郭磊 王磊磊 丁疆強(qiáng)

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司

摘要：管道雜散電流干擾主要涉及管道與土壤、其他設(shè)施之間的電位差和電流流動(dòng)，通過總結(jié)西氣東輸管道雜散電流干擾防護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出高壓直流電區(qū)域管道風(fēng)險(xiǎn)防控、動(dòng)態(tài)直流干擾規(guī)律及腐蝕防護(hù)、交直流交互干擾規(guī)律及腐蝕防護(hù)等安全邊界，以問題為導(dǎo)向，實(shí)施有效的干擾防護(hù)措施，消減管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，保證管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雜散電流；安全邊界；腐蝕防護(hù)

西氣東輸管道途經(jīng)西部資源聚集區(qū)域和東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，受明顯交直流雜散電流干擾影響。其中高壓直流輸電線路接地極、地鐵、有軌電車等直流干擾源占8.5%，高壓交流輸電線路等交流干擾源占85.7%，地磁場(chǎng)、潮汐等其他干擾源占5.8%。

1  高壓直流電區(qū)域管道風(fēng)險(xiǎn)防控安全邊界

在全國建立了18個(gè)高壓直流干擾加速實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，覆蓋我國典型的地區(qū)，獲得了高壓直流干擾在不同地區(qū)干擾風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)。針對(duì)高壓直流接地極放電干擾對(duì)管道的氫脆、斷裂控制、腐蝕、設(shè)備設(shè)施安全的影響，從理論、試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等不同維度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并建立了西氣東輸公司范圍內(nèi)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行安全邊界、腐蝕防護(hù)安全邊界、X80鋼管道氫脆風(fēng)險(xiǎn)判定指標(biāo)及綜合安全邊界條件。

1.1  高壓直流干擾規(guī)律

高壓直流輸電系統(tǒng)主要干擾源為高壓直流接地極，在輸電系統(tǒng)故障或檢修時(shí)，通常采用單極大地方式運(yùn)行。數(shù)千安的電流通過接地極泄放到大地中，造成接地極附近的管道受到明顯的穩(wěn)態(tài)直流干擾。接地極陽極放電時(shí)，電流從接地極入地，靠近接地極的管段吸收雜散電流，使近端管道電位負(fù)向偏移，雜散電流從遠(yuǎn)端管道流出，造成遠(yuǎn)端管道電位正向偏移；接地極陰極放電時(shí)，雜散電流從近端管道流出回到接地極，使近端管道電位正向偏移，遠(yuǎn)端管道吸收電流，造成遠(yuǎn)端管道電位負(fù)向偏移。

1.2  設(shè)備設(shè)施可靠運(yùn)行安全邊界

對(duì)于自控儀表設(shè)備，主要風(fēng)險(xiǎn)為引壓管絕緣卡套/絕緣墊片發(fā)生燒蝕；對(duì)于電力設(shè)備，主要風(fēng)險(xiǎn)為高壓直流接地極放電期間管道操作人員觸電、電驅(qū)壓氣站變壓器直流偏磁。相應(yīng)的安全邊界如下。

閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒蝕安全條件，引壓管上、絕緣卡套兩側(cè)電壓差限制條件：①小于4 V時(shí)，可不采取措施；②4 V～10 V時(shí)，應(yīng)保證閥室相鄰的引壓管間間距不小于10 mm；③大于10 V，應(yīng)采取排流防護(hù)措施將引壓管上絕緣卡套兩側(cè)電壓差降至10 V之內(nèi)。

陰極保護(hù)設(shè)備、電涌保護(hù)裝置損毀安全條件：陰極保護(hù)設(shè)備、浪涌保護(hù)裝置不發(fā)生損毀，不影響正常工況下陰極保護(hù)的保護(hù)范圍，接地網(wǎng)不泄漏陰極保護(hù)電流。

直流偏磁安全條件：降低直流偏磁，直流電流不超過常用的三相三柱變壓器額定電流0.7%。

1.3  腐蝕防護(hù)安全邊界

高壓直流放電期間，管道的干擾電壓基本不變，即高壓直流干擾為恒電壓干擾。在高壓直流干擾下，防腐層破損點(diǎn)電流密度與腐蝕速率基本符合法拉第定律。在大的恒定干擾電壓下，電流密度曲線變化較大，呈現(xiàn)隨時(shí)間大幅降低，然后趨于穩(wěn)定的過程。這主要是由于局部土壤干燥導(dǎo)致接地電阻升高，電流密度下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合腐蝕速率0.1 mm/a和0.01 mm/a的限制條件，形成高壓直流干擾腐蝕防護(hù)安全邊界（表 1、圖 1）。

