杭嘉管線交流干擾的排流設(shè)計(jì)

王健健

(勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

杭州-嘉興天然氣管道工程為浙江省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，于2009年底建成，包括杭嘉主干線和安吉支線、南潯支線三部分。其中杭嘉主干線全長(zhǎng)約87.20 km，管徑為813 mm;安吉支線全長(zhǎng)約52.05 km，管徑為273 mm;南潯支線全長(zhǎng)約19.34 km，管徑為273 mm。管道全線均采用加強(qiáng)級(jí)三層聚乙烯防腐層和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方法聯(lián)合保護(hù)，杭嘉主線在屠甸分輸站設(shè)陰極保護(hù)站1座，安吉支線、南潯支線分別在南潯末站和安吉末站各設(shè)陰極保護(hù)站1座。

杭嘉主干線管道沿線有多處高壓輸電線路，特別是在許橋村－下沙段約14 km的管道，多處與500 kV、220 kV的高壓輸電線路平行，中間經(jīng)過一個(gè)大型變電站及一個(gè)變電所，管道沿線自然電位波動(dòng)范圍大，陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行異常，可能存在較為嚴(yán)重的雜散電流干擾腐蝕。

1 交流干擾檢測(cè)及評(píng)估

檢測(cè)采用雜散電流測(cè)試儀，選擇有代表性的管段(許橋至下河段管道)進(jìn)行了交流干擾測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)交流干擾檢測(cè)結(jié)果見表1，交流干擾電位曲線見圖1。

(1)管道沿線共與110 kV、220 kV及500 kV三個(gè)等級(jí)的高壓輸電線路相鄰，尤其是500 kV的高壓輸電線路，幾乎與管道全線相伴隨(共11 km)。由于高壓輸電線路電壓等級(jí)高，并且平行距離較長(zhǎng)，對(duì)相鄰的杭嘉線管道產(chǎn)生的磁感應(yīng)干擾電壓總體較高，全線共有13處交流干擾屬于“強(qiáng)”等級(jí);

表1 管道交流干擾檢測(cè)結(jié)果Table 1 The test results of AC influence on pipeline

圖1 管道交流干擾電位曲線Fig.1 The AC influence curve

(2)高壓輸電線路與管道距離較近的地段(從CSWH22～CSWH14，與管道距離約20 m)，對(duì)管道產(chǎn)生的磁感應(yīng)干擾電壓也更高(平均值大于10 V)。特別是CSWH18～CSWH20的管段，除了高壓輸電線路與管道距離較近外，還有一座變電站，變電站有兩條500 kV高壓線路(分別與管道平行或交叉)，與管道最近處基本上重疊，這一段的管道磁感應(yīng)干擾值達(dá)到最高峰;而距離管道較遠(yuǎn)的地段(與管道距離超過100 m)，產(chǎn)生的磁感應(yīng)干擾電壓相對(duì)較低一些。

(3)同時(shí)，全線有16處直流雜散電流干擾屬于“強(qiáng)”等級(jí)。根據(jù)分析，由于管線上的陰極保護(hù)電位未出現(xiàn)明顯的正向偏移，而且出現(xiàn)直流干擾的管段基本上都存在較強(qiáng)的交流干擾，因此可判斷管道的雜散電流干擾主要是由于高壓輸電線路引起的交流干擾，直流干擾影響屬于交流干擾的波動(dòng)影響。

因此從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，杭州-嘉興天然氣管道“高壓輸電鐵塔接地體與管道的間距均超過10 m，高壓線與管道距離約20 m，變電站接地體與管道的間距超過70 m”，均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21447允許的最小水平安全距離，但管道受到的交流干擾仍然十分嚴(yán)重，必須采取與干擾程度相適應(yīng)的防護(hù)措施，確保管道的安全正常運(yùn)行。

為了驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試交流干擾電壓數(shù)據(jù)的可靠性，還根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0032-2000附錄B的埋地鋼質(zhì)管道磁干擾電壓簡(jiǎn)化計(jì)算公式，計(jì)算了杭嘉線許橋村～下沙段管道上的理論干擾電壓數(shù)值。根據(jù)公式，當(dāng)高壓輸電線路與管道平行接近時(shí)，若有效平行長(zhǎng)度在25 km以下，則管道上磁干擾電壓最大值可用下列公式計(jì)算:

本工程中:

U20m:查出U20m=140 V/kA，高壓線路與管道平行總長(zhǎng)度取11 km;

Ick:由于調(diào)查時(shí)無(wú)法獲得高壓輸電線短路電流，因此 Ick暫以輸電線路額定電流代入，即2.515 kA;

fd:查表得 M=600 ×10－6，由公式 B.0.1-2 計(jì)算得出fd=0.7594;

