蘇南成品油管道交流雜散電流干擾檢測(cè)及防護(hù)措施

陳亮

（中國(guó)石化銷售有限公司華東分公司，上海201100）

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，極大地促進(jìn)了石油、電力以及交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展［1］。由于地理位置的限制，相關(guān)部門在油氣管道與電力線路和電氣化鐵路的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中都會(huì)采取路徑“擇優(yōu)原則”，這就使得油氣管道不可避免要與高壓輸電線路或電氣化鐵路在“公共走廊”中小間距、長(zhǎng)距離的并行或交叉［2］；同時(shí)隨著防腐蝕涂層的發(fā)展，PE／3PE等高絕緣性能涂層的應(yīng)用越來越多，使得埋地管道面臨的交流干擾問題日益突出，嚴(yán)重威脅著管道及其相關(guān)設(shè)備的安全（絕緣法蘭、陰極保護(hù)設(shè)備等）以及工作人員的人身安全。此外，最令人擔(dān)憂的是，交流雜散電流干擾還會(huì)造成管道的腐蝕穿孔（即交流腐蝕），從而引起能源浪費(fèi)、環(huán)境污染以及火災(zāi)、爆炸等事故，因此埋地管道的交流干擾問題日益受到人們的關(guān)注。

本工作對(duì)蘇南成品油管道存在交流雜散電流干擾的管段進(jìn)行了全面檢測(cè)，掌握了蘇南成品油管道的交流雜散電流干擾的程度和來源，同時(shí)根據(jù)管道的交流干擾程度和現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，提出了蘇南成品油管道交流干擾的防護(hù)措施。

蘇南成品油管道工程（江南部分）在用主管線366km（見圖1），全線共有輸油工藝站場(chǎng)6座。管道的規(guī)格為：管徑φ406.4mm；壁厚7.1mm、7.9mm、8.7mm三種規(guī)格；管道材質(zhì)L415；管道直埋段采用加強(qiáng)級(jí)熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐蝕層，穿越段采用3PE防腐蝕層。

圖1 蘇南成品油管道走向示意圖Fig.1 Alignment graphics of Sunan refined oil pipelines

1 交流雜散電流干擾標(biāo)準(zhǔn)

最新標(biāo)準(zhǔn)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)》規(guī)定［3］，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，交流電流密度可按下式計(jì)算：

式中：JAC為評(píng)估的交流電流密度，A／m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率，Ω·m，ρ值應(yīng)取交流干擾電壓測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)處與管道埋深相同的土壤電阻率實(shí)測(cè)值；d為破損點(diǎn)直徑，m，d值按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0.011 3m。

管道受交流干擾的程度可按表1交流干擾程度的判斷指標(biāo)來判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標(biāo)Tab.1 Analyzing index of AC interference degree

當(dāng)交流干擾程度判定為“強(qiáng)”時(shí)，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“中”時(shí)，宜采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“弱”時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

2 交流雜散電流干擾檢測(cè)結(jié)果

本次對(duì)全線82處測(cè)試樁進(jìn)行了交流雜散電流干擾測(cè)試，其中14處干擾較小的位置進(jìn)行了1h的監(jiān)測(cè)，對(duì)干擾較嚴(yán)重的68處進(jìn)行了24h交流電壓的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集間隔為1s。測(cè)試結(jié)果顯示，雜散電流干擾的管段可以分為5個(gè)管段，分別為：鎮(zhèn)江六里村段、鎮(zhèn)江基馮路段、鎮(zhèn)江338省道段、常州338省道段和江陰段。