表 1 高壓直流電區(qū)域管道腐蝕防護(hù)安全邊界

圖 1 高壓直流電區(qū)域管道腐蝕防護(hù)安全邊界評(píng)估

1.4  氫脆控制安全邊界

獲得高壓直流干擾電參數(shù)、環(huán)境因素等對(duì)氫脆的影響規(guī)律，確定放電時(shí)不同電流密度下，接地極年放電時(shí)間的限制，形成高壓直流干擾氫脆控制安全邊界（表 2、圖 2），當(dāng)干擾時(shí)長(zhǎng)和干擾電流位于圖譜紅色區(qū)間時(shí)，X80鋼具有氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

表 2 高壓直流電區(qū)域管道氫脆控制安全邊界

圖 2 X80鋼氫脆控制安全邊界

2  動(dòng)態(tài)直流干擾規(guī)律及腐蝕防護(hù)安全邊界

研究西氣東輸公司范圍內(nèi)地鐵及現(xiàn)代有軌電車對(duì)埋地管道的干擾機(jī)理、干擾規(guī)律、干擾形態(tài)、損傷機(jī)理，確定動(dòng)態(tài)直流干擾的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1  地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾規(guī)律

白天地鐵運(yùn)行時(shí)間段（5:00～00:30），管道電位以未受干擾時(shí)的夜間電位為中心值正負(fù)波動(dòng)。干擾周期均在秒到分鐘的數(shù)量級(jí)，一般為20 s到3 min之間。越靠近地鐵段，管道電位波動(dòng)幅值越大，西氣東輸管道電位正向波動(dòng)最大值超過﹢10 V，負(fù)向波動(dòng)最大值超過﹣12 V。隨管道距離地鐵越來越遠(yuǎn)，管道電位波動(dòng)幅值逐漸降低。

2.2  現(xiàn)代有軌電車動(dòng)態(tài)直流干擾規(guī)律

僅電車進(jìn)站充電時(shí)產(chǎn)生干擾。站臺(tái)附近鐵軌與其他走行軌通過絕緣節(jié)進(jìn)行電隔離，雜散電流主要在電車充電時(shí)，通過站臺(tái)處走行軌擴(kuò)散到外界土壤中，對(duì)附近管道造成動(dòng)態(tài)直流干擾。

有軌電車干擾特性為脈沖式干擾。干擾時(shí)間一般為5:00～21:00，干擾周期均在秒到分鐘的數(shù)量級(jí)，電車進(jìn)站充電平均時(shí)間為15 s，干擾脈沖時(shí)間一般為13 s～22 s，正向波動(dòng)最大值可達(dá)﹢2 V，負(fù)向波動(dòng)最大值可達(dá)﹣4 V。

2.3  動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕防護(hù)安全邊界

確定動(dòng)態(tài)直流干擾評(píng)價(jià)方法。在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)采用管道極化電位相對(duì)于在該環(huán)境中管道陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則偏移量及時(shí)間比例進(jìn)行判斷。

劃分動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。進(jìn)一步細(xì)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，將評(píng)價(jià)等級(jí)分為高、中、低三級(jí)（表 3）。

表 3 動(dòng)態(tài)直流干擾腐蝕防護(hù)安全邊界

3  交直流交互干擾規(guī)律及腐蝕防護(hù)安全邊界

開展了交直流交互作用下管道腐蝕行為及規(guī)律研究，系統(tǒng)分析了交直流交互作用對(duì)X80鋼電化學(xué)特性參數(shù)、擴(kuò)散電阻、陰極保護(hù)參數(shù)、腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物成分和腐蝕速率的影響，分別構(gòu)建了西氣東輸公司范圍內(nèi)交直流交互作用下基于極化電位及基于電流密度的腐蝕評(píng)判指標(biāo)。

3.1  交直流交互干擾規(guī)律

交流電明顯加速了試樣的腐蝕速率，同一極化電位下，腐蝕速率隨交流電流密度增大而增大，而增幅則存在逐漸放緩的趨勢(shì)；同一交流電流密度下，腐蝕速率隨極化電位負(fù)移而減小。

當(dāng)交流電流密度小于100 A/m²時(shí)，試樣極化電位位于﹣0.95 V～﹣1.10 V（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極）區(qū)間時(shí)，可將腐蝕速率控制在0.1 mm/a以下。

交流電使X80鋼的自腐蝕電位負(fù)向偏移，增大了自腐蝕電流密度、陰極和陽極電流密度，對(duì)陰極陽極的反應(yīng)過程均有一定的促進(jìn)作用，且對(duì)陽極反應(yīng)過程的影響大于對(duì)陰極，促進(jìn)了X80鋼的自腐蝕，其腐蝕形貌發(fā)生均勻腐蝕→點(diǎn)腐蝕→局部腐蝕的轉(zhuǎn)變；高的交流電流密度下，腐蝕產(chǎn)物中出現(xiàn)γ-FeOOH。

