高壓交流輸電線路對(duì)埋地金屬油氣管道的電磁干擾腐蝕及其防護(hù)措施

李 勛，張宏釗，張 欣，劉順桂，姚森敬

(深圳供電局有限公司, 廣東 深圳 518048)

高壓交流輸電線路對(duì)埋地金屬油氣管道的電磁干擾腐蝕及其防護(hù)措施

李 勛，張宏釗，張 欣，劉順桂，姚森敬

(深圳供電局有限公司, 廣東 深圳 518048)

針對(duì)高壓交流輸電線路對(duì)鄰近敷設(shè)的埋地金屬油氣管道的電磁干擾腐蝕問題，介紹了管道交流電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素，分析了交流電磁干擾的危害性，并指出了目前國際上推薦使用的交流電磁干擾的安全限值；對(duì)引起埋地金屬油氣管道腐蝕的雜散電流影響機(jī)理及其檢測手段進(jìn)行了描述；闡述了目前廣泛采用的交流電磁干擾腐蝕的防護(hù)措施，并針對(duì)當(dāng)前研究存在的問題對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供新的參考思路.

輸電線路；油氣管道；交流干擾；限值；雜散電流；腐蝕；防護(hù)措施

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長，國家對(duì)能源的需求越來越大.由于我國人口密度大，土地資源緊張，不可避免地出現(xiàn)高壓輸電線路與油氣管道交叉跨越或長距離并行“共走廊”架設(shè)的情況[1-2]，如：已投運(yùn)的烏魯木齊北—哈密的750 kV交流輸電線路與烏蘭原油管道、成品油管道及西氣東輸二線西段“共走廊”穿越幾十公里[3].交流輸電線路與埋地金屬油氣管道近距離并行或交叉跨越時(shí)會(huì)對(duì)油氣管道產(chǎn)生持續(xù)電磁干擾，同時(shí)輸電線路附近的雜散電流會(huì)對(duì)金屬管道產(chǎn)生不同程度的腐蝕，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生穿孔泄露.當(dāng)線路發(fā)生單相接地短路或雷擊等故障時(shí)，強(qiáng)電流沖擊可能將管道附近的土壤電離，形成脈沖電弧.該電弧盡管持續(xù)時(shí)間極短，但情況嚴(yán)重時(shí)遇泄露的油氣可能發(fā)生管道燃爆的危險(xiǎn)[3-5].2007年中石化西南某輸油管道工程發(fā)生一起管道穿孔泄露事故，事故原因是由于雷電擊中管道附近的微波基站，導(dǎo)致高幅值的雷電流通過其接地系統(tǒng)入地將7 m外的輸油管道擊穿[5].

目前，高壓交流輸電線路對(duì)鄰近敷設(shè)的埋地金屬油氣管道的電磁干擾腐蝕問題越來越被重視，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此問題正在開展相關(guān)的研究，雖然已取得一定的成果，但由于交流輸電線路對(duì)埋地油氣管道的電磁干擾腐蝕影響機(jī)理復(fù)雜，目前國際上仍難以對(duì)此問題制定合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1,4].本文系統(tǒng)地闡述了目前國內(nèi)外學(xué)者在高壓交流輸電線路對(duì)埋地金屬油氣管道的電磁干擾腐蝕及其防護(hù)措施方面取得的最新進(jìn)展，并給出了具體的分析，結(jié)果可供相關(guān)領(lǐng)域的工作人員參考.

