直流接地極影響地下金屬管道問題研究

陳海焱，劉小強

(1.電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

直流接地極影響地下金屬管道問題研究

陳海焱1，劉小強2

(1.電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

接地極是高壓直流輸電工程的重要組成部分。近年來，直流接地極影響地下金屬管道的問題受到了廣泛關(guān)注，本文主要對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行綜述，指出目前直流接地極影響地下金屬管道的機理以及防治措施研究過程中迫切需要解決的問題，并對該領(lǐng)域今后應該進一步深入研究的方向提出了若干建議。

高壓直流輸電；接地極；金屬管道；腐蝕；陰極保護。

1 概述

當直流輸電工程采用單極大地運行方式時，接地極入地電流將會使得接地極附近大地電位升高，一方面可能使直流電流流過具有接地系統(tǒng)的電氣設(shè)施，從而影響電氣設(shè)施的正常運行，另一方面還可能導致極址周圍地下金屬管道產(chǎn)生電腐蝕或者陰極保護運行異常等問題。對于前者，接地極的影響主要體現(xiàn)在直流偏磁問題，該問題在電力行業(yè)已得到了相當重視，治理措施方面也取得了一定的工程經(jīng)驗。而對后者來說，接地極地電流對地下金屬管道的影響缺乏快速評估和有效治理的方法，而且由于金屬管道大多埋設(shè)在地下，在接地極的工程建設(shè)中往往容易忽視，這給當前電力部門的直流輸電工程建設(shè)留下了安全隱患。

在國內(nèi)建成的直流輸電工程中，已經(jīng)出現(xiàn)多起接地極影響周邊地下油氣輸送管道設(shè)施的案例，如：溪洛渡送電廣東±500 kV直流輸電工程、向家壩－上海特高壓直流輸電工程、三峽－上?！?00 kV直流工程等，這些事故暴露出直流接地極影響油氣輸送管道的分析計算還存在較大的局限性，迫切需要從機理上進行更加深入的研究，并從工程上提出有效的防范措施。

近年來，直流接地極影響地下金屬管道的問題受到了廣泛關(guān)注，本文主要對該領(lǐng)域的最新研究情況進行綜述，指出目前直流接地極影響地下金屬管道的機理與防治措施研究過程中迫切需要解決的問題，并對該領(lǐng)域今后應該進一步深入研究的方向提出了若干建議。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

有關(guān)直流接地極對地下金屬管道的影響國內(nèi)已開展了一些理論計算和研究，大多集中在埋地金屬管道腐蝕、陰極保護運行、最小保護距離等方面。

2.1 金屬管道腐蝕研究

從已有的文獻和標準來看，評價金屬管道腐蝕程度時一般采用兩個重要參數(shù)：管道泄漏電流密度和土壤地電位梯度(反映的是土壤中流動的雜散電流的強弱)。國內(nèi)近期經(jīng)過修訂發(fā)布的電力行業(yè)標準《高壓直流輸電線路大地返回運行系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》DL/T 5224－2014中規(guī)定：對非絕緣的地下金屬管道，在正常額定電流下，如果泄漏電流密度大于1 μA/cm2，或者累積腐蝕量(厚度)影響到其安全運行，應采取保護措施。IEC在2007年發(fā)布的高壓直流輸電接地極設(shè)計導則“General guidelines for the design of ground electrodes for high－voltage direct current(HVDC) links(NPPAS)”(IEC PAS 62344)中規(guī)定對非絕緣的地下金屬管道泄漏電流密度限值為1 μA/cm2，與我國電力行業(yè)標準規(guī)定一致。我國其他如城鎮(zhèn)建設(shè)等行業(yè)標準中也規(guī)定了金屬構(gòu)件允許泄漏電流密度的限值要求，如《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》CJJ 49－1992中規(guī)定生鐵、混凝土中鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)等不同金屬構(gòu)件材質(zhì)對應的泄漏電流密度限值分別為7.5 μA/cm2、6.0 μA/cm2和1.5 μA/cm2，其限值遠大于電力行業(yè)標準。在石油天然氣行業(yè)中，近期制定發(fā)布的國家標準《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》GB 50991－2014中明確規(guī)定：對設(shè)計階段的管道，可采用地電位梯度來判別，當管道兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)地電位梯度大于0.5 MV/m時，確認存在直流干擾；當?shù)仉娢惶荻却笥?.5 MV/m時，應評估直流干擾的影響和根據(jù)評估結(jié)果預設(shè)防護措施。