3.2  交直流交互干擾腐蝕防護(hù)安全邊界

基于極化電位的評(píng)判指標(biāo)：交流電流密度低于30 A/m²時(shí)，電位應(yīng)為﹣0.85 V～﹣1.10 V之間；交流電流密度在30 A/m²～100 A/m²時(shí)，電位應(yīng)在﹣0.95 V～﹣1.10 V之間。

基于電流密度的評(píng)判指標(biāo)：管道平均交流電流密度低于30 A/m²時(shí)，平均直流電流密度應(yīng)在0.15 A/m²～0.95 A/m²之間；管道平均交流電流密度為30 A/m²～100 A/m²之間時(shí)，平均直流電流密度應(yīng)在0.79 A/m²～0.95 A/m²之間。

4  風(fēng)險(xiǎn)防范和消減措施

針對(duì)管道面臨的雜散電流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，以問題為導(dǎo)向，采取有效的干擾防護(hù)措施，消減管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，保證管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

4.1  高壓直流干擾消減防護(hù)措施

線路管道采取絕緣接頭分段和鋅帶排流的防護(hù)方案，有效降低了管道沿線干擾電壓和腐蝕速率。在站場(chǎng)閥室研發(fā)了大功率排流器，實(shí)現(xiàn)了管地間高電壓等電位處理。排流器最大排流量可達(dá)240 A，并具備管地電壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)和超壓時(shí)等電位連接功能，可消除站場(chǎng)閥室放電燒蝕風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后有效降低了站場(chǎng)閥室燒蝕和線路管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)（圖 3～圖 5）。

圖 3 鋅帶排流效果

圖 4 絕緣接頭分段效果

圖 5 站場(chǎng)閥室大功率排流器效果

4.2  地鐵等動(dòng)態(tài)直流干擾消減防護(hù)措施

對(duì)地鐵等動(dòng)態(tài)直流干擾采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和極性排流聯(lián)合防護(hù)方式，有效減少雜散電流流入，全線電位水平均得到改善。陰保系統(tǒng)在恒位、恒流工作模式下，通電電位波動(dòng)幅值減小，斷電電位明顯負(fù)向偏移，陰極保護(hù)有效（圖 6）。

圖 6 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)＋極性排流效果

4.3  交直流交互作用下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)綜合防護(hù)措施

采用現(xiàn)場(chǎng)排流試驗(yàn)測(cè)試研究了不同排流地床和排流器組合下的排流效果，明確了交直流交互作用工況下有效的緩解措施及其作用范圍，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)排流可在較長(zhǎng)距離范圍內(nèi)有效抑制動(dòng)態(tài)直流干擾，對(duì)于動(dòng)態(tài)直流干擾治理效果最佳，但對(duì)于交流干擾改善不理想。犧牲陽極接地排流不適合動(dòng)態(tài)正向干擾強(qiáng)度高的情況下，犧牲陽極接地排流可在有限的范圍內(nèi)對(duì)交流和直流干擾有一定程度的緩解。其中鋅帶直接排流時(shí)管道保護(hù)效果較差，而采用鎂帶直接排流時(shí)管道陰極保護(hù)全時(shí)刻達(dá)標(biāo)。排流地床不同連接方式時(shí)，直接排流的效果優(yōu)于極性排流，極性排流優(yōu)于固態(tài)去耦合器排流。三種連接方式下，遠(yuǎn)端管道電位均無正向偏移。基于獲得的防護(hù)措施適用性和有效作用范圍研究成果，明確了單一的排流方式均存在一定的弊端，在實(shí)際的工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求針對(duì)性選用綜合控制措施，確保排流效果（表 4）。

表 4 交直流交互干擾防護(hù)措施和效果

5  結(jié)語

隨著管道沿線交直流雜散電流干擾源不斷增多，管道雜散電流干擾防護(hù)工作面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。西氣東輸管道主要位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角地區(qū)，雜散電流干擾問題尤為突出，是可能造成管道本體腐蝕失效的主要因素。通過針對(duì)性地開展高壓直流、地鐵動(dòng)態(tài)直流以及交直流交互干擾相關(guān)研究，并基于研究成果開展相應(yīng)的防護(hù)和治理工作，雜散電流干擾腐蝕問題得到較好的抑制，西氣東輸管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)整體可控。我們也將繼續(xù)基于轄區(qū)內(nèi)管道雜散電流干擾實(shí)際情況，更加深入地推進(jìn)雜散電流干擾防護(hù)工作，保障能源大動(dòng)脈長(zhǎng)效、安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：郭磊，1985年生，高級(jí)工程師，上海市青年崗位能手。2011年碩士畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)任公司科技數(shù)字中心完整性所所長(zhǎng)，主要從事管道完整性科研與技術(shù)支持工作。聯(lián)系方式：021-50958702，guolei04@pipechina.com.cn。