αγ:根據(jù)防腐層絕緣電阻值(約為5000 Ω·m2)，由公式B.0.1-3計(jì)算得出αγ=1.414;

α:取值0.4。

將上述各參數(shù)代入上述公式，計(jì)算得出Umax=151 V。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果可知，干擾段管道運(yùn)行過程中由于高壓輸電線路感應(yīng)的交流干擾電壓最大值可達(dá)到151 V，由于三層PE防腐層絕緣電阻值要遠(yuǎn)高于5000 Ω·m2，因此計(jì)算的感應(yīng)交流電壓值應(yīng)更高，而實(shí)際測(cè)試僅為70 V。這是由于高壓輸電線路與管道的實(shí)際距離并不是均勻的20 m在下沙附近距離稍遠(yuǎn)，同時(shí)由于土壤的復(fù)雜性，部分干擾影響可能被其它外部的埋地體吸收?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試交流干擾電壓最大值約70 V比理論計(jì)算值要低是可以理解的。當(dāng)高壓輸電線路產(chǎn)生故障電流時(shí)，由于故障電流大大高于運(yùn)行額定電流值，對(duì)管道產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)交流電壓將更高。因此，必須對(duì)管道交流干擾進(jìn)行防治。

2 排流方法選擇

高壓輸電線路對(duì)管道的影響主要有電容耦合干擾、電阻耦合干擾和電感耦合干擾3種。根據(jù)交流干擾理論，當(dāng)管道埋入地下后，強(qiáng)電線路的電容耦合干擾可以忽略不計(jì)［1］，交流干擾主要為電阻耦合干擾和感應(yīng)耦合干擾。

電阻耦合影響的干擾源為變電站或變電所及高壓鐵塔的接地體，由于接地體的影響范圍很小，非故障狀態(tài)下地電位也不會(huì)太高。只有在故障時(shí)，由故障電流引起的大地電位升高才是危險(xiǎn)的，其在管道上的干擾表現(xiàn)為瞬間狀態(tài)，不會(huì)有長(zhǎng)期持久的干擾狀態(tài)。

感應(yīng)耦合影響的干擾源為與管道平行或交叉的高壓輸電線路，由于杭嘉線管道在下沙～許村段多處與高壓線路平行或交叉，使得平行于高壓輸電線的管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，造成了這一帶管段上出現(xiàn)較高的交流干擾電壓影響，并且這一影響將是長(zhǎng)期持續(xù)的。

根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到施工、征地及工程量等因素，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦的方法和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本工程管道高壓輸電線路交流干擾排流防治選用隔直排流法。該方法不需要對(duì)管道進(jìn)行電絕緣隔斷，可以利用已有測(cè)試樁，避免管道二次開挖焊接，施工安裝工程量小，綜合造價(jià)低，便于管理維護(hù)。由于本工程管道處于生產(chǎn)運(yùn)行中，一旦停產(chǎn)將造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，并影響工業(yè)的生產(chǎn)和居民的生活，因此隔直排流法是適合本工程排流的措施。

排流設(shè)備采用固態(tài)去耦合器，排流接地體采用鋅帶和棒狀鋅合金犧牲陽(yáng)極相聯(lián)合的接地體。

2.1 固態(tài)去耦合器

固態(tài)去耦合器是一種集嵌位式排流與浪涌保護(hù)器于一體的交流干擾防護(hù)產(chǎn)品，具有較高的AC故障電流、雷電電流通流能力和極低的電壓保護(hù)水平?？砂惭b在管道附近的高壓輸電線路鐵塔/通訊鐵塔以及它們的接地系統(tǒng)附近、高壓輸電線路與管道并行段的公共走廊內(nèi)、管道與輸電線路交叉位置處、與電氣化鐵路并行的管段以及管道沿線RTU閥室的兩側(cè)，用來(lái)降低管道上感應(yīng)的交流雜散電流或雷電流對(duì)埋地管道的影響。同時(shí)，固態(tài)去耦合器可以防止管道上陰極保護(hù)電流的流失，確保管道陰極保護(hù)的有效性。

固態(tài)去耦合器主要技術(shù)及性能要求如下:

額定隔離電壓(泄漏電流不超過1 mA):2 V

阻斷電壓(1mA):+2 V

沖擊通流容量(4/10 μS):100 kA

穩(wěn)態(tài)電流:≤45A(在－2 V/+2 V條件下，20℃)

直流泄漏電流:≤1 mA(正常陰極保護(hù)電壓下，20～65℃)

故障 電 流 (AC-RMS，50/60Hz，30 周波):不小于3700 A

工作溫度:-45～60℃防護(hù)等級(jí):IP65

2.2 鋅帶

帶狀鋅合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格見表2。

表2 帶狀鋅合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格Table 1 The details of zinc ribbon anode