從以上DL/T 5224和GB 50991兩項標準可知，電力行業(yè)標準以泄漏電流密度的大小，而石油天然氣行業(yè)標準以土壤電位梯度來評價金屬管道腐蝕程度。但是實際工程中這兩個參數(shù)評價地電流對金屬管道的腐蝕影響都不可避免存在局限性，因為金屬管道的腐蝕不僅取決于電流密度或者地電位梯度，關(guān)鍵取決于金屬管道的累計腐蝕厚度，即與接地極地電流的累計持續(xù)時間還有關(guān)系。因此實際工程中，要計算金屬管道的累計腐蝕厚度，還需統(tǒng)計各種工況下直流輸電工程單極大地運行小時數(shù)(與建成初期單極大地運行時間以及工程投產(chǎn)后的一極強迫停運率、一極計劃停運率等幾個因素相關(guān))。關(guān)于直流接地極對地下金屬管道腐蝕問題，國際大電網(wǎng)會議CIGRE指出，對泄漏電流密度為1 μA/cm2，在一年時間內(nèi)對鐵材料的腐蝕厚度是0.174 mm，是可以接受的。

2.2 陰極保護影響研究

在石油天然氣行業(yè)中絕大多數(shù)埋地金屬管道都采用了絕緣防腐層(3LPE、石油瀝青、煤焦油瓷漆等)，嚴格來說分析對這些類型金屬管道的影響采用泄露電流和土壤電位梯度這兩個指標是不適用的，只有在管道未建、設(shè)計階段評估時可采用這兩個參數(shù)進行粗略分析?？紤]實際工程中管道絕緣層難免出現(xiàn)破損點，因此重要的埋地長金屬管道一般都安裝了陰極保護裝置。

針對做了絕緣防腐處理的埋地金屬管道，DL/T 5224和GB 50991都對管地電位的偏移進行了規(guī)定，其中DL/T 5224規(guī)定了在等效入地電流下如管道對其周邊土壤電壓超出－1.5 V～－0.85 V范圍，應采取保護措施。GB 50991規(guī)定對未實施陰極保護的管道，可采用管地電位偏移來判別，當任意點的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20 MV時確認存在直流干擾，當正向偏移大于或等于100 MV時應采取防護措施；規(guī)定對已實施陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施。關(guān)于最小保護電位的要求，GB 50991中并未給出具體規(guī)定，但是在《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》GB/T 21448和IEC PAS 62344－2007標準中有明確規(guī)定，其中GB/T 21448規(guī)定的正常管道陰極保護電位范圍為－1.2V～－0.85 V，IEC規(guī)定的陰保電位范圍為－1.1V～－0.85 V，與國內(nèi)標準略有差異。另一方面，考慮接地極入地電流對金屬管道的影響是動態(tài)干擾(電流可大可小、持續(xù)時間可長可短)，目前國內(nèi)陰極保護準則并沒有明確規(guī)定在動態(tài)直流干擾下允許金屬管道電位偏離陰極保護電位的程度與時長，造成現(xiàn)有標準無法有效指導動態(tài)直流干擾下陰極保護系統(tǒng)的運行管理。

從實際工程暴露出的問題看，導致管道陰極保護的異常運行是直流接地極地電流影響埋地金屬管道的一個重要體現(xiàn)，雖然DL/T 5224和GB 50991中有相應的識別和判定條款，但是在接地極工程設(shè)計中如何量化計算極址周邊金屬管道的管地電位偏移還面臨管道資料收集不夠詳細、大地土壤模型建立不夠精確、計算方法和工具還不夠完善等諸多困難，一般只能在工程建成調(diào)試時通過實測來確定入地電流對金屬管道陰極保護運行的影響。一旦到了調(diào)試階段就意味著接地極工程已建成，若調(diào)試過程中對管道出現(xiàn)較大影響，此時再考慮更換接地極極址在工程上將是難以接受的，最好的解決方式只能是配合管道部門采取相應的防治措施來解決。需要強調(diào)的是，GB 50991是國家強制性標準，其中3.0.8條是強制性條款，明確規(guī)定“當確認管道受直流干擾影響和危害時，必須采取防護措施”。因此在接地極極址選擇階段，一方面要求對極址周邊數(shù)十公里范圍的埋地金屬管道進行詳細的收資調(diào)查(該項工作需要得到管道建設(shè)方和設(shè)計方的支持與配合)，杜絕出現(xiàn)可能導致影響的重要管道的遺漏、疏漏，另一方面也要求重視量化計算入地電流對金屬管道的影響，為極址選擇決策提供全面科學的依據(jù)。

2.3 最小防護距離研究

目前國內(nèi)標準中評估接地極對金屬管道不良影響的最小距離有一些相關(guān)規(guī)定。DL/T 5224中規(guī)定在接地極與地下金屬管道最小距離(d)小于10 km或者地下金屬結(jié)構(gòu)的長度大于d的情況下，應計算接地極地電流對管道產(chǎn)生的不良影響，國網(wǎng)公司企標規(guī)定更為嚴格，將這一評估不良影響的最小距離擴大到30 km。《高壓直流接地極技術(shù)導則》DL/T 437規(guī)定預選極址10 km范圍內(nèi)原則上不宜有地下金屬管道等設(shè)施。

