當管道建成后進行了現場復測，驗證數值模擬和防護措施的準確性和效果。

1計算模型建立

通過收集的資料信息及測試數據進行干擾模型繪制，利用CDEGS軟件針對該模型進行接地極對新建天然氣管道進行干擾預測、評估。

本文干擾源研究對象為大塘接地極，此接地極屬天廣±500kV高壓直流輸電線路，采用同心雙圓環水平鋪設布置，內外環直徑分別為480m和690m，平均埋深3.5m。天廣±500kV高壓直流輸電系統采用雙極兩端接地，額定入地電流為1800A，雙極不平衡入地電流為18A。

華南某新建LDZ天然氣管道長度約19.8km（L站至D站：17.9km；大塘接地極距離L站13km；D站至Z站：1.9km）。管道在L站、D站分別設置強制排流陰保站。大塘接地極中心與管道最近距離約420m，如圖1所示。新建LDZ天然氣管道材質為L450PSL2（如表1所示），屬于X65低強鋼，設計尺寸為φ508mm×12.7mm，設計運行壓力為8.0MPa。管道防腐層為三層復合結構（3PE），按照GB/T23257規定涂層面電阻Rc=100000Ω·m2，其中直埋段埋深為1.2m，定向鉆段埋深約為15m。

大塘接地極所在區域土壤電阻率以大于50Ω·m為主，新建管道沿線埋深處土壤電阻率介于10～120Ω·m之間。土壤電阻率對雜散電流在管道分布影響較大[3]，本文利用接地極附近區域的管道干擾數據進行土壤結構擬合用于干擾評估與緩解計算。

2直流干擾的預測與評價

2.1評價指標

高壓直流接地極對管道產生的風險主要有兩個：一是在管道上電流流入區域存在管體防腐層剝離或高強部位氫脆敏感性增加的風險[4]，并且在管道上電流流出區域引起腐蝕加速風險；二是導致管道與附近大地之間產生高的電壓差，給接觸管道的人員帶來安全風險。

考慮高壓直流接地極單極運行干擾的間歇性特點，同時考慮到上述干擾預測結果與評價指標的偏離程度，根據《特低電壓（ELV）限值》（GB/T3805—2008）和NACE標準SP0169中的規定[5]，不同緩解目標設定如下：針對人身安全評價，對于潮濕環境，管地電位限值為35VCSE；針對腐蝕安全評價：高壓直流干擾造成的管道腐蝕速率小于0.03mm/a。

2.2緩解措施與效果預測

利用校核模型得到大塘接地極干擾環境模型，并利用干擾模型完成大塘接地極對新建管道的干擾預測。預測結果顯示：新建LDZ天然氣管道沿線可能的最大正向干擾電壓為73.1V，最大腐蝕速率為0.437mm/a；可能的最大負向干擾電壓為74.0V，最大腐蝕速率為0.041mm/a。超出±35V的安全電壓限值及0.03mm/a的腐蝕速率目標限值要求，因此采取緩解措施對接地極干擾進行緩解。

目前，高壓直流干擾常見的緩解措施主要包括對管道進行絕緣處理、沿管道敷設接地鋅帶、采取強制排流系統以及設置深井排流地床等。

綜合緩解方案包括：沿新建管道鋪設26處水平鋅帶作為排流地床，合計4586.9m，其中10處直接排流（管道與鋅帶直連），另外16處排流地床使用極性排流器，設置3處強制排流站。綜合緩解措施與新建管道同步設計和施工。

利用上述緩解方案計算得到大塘接地極干擾下新建管道干擾電位分布和腐蝕速率，最大干擾電壓可滿足±35V人身安全電壓限值要求，最大腐蝕速率可滿足0.03mm/a限值要求。

2.3緩解效果現場實測驗證

為了驗證數值模擬計算的效果，在新建LDZ管道建成（已施加緩解措施）以后，管道沿線安裝智能遠傳測試樁，并在接近大塘接地極的管道處埋設ER腐蝕探頭監測管道腐蝕速率。由圖2可見，采取緩解措施的計算模擬結果與現場實測結果較為符合。采取緩解措施后管道腐蝕速率與模擬計算緩解方案的安全評價目標較為接近，可達到預期治理效果。

3結論

利用數值模擬技術對高壓直流干擾進行了計算預測、緩解措施設計及效果預測，并在新建天然氣管道完工后和緩解措施實施后進行了現場實測驗證，得到結論如下。

（1）數值模擬計算結果與現場實測結果相吻合，表明數值模擬技術作為輔助工具能夠較好的預測高壓直流干擾。

（3）將排流緩解措施與新建天然氣管道同步設計和施工，可以大幅度減少建設成本和提高排流效果，本案例中采用了鋅帶陽極和強制排流相結合的緩解方案進行排流。后期測試結果顯示緩解方案能夠達到預期效果。

（4）對受干擾管道及陰保設施實施遠程監控。建議對干擾嚴重位置安裝ER腐蝕速率探頭監測腐蝕情況，與管道電位檢測結果對比和評估。管道安裝智能遠傳測試樁可對受干擾管道參數實時監測和遠程調控，降低運行維護成本，提高管理效率，保障管道的供氣安全。

參考文獻

[1] 周長李，胡漢董.特高壓直流電流對埋地管道的干擾及防護措施分析[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（22）：43-45.

[2] 李想，滕衛明，肖劍鋒，等.華東特高壓直流接地極對輸氣管道電干擾的監測及分析[J].腐蝕與防護，2020，41（4）：38-42.

[3] 趙書華，黎少飛，王樹立，等.高壓直流輸電接地流對油氣管道干擾及腐蝕規律數值模擬[J].油氣儲運，2022，41（4）：458-465.

[4] 胡亞博，吳志平，吳世勤，等.高壓直流接地極對埋地管道腐蝕的影響和管控思考[J].油氣儲運，2021，40（3）：256-262.

[5] 曹方園，白鋒.直流接地極電流干擾下土壤結構對管道泄漏電流分布影響[J].南方電網技術，2021，15（10）：3-11.