2.1 鎮(zhèn)江六里村段

對(duì)此段管道21個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行了測(cè)試，有20處管道的交流電壓最大值高于4V，1處管道交流電壓最大值接近4V，其中有11處管道的交流電壓最大值超過安全電壓15V，所有檢測(cè)位置的平均交流電壓均小于4V，管道的平均交流電流密度均小于30A／m2，交流干擾程度判定為“弱”，測(cè)試結(jié)果見圖2。此段管道的24h交流干擾電壓的監(jiān)測(cè)表明，管道白天時(shí)間段的交流電壓波動(dòng)較大，呈現(xiàn)不規(guī)則的脈沖式波動(dòng)，最高交流電壓能波動(dòng)到28V，夜間管道的交流電壓處于較低水平。調(diào)查發(fā)現(xiàn)此段管道沿線多處京滬高鐵交叉并行，且于NZ038測(cè)試樁附近穿越高鐵變電所，此段管道的附近未發(fā)現(xiàn)其他可能的干擾源，同時(shí)從管道的干擾電壓波形看出，在夜間高鐵停運(yùn)時(shí)，管道交流電壓處于較低水平，可以推斷此段管道交流干擾是由高鐵造成，屬典型的間歇干擾［4-6］。

圖2 鎮(zhèn)江六里村段管道交流電壓和平均交流電流密度Fig.2 The AC voltage and average AC current density diagram of Zhenjiang Liulicun pipeline

2.2 鎮(zhèn)江基馮路段

對(duì)此段管道7個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行了測(cè)試，有4處的交流電壓高于4V，4處交流電流密度處于30～100A／m2，交流干擾程度判定為“中”，測(cè)試結(jié)果見圖3。對(duì)段管道的24h的交流電壓監(jiān)測(cè)顯示，管道交流電壓隨時(shí)間發(fā)生一定的波動(dòng)，但是短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)幅度不大，均處在一個(gè)較高水平。調(diào)查發(fā)現(xiàn)此段管道沿線與多組高壓輸電線并行，高壓輸電線的等級(jí)多為500kV與220kV，同時(shí)交流電壓24h均處于一個(gè)較高水平，可以推斷此段管道交流干擾由高壓輸電線造成，屬于典型的持續(xù)干擾，由高壓輸電線路的電感耦合造成的［7］。

2.3 鎮(zhèn)江338省道段

對(duì)此段管道22個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行了測(cè)試，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示16處的管道交流電壓高于4V，其中有14處管道交流電流密度處于30～100A／m2，交流干擾程度判定為“中”，1處高于100A／m2，交流干擾程度判定為“強(qiáng)”，測(cè)試結(jié)果見圖4。對(duì)此段管道的24h的交流電壓監(jiān)測(cè)顯示，管道交流電壓隨時(shí)間發(fā)生一定的波動(dòng)，但是短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)幅度不大，均處在一個(gè)較高水平。調(diào)查發(fā)現(xiàn)此段管道沿線有多組高壓輸電線并行，高壓輸電線的等級(jí)多為220kV，且交流電壓24h均處于一個(gè)較高水平，推斷此段管道交流干擾由高壓輸電線造成的持續(xù)干擾。

圖3 鎮(zhèn)江基馮路段管道交流電壓和平均交流電流密度Fig.3 The AC voltage and average AC current density diagram of Zhenjiang Fengji road pipeline

2.4 常州338省道段

對(duì)此段管道20個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行了測(cè)試，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示15處的管道交流電壓高于4V，其中有9處管道交流電流密度處于30～100A／m2，交流干擾程度判定為“中”，測(cè)結(jié)果見圖5。對(duì)此段管道的24h的交流電壓監(jiān)測(cè)顯示，管道交流電壓隨時(shí)間發(fā)生一定的波動(dòng)，白天的波動(dòng)幅度較大，夜間的波動(dòng)幅度較小，同時(shí)24h的交流電壓均處在一個(gè)較高水平。調(diào)查發(fā)現(xiàn)此段管道沿線有多組高壓輸電線并行，高壓輸電線的等級(jí)多為220kV和500kV，且交流電壓24h均處于一個(gè)較高水平，推斷此段管道交流干擾由高壓輸電線造成。