1 交流干擾的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

由于法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)，高壓交流輸電線路、交流電氣化鐵路及地鐵等在運(yùn)行時(shí)會(huì)在鄰近敷設(shè)的埋地金屬管道上感應(yīng)出縱向電動(dòng)勢(shì)，這種感應(yīng)電壓即為交流干擾電壓[6-7].交流輸電線路對(duì)埋地金屬油氣管道的電磁干擾源于系統(tǒng)的3種耦合：感性耦合、阻性耦合與容性耦合[8].感性耦合是指輸電線路周圍周期性交變的電磁場在埋地管道中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，構(gòu)成管道—大地之間的回路.在線路正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)情況下，感性耦合是線路對(duì)管道的主要干擾形式，在線路換位處與管道拐點(diǎn)處，由感性耦合產(chǎn)生的管道干擾電壓可達(dá)數(shù)百伏，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障或雷擊故障時(shí)，感性耦合將大大增強(qiáng).阻性耦合是管道與高壓輸電線路的桿塔接地極、變電站接地極接近時(shí)，由于接地體的入地泄放電流或接地體附近的雜散電流通過管道與接地體之間的電阻進(jìn)行耦合，把交流電流直接耦合到管道上.正常運(yùn)行時(shí)，阻性耦合一般較小，但當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障或雷擊故障時(shí)，高幅值的故障電流將通過桿塔接地極泄放入地，導(dǎo)致接地極與附近土壤的電位升高，管道上的干擾電壓增大，此時(shí)阻性耦合大大增強(qiáng).容性耦合是管道施工期間放置于地面上或架設(shè)在絕緣墊上時(shí)與輸電線路之間存在分布電容，由于其容抗大，造成管道上的感應(yīng)電壓也大，但考慮到油氣管道在施工完成后分段接地且埋設(shè)于地下，因此容性耦合很小，幾乎可以忽略[3,7,9-10].

影響埋地金屬油氣管道上感應(yīng)電壓大小的因素有很多，包括管道與輸電線路桿塔接地極的距離、故障電流或雷電流大小、桿塔接地電阻大小、土壤電阻率大小、管道絕緣涂層的電氣強(qiáng)度、管道參數(shù)(管徑壁厚)、線路與管道的交叉跨越角、管道與輸電線路的并行長度、系統(tǒng)頻率等，且這些因素的影響程度各不相同[7,11].Christoforidis[12]等研究了輸電線路附近埋設(shè)的金屬管道上的干擾電壓，得出管道上干擾電壓大小與管道泄露電阻呈正相關(guān)的結(jié)論.蔣俊[13]等研究了交流輸電線路單相接地故障時(shí)線路參數(shù)與油氣管道上干擾電壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)管道干擾電壓隨著桿塔接地電阻的增大而減小，與導(dǎo)線高度和相間距無關(guān).萬保全[14]等研究了雷擊桿塔時(shí)線路參數(shù)對(duì)油氣管道上干擾電壓的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明管道干擾電壓與雷電流幅值成正相關(guān)關(guān)系，其值隨土壤電阻率的增大而增大，隨線路與管道交叉角度的增大而減小.

2 交流干擾的危害及安全限值

雖然Mcintosh的研究發(fā)現(xiàn)在60 Hz下交流腐蝕強(qiáng)度大約是相同幅值大小的直流輸電線路干擾的1%[15]，但當(dāng)高壓輸電線路與管道近距離并行架設(shè)時(shí)，線路周圍周期性交替變化的電磁場將會(huì)在管道上持續(xù)感應(yīng)出電壓，當(dāng)存在交直流干擾時(shí)，極易導(dǎo)致電極表面的去極化作用，最終造成管道腐蝕穿孔等[7].交流電磁干擾的危害包括對(duì)人身安全的影響、對(duì)管道陰極保護(hù)設(shè)備的影響、對(duì)管道安全的影響及對(duì)管道的交流腐蝕影響[1,3,9,16-17].

2.1 對(duì)人身安全的影響及安全限值

當(dāng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，由于感性耦合在油氣管道上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使管道對(duì)地存在電壓，該電壓一般不會(huì)對(duì)施工維修人員的人身安全造成威脅.當(dāng)輸電線路發(fā)生單相接地短路故障或雷擊故障時(shí)，線路上的故障電流幅值是平時(shí)的數(shù)倍，通過桿塔入地泄放的電流也大大增強(qiáng)，導(dǎo)致輸電線路通過感性耦合和阻性耦合在油氣管道上感應(yīng)出的干擾電壓迅速增大，若此時(shí)有工作人員接觸管道的裸露金屬部分，該電壓將加載在工作人員身上，使其人身安全受到威脅[1-3,16].

因此為確保管道工作人員的人身安全，有必要針對(duì)此交流干擾制定安全限值標(biāo)準(zhǔn).各國家和IEC等國際組織目前已對(duì)該人身安全電壓限值作了具體的規(guī)定，見表1[1].

表1 人身安全電壓限值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，國內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議采用式 (1) 計(jì)算人體短時(shí)安全電壓[1,3,16,18]：

(1)

式中ρ表示土壤電阻率，t表示人體觸電時(shí)間.