事實上，規(guī)定最小防護距離或評估影響的最小距離往往來自經(jīng)驗值，沒有科學依據(jù)，因為接地極對金屬管道的影響與直流輸電工程的輸電容量、極址周邊大地土壤特性、金屬管道本身的防護措施等眾多因素有關(guān)，每個工程的具體情況不同，很難用統(tǒng)一的標準來規(guī)定。一般來講，接地極極址距離埋地金屬管道越遠對其影響越弱，而從工程決策的角度總希望能找到這樣一個直流接地極與地下金屬管道的最小防護距離，即大于此距離時認為對金屬管道無影響，但是這往往是非常困難的?，F(xiàn)階段在工程設(shè)計中部分設(shè)計院以行標DL/T 437中規(guī)定的10 km近似作為最小防護距離，也有部分設(shè)計院采用GB 50991中規(guī)定的地電位梯度2.5 MV/m作為邊界條件，也即當接地極周圍地電位梯度衰減到2.5 MV/m時，此處距極址中心的距離被認為是最小防護距離。

3 迫切需解決的問題

從國內(nèi)外情況來看，直流接地極影響地下金屬管道的機理與防治措施還需學術(shù)界和工程界進行更加深入研究，迫切需要解決以下問題：

(1)接地極入地電流對埋地金屬管道的腐蝕能否進行精確的量化計算，能否明確管道腐蝕的判定標準，通過量化計算的手段來評估影響，從而為接地極極址選擇提供依據(jù)。

(2)如果腐蝕計算結(jié)論表明管道腐蝕量在工程上無法接受，管道部門是否具備措施來解決，代價有多大，在接地極極址選擇論證工作中探討是否可以吸納石油管道建設(shè)方共同研究提出綜合最優(yōu)方案，從而創(chuàng)新目前的接地極建設(shè)管理模式。

(3)當接地極入地電流對管道陰極保護造成影響時，管道部門能否通過在運行上采取適當措施以相對較小的代價加以解決，而不必限制高壓直流輸電運行方式、更換接地極極址或者改遷管道。

4 建議

鑒于以上分析，筆者針對接地極影響地下金屬管道問題的未來研究方向提出以下建議：

(1)大地土壤參數(shù)及模型是影響工程計算精度的重要因素，目前工程中一般只對接地極極址周圍1～2 km范圍內(nèi)的大地土壤參數(shù)進行測量，然后在仿真模型中以此小范圍的測量數(shù)據(jù)來模擬假設(shè)極址周圍數(shù)十甚至數(shù)百公里范圍內(nèi)土壤參數(shù)，因此目前工程仿真計算中大地土壤參數(shù)的有關(guān)取值存在局限性，計算結(jié)果與實際情況必然會存在差異。未來應深入研究和建立適應工程要求的大地土壤計算模型，并在此基礎(chǔ)上提出量化金屬管道腐蝕程度的計算方法。

(2)金屬管道的腐蝕不僅取決于泄露電流密度或者地電位梯度，關(guān)鍵取決于金屬管道的累計腐蝕厚度。目前不論是電力行業(yè)標準DL/T 5224還是國家標準GB 50991，均未對金屬管道可接受的腐蝕厚度有明確的規(guī)定。未來電力行業(yè)應配合有關(guān)管道部門，分別針對不同材質(zhì)的金屬管道，研究提出工程上可接受的腐蝕厚度，為接地極入地電流腐蝕地下金屬管道提供科學的判定標準。

(3)深入調(diào)研國內(nèi)外各類型埋地金屬管道抗腐蝕防治措施的研究現(xiàn)狀和應用情況，并在技術(shù)經(jīng)濟綜合比較的基礎(chǔ)上，提出各種措施的應用場合。

(4)建議電力行業(yè)聯(lián)合管道部門，研究在動態(tài)直流干擾下金屬管道電位偏離陰極保護電位的允許程度與時長，并提出陰極保護異常運行的解決措施。

(5)同時建議電力部門進一步創(chuàng)新接地極設(shè)計技術(shù)，針對接地極選擇的條件、直流系統(tǒng)單極運行的限制條件、金屬回線的設(shè)置等方面，深入開展站內(nèi)接地網(wǎng)替代接地極技術(shù)、深井接地極技術(shù)、站外簡易接地極技術(shù)、金屬中性回線運行技術(shù)等課題研究。

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Effect of Direct Current Earthing Pole on Underground Metallic Pipelines

CHEN Hai-yan1, LIU Xiao-qiang2
(1. Electric Power Planning and Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Beijing Sifang Automation Co.,Ltd., Beijing 100085, China)

The ground electrode is an important part of HVDC system. Recently, the impact of HVDC ground electrodes on buried metallic pipelines has caused great attention of people abroad. The research status on the impact is reviewed in this paper. Several special problems of the mechanism and prevention measures about the impact of HVDC ground electrode on buried metallic pipelines are analyzed and discussed. Some suggestions with a certain reference value for ground electrode designers are proposed.

HVDC; ground electrode; metallic pipeline; corrosion; cathode protection.

TM63

B

1671-9913(2016)06-0056-04

2015-11-23

陳海焱(1979- )，男，博士，主要從事變電站和換流站工程的設(shè)計評審以及電力行業(yè)設(shè)計標準的編制和管理工作。