2.5 江陰段

對(duì)此段管道12個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行了測(cè)試，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示8處的管道交流電壓高于4V，其中有6處的交流電流密度處于30～100A／m2，交流干擾程度判定為“中”，2處大于100A／m2，交流干擾程度判定為“強(qiáng)”，測(cè)試結(jié)果見圖6。對(duì)此段管道的24h的交流電壓監(jiān)測(cè)顯示，管道交流電壓隨時(shí)間發(fā)生一定的波動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間處在一個(gè)較高水平。調(diào)查發(fā)現(xiàn)此段管道沿線有多組高壓輸電線并行，高壓輸電線的等級(jí)多為220kV和500kV，且交流電壓24h均處于一個(gè)較高水平，推斷此段管道交流干擾由高壓輸電線造成，是典型的持續(xù)干擾。

4 鎮(zhèn)江338省道段管道交流電壓和平均交流電流密度圖Fig.4 The AC voltage and average AC current density diagram of Zhenjiang 338highway pipeline

圖5 常州338省道段管道交流電壓和平均交流電流密度Fig.5 The AC voltage and average AC current density diagram of Changzhou 338highway pipeline

圖6 江陰段管道交流電壓和交流電流密度Fig.6 The AC voltage and average AC current density diagram of Jiangyin pipeline

3 交流干擾防護(hù)措施的設(shè)計(jì)

測(cè)試管道中有4個(gè)管段的交流干擾程度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，1個(gè)管道（鎮(zhèn)江六里村段）管道交流電流密度較小，但是管道瞬間的交流電壓較高，因此均需要采取干擾防護(hù)措施。

通過在受干擾的管道設(shè)置一處臨時(shí)的緩解地床，測(cè)試臨時(shí)緩解地床的排流效果，即緩解地床連接前管道交流電壓VO，緩解地床連接后管道的交流電壓Vmit，緩解地床的接地電阻R。根據(jù)研究報(bào)告《AC PREDICTIVE AND MITIGATION TECH-NIQUES》［5］提供的簡(jiǎn)化公式估算排流地床的預(yù)期接地電阻公式，反推出管道的特征阻抗Z，再利用此公式計(jì)算出每個(gè)交流干擾防護(hù)點(diǎn)降低到標(biāo)準(zhǔn)要求的交流電壓值需要的緩解地床的接地電阻值。

本次于江陰段CJ4199測(cè)試樁處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，安裝臨時(shí)鋅接地地床，地床接地電阻為6.75Ω，將管道與臨時(shí)地床連接，連接前管道的交流電壓為7.5V，連接后管道交流電壓降低到6V，通過以上公式，計(jì)算出管道的特征阻抗值為3.375Ω。

本次交流干擾防護(hù)措施采用固態(tài)去耦合器［4］和鋅帶，鋅帶選擇埋深為1.5m，填包料的直徑選擇為20cm。根據(jù)測(cè)試的管道交流電壓的分布，管道的特征阻抗和土壤電阻率，確定交流干擾防護(hù)措施的位置和每個(gè)防護(hù)點(diǎn)的排流地床鋅帶的長(zhǎng)度。對(duì)于由高鐵造成的交流干擾，交流電流密度較小，考慮將交流電壓降低到安全電壓15V以下［6］，高壓輸電線造成的持續(xù)的交流干擾，交流電流密度較大，將交流電壓降低到4V［3］。設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)排流地床的接地電阻考慮50%裕量，即設(shè)計(jì)時(shí)采用的接地電阻為計(jì)算值的50%。

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方法，分別給5段管道提出的交流干擾防護(hù)措施，共設(shè)置39處交流干擾防護(hù)措施。（1）鎮(zhèn)江六里村段設(shè)置8個(gè)干擾防護(hù)措施；（2）鎮(zhèn)江基馮路段設(shè)置4個(gè)干擾防護(hù)措施；（3）鎮(zhèn)江338省道段設(shè)置13個(gè)干擾防護(hù)措施；（4）常州338省道段設(shè)置9個(gè)干擾防護(hù)措施；（5）江陰段設(shè)置4個(gè)干擾防護(hù)措施。具體位置見表2。