CCITT、芬蘭等國家機(jī)構(gòu)經(jīng)過長期實(shí)踐，則建議將交流輸電線路短路故障時(shí)對(duì)管道的允許感應(yīng)電壓安全限值提高到1kV[1].

2.2 對(duì)管道陰極保護(hù)設(shè)備的影響及安全限值

由于恒電位儀的強(qiáng)制陰極保護(hù)作用，正常情況下管道的電位維持在-0.85～-1.2V.當(dāng)交流輸電線路對(duì)管道的交流干擾電壓過大時(shí)，將會(huì)影響恒電位儀的正常工作，可能使其犧牲陽極極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)[1,19].我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦恒電位儀的抗交流干擾能力需≥12V[20]，當(dāng)交流干擾電壓超過限值時(shí)，恒電位儀將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序.

2.3 對(duì)管道安全的影響及安全限值

為減小管道的電化學(xué)腐蝕，埋地油氣管道的金屬表面一般都有電阻率較大的絕緣防腐層.當(dāng)交流輸電線路發(fā)生單相接地故障或雷擊故障時(shí)，在管道靠近桿塔接地極處，高幅值的故障電流或雷電流通過桿塔泄放入地引起附近土壤電位升高，甚至產(chǎn)生電弧瞬間沖擊管道，造成管道防腐層、金屬本體、管道附屬設(shè)備及陰極保護(hù)設(shè)備損壞[1,11].德國Afk第3號(hào)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沒有防護(hù)措施的管道推薦其短期干擾電壓限值可達(dá)1kV，而對(duì)于有瀝青防腐層等防護(hù)措施的管道，其干擾電壓限值則提高到1.5kV[1,21].

2.4 對(duì)管道的交流腐蝕影響及安全限值

線路正常運(yùn)行時(shí)，由于三相系統(tǒng)的不平衡性產(chǎn)生的電流通過感性耦合在油氣管道上產(chǎn)生干擾電壓，構(gòu)成金屬本體層與大地之間的回路，從而對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕.同時(shí)，線路附近的雜散電流也會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生不同程度的腐蝕，如在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，保護(hù)電流由管道防腐層破損處流出，然后流入其周圍的管道，并在管道末端流出后又流入被保護(hù)的管道，最終在管道電流流出的所有部位發(fā)生雜散電流腐蝕[22-23].

目前管道防腐層材料一般為3PE，而針對(duì)防腐層為瀝青的管道，我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同土壤性質(zhì)的管道腐蝕安全電壓限值分別為：酸性土壤為6V、中性土壤為8V及弱堿性土壤為10V[1].國內(nèi)新制定的埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[24]增加了用交流電流密度來評(píng)價(jià)交流腐蝕的大小的內(nèi)容，并推薦交流電流密度按式 (2) 計(jì)算[10]：

(2)

式中J表示待評(píng)價(jià)的交流電流密度，單位A/m2；U表示交流干擾電壓的平均值，單位V；ρ表示土壤電阻率，單位·m；d表示管道破損點(diǎn)直徑，單位m.規(guī)定ρ值取與管道具有相同埋深處的實(shí)測值，而d值取腐蝕最嚴(yán)重的情況，為0.0113m.判定交流電流密度J<3mA/cm2時(shí)表示交流干擾較弱，3mA/cm210mA/cm2時(shí)表示交流干擾較強(qiáng).ISO15589-1-2003標(biāo)準(zhǔn)則推薦交流電流密度限值為3mA/cm2[25]，德國W.V.貝克曼等則認(rèn)為交流電流密度限值為5mA/cm2[17].Hosokawa[26]等提出將交流電流密度J結(jié)合直流電流密度I來評(píng)價(jià)交直流腐蝕程度.當(dāng)0.1A/m2≤I≤1A/m2，J<25I，或者1A/m2≤I≤20A/m2，J<70A/m2時(shí)，埋地金屬管道不存在交流腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，并且他在后來的報(bào)告中將閾值20A/m2增大到40A/m2.綜上，目前尚無統(tǒng)一的交流腐蝕評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