2.3 棒狀鋅合金犧牲陽(yáng)極

棒狀鋅合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格見表3。

表3 棒狀鋅合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格Table 1 The details of zinc rod anode

3 干擾排流點(diǎn)選擇

排流點(diǎn)的設(shè)置必須在現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)測(cè)試的基礎(chǔ)上根據(jù)下述原則和條件綜合確定:

3.1 相互位置條件

(1)被干擾管道首、末端;(2)管道接近或離開干擾源處;(3)管道與干擾源距離最小的點(diǎn);(4)管道與干擾源距離發(fā)生突變的點(diǎn);(5)管道穿越干擾源處。

3.2 技術(shù)條件

(1)交流電流密度較大的點(diǎn);(2)管道交流干擾電壓較高、且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的點(diǎn);(3)高壓輸電線導(dǎo)線換位處;(4)土壤電阻率低，便于接地體設(shè)置的場(chǎng)所。

根據(jù)管道沿線測(cè)試樁的布置，干擾段管道共設(shè) 8個(gè)排流點(diǎn)，分別為 CSWH13、CSLH02、CSWH16、CSWH18、CSWH19、CSLH03、CSWH22和CSWH26測(cè)試樁處。

4 交流干擾防治

每處干擾排流點(diǎn)設(shè)一臺(tái)固態(tài)去耦合器，位置在管道測(cè)試樁旁，與測(cè)試樁處于管道的同一側(cè)。為避免重新焊接對(duì)管道造成的破壞，去耦合器通過已建測(cè)試樁與管道電連接進(jìn)行排流保護(hù)。

每處干擾排流點(diǎn)設(shè)300 m鋅帶和1組6支棒狀鋅陽(yáng)極作為接地體。由于CSWH26為干擾段管道排流的末端，且高壓線較多，為確保排流保護(hù)效果，該處埋設(shè)鋅帶約 1000 m，沿管道自CSWH26樁敷設(shè)至CSW H25樁。為增強(qiáng)排流保護(hù)效果，棒狀鋅陽(yáng)極與鋅帶分別位于管道的兩側(cè)。鋅帶與管道同溝敷設(shè)，與管道凈距0.3～0.5 m，原則上敷設(shè)在管道存在高壓線/高壓線鐵塔或變電站/所的一側(cè)。除CSWH26樁外，在其它干擾排流點(diǎn)，而鋅帶均以去耦合器為中心，沿管道向兩側(cè)敷設(shè)。棒狀鋅合金犧牲陽(yáng)極的埋設(shè)必須采用化學(xué)填包料而鋅帶的敷設(shè)不需采用化學(xué)填包料。

由于干擾排流采用帶狀鋅陽(yáng)極和棒狀鋅陽(yáng)極相聯(lián)合的接地體，既確保接地體的接地電阻大大低于受干擾段的管道，又確保了排流接地的安全性;另外，由于鋅陽(yáng)極同時(shí)作為管道陰極保護(hù)的犧牲陽(yáng)極，其消耗主要在于保護(hù)電流的輸出，由于三層PE防腐層的優(yōu)異絕緣性能，管道所需的保護(hù)電流很小，大大小于鋅陽(yáng)極所能發(fā)出的理論最大輸出電流，因此可以確保鋅陽(yáng)極的實(shí)際使用壽命。

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)輸管道沿線環(huán)境復(fù)雜，容易受到雜散電流干擾，尤其是高壓輸電線路的交流干擾。通過杭嘉線的交流干擾可以看出，盡管管道與高壓輸電線路及其接地體等的安全距離滿足規(guī)范要求，但管道受到的交流干擾仍然十分嚴(yán)重。

(2)由于本工程管道的交流干擾防治是在管道投運(yùn)后實(shí)施，造成了二次進(jìn)場(chǎng)及征地，大大增加了工程費(fèi)用。

(3)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)實(shí)施，干擾評(píng)價(jià)和排流防治等的要求有新的調(diào)整和變化(如交流電流密度)，在今后的干擾研究中應(yīng)遵守和執(zhí)行。

CDEGS電磁干擾分析軟件包可以對(duì)管道雜散電流的干擾進(jìn)行建模、分析及預(yù)判，并可對(duì)防治措施進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此在管道設(shè)計(jì)階段即可考慮必要的措施，做到排流保護(hù)在管道建設(shè)時(shí)同步實(shí)施，很好的滿足長(zhǎng)輸管道建設(shè)的需要。

［1］胡士信.陰極保護(hù)工程手冊(cè)［M］.北京:北京工業(yè)出版社，1999:222-223.