4 結(jié)論

（1）蘇南成品油管道共有5個(gè)管段的雜散電流干擾較為嚴(yán)重，其中一個(gè)管段的交流干擾是由高鐵造成，其他四個(gè)管段是由高壓輸電線造成。

（2）此管道共有33處的交流干擾程度評(píng)價(jià)為“中”，3處的交流干擾程度評(píng)價(jià)為“強(qiáng)”。

（3）高鐵造成管道的交流干擾電壓波動(dòng)規(guī)律和高壓輸電線造成有明顯區(qū)別，高鐵造成的交流干擾電壓呈脈沖式的波動(dòng)，典型的間歇干擾［1］。且在白天時(shí)間段，高鐵運(yùn)行時(shí)，交流干擾電壓峰值較高，在夜間，高鐵停運(yùn)時(shí)，管道交流干擾電壓較小。高壓輸電線造成的干擾電壓在24h內(nèi)均處于較高水平，整體波動(dòng)不大，呈典型的持續(xù)干擾，是由于高壓輸電線路的電感耦合造成的［7］。

表2 蘇南管道的交流干擾防護(hù)措施參數(shù)表Tab.2 Interference mitigation measures for Sunan refined oil pipelines

（4）確定了交流干擾的防護(hù)措施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，計(jì)算了每個(gè)管段的排流地床參數(shù)?；O(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

（1）腐蝕成分分析顯示，在出口集合管盲端法蘭內(nèi)側(cè)發(fā)生了高溫硫腐蝕。富氫環(huán)境使腐蝕產(chǎn)物疏松多孔，在高流速流體沖刷下發(fā)生了沖刷腐蝕。

（2）介質(zhì)在J面上始終以一種漩渦狀的形態(tài)順時(shí)針流動(dòng)，在J面右下側(cè)漩渦強(qiáng)度最大。隨著介質(zhì)處理量的增加，J面右下側(cè)漩渦的渦量值也不斷增大。J面上介質(zhì)切向速度分布不均勻，右下側(cè)介質(zhì)速度最大，隨著處理量的增加，速度也不斷增大。

（3）J面右下側(cè)漩渦流的渦量值和速度都明顯高于其他部位，介質(zhì)對(duì)壁面的沖刷破壞也明顯比其他部位嚴(yán)重，使得腐蝕產(chǎn)物不斷被沖刷帶走，從而加劇了腐蝕進(jìn)程。

（4）優(yōu)化的平蓋結(jié)構(gòu)使集合管盲端介質(zhì)漩渦流程度和切向速度大大降低且分布均勻，有效改善了漩渦流對(duì)法蘭內(nèi)壁的沖刷作用，達(dá)到防腐蝕的目的。

［1］MA H K，HOU B R，WU H Y，et al.Development and application of a diaphragm micro-pump with piezoelectric device［J］.Microsystem Technologies，2008，14（7）：1001-1007.

［2］錢家麟.管式加熱爐第二版［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.

［3］劉偉，孫鐵，王燦，等.FLUENT軟件在石油化工設(shè)備中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)，2008，27（2）：77-79.

［4］梁光川，聶暢.基于FLUENT輸油管道彎頭沖蝕分析［J］.腐蝕與防護(hù)，2013，34（9）：822-824.

［5］程嘉瑞，楊向同.API油管接箍液固兩相流體沖蝕數(shù)值模擬［J］.腐蝕與防護(hù)，2013，34（12）：1067-1071.

［6］盧綺敏.腐蝕與防護(hù)全書：石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)［M］.北京：化工工業(yè)出版社，2001.

［7］孫家孔.石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護(hù)手冊(cè)［M］.中國(guó)石化出版社，1996.

［8］王蟬，趙杉林，張振華.鐵的氧化物高溫H2S腐蝕產(chǎn)物的自然氧化傾向性［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（1）：4-6.

［9］朱燕群，劉克儉.石油加工行業(yè)中硫化氫的危害性及安全對(duì)策分析［J］.職業(yè)與健康，2006，22（16）：1248-1250.

［10］朱紅鈞.FLUEN流體分析及工程仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［11］溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.