3 管道雜散電流腐蝕機(jī)理及測量

3.1 雜散電流腐蝕機(jī)理

電流泄露和金屬結(jié)構(gòu)物附近的電位梯度是造成油氣管道發(fā)生雜散電流腐蝕的兩個(gè)根本原因[27].而腐蝕又分為直流電流腐蝕、交流電流腐蝕以及地電流雜散電流腐蝕[28]，不同的干擾源會(huì)產(chǎn)生不同的腐蝕，如交流輸電線路、交流電氣化鐵道等會(huì)產(chǎn)生交流腐蝕，直流電氣化鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)等則會(huì)產(chǎn)生直流腐蝕，而地中雜散電流腐蝕則是由于大氣中離子移動(dòng)和地磁場變化導(dǎo)致的[22].

直流雜散電流對(duì)埋地油氣管道的腐蝕實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)腐蝕[29].它從土壤流入管道，在管道表面發(fā)生陰極還原反應(yīng)，構(gòu)成原電池的陰極，而在離開管道流向土壤的區(qū)域發(fā)生陽極氧化反應(yīng)，構(gòu)成原電池的陽極，具體反應(yīng)見表2[30].

表2 管道雜散電流腐蝕機(jī)理

由于交流電流的大小和方向都是隨時(shí)間變化的，因此交流腐蝕的機(jī)理比直流腐蝕復(fù)雜得多.國內(nèi)外科研人員雖然作了較多的研究，但目前對(duì)交流腐蝕的機(jī)理認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一，主要分為法拉第整流效應(yīng)[31-34]，陽極反應(yīng)的不可逆性[35-37]、陽極反應(yīng)的去極化作用[38-39]與交流電壓在金屬與介質(zhì)表面的振動(dòng)作用[40-42]四種方向.認(rèn)同法拉第整流效應(yīng)的Bosch[34]等人的研究發(fā)現(xiàn)電極腐蝕電位會(huì)在交流干擾下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)方向與Tafel斜率絕對(duì)值相關(guān)；認(rèn)同陽極反應(yīng)的不可逆性的Ibrahim[37]等人的研究結(jié)果表明陽極電流隨著交流電壓的增大而增大，此過程涉及的電化學(xué)反應(yīng)過程包含F(xiàn)e、H2、Fe2O3、FeO的轉(zhuǎn)變；Jones[39]的研究結(jié)果表明陽極反應(yīng)的去極化作用是交流電流作用下腐蝕速率增加的主要原因；而Panosslan[41]等人的研究結(jié)果表明交流腐蝕發(fā)生的根本原因是交流電壓在金屬與介質(zhì)表面的振蕩作用導(dǎo)致的.

3.2 雜散電流的檢測

以往國內(nèi)對(duì)管道交流雜散電流的檢測是按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT0032-2000[20]實(shí)施的.通過實(shí)時(shí)監(jiān)測管道對(duì)地的電位變化趨勢(shì)來判斷管道受交流雜散電流干擾的大小，但該方法無法確定管道沿線的電位分布規(guī)律，也不能確定干擾源.Nielsen[40]等人提出用腐蝕試片法對(duì)管道的交流雜散電流進(jìn)行檢測，該方法可直接測出交流雜散電流密度參數(shù)，反應(yīng)管道的受干擾情況.目前，國內(nèi)通過智能雜散電流測試儀如SCM-200a等同步監(jiān)測法，實(shí)時(shí)采集管道沿線各點(diǎn)處的電位來確定其受干擾的大小[10].

4 埋地管道交流腐蝕的防護(hù)措施

目前針對(duì)交流輸電線路對(duì)埋地金屬油氣管道的交流腐蝕防護(hù)主要有傳統(tǒng)的單點(diǎn)設(shè)計(jì)方法和數(shù)值模擬方法，具體包含緩解方式、緩解點(diǎn)與緩解裝置3部分[42-43].國內(nèi)外采用的緩解措施主要包括集中接地、故障屏蔽、梯度控制墊與交流排流裝置相結(jié)合的電磁腐蝕防護(hù)措施[43].

4.1 緩解線

緩解線是指在埋地管道附近鋪設(shè)1～2條裸露的導(dǎo)體，導(dǎo)體材料常使用裸銅導(dǎo)線、鋅帶或鍍鋅扁鋼，并通過固態(tài)直流去耦合器等緩解裝置與管道直接連接.Markovic[44]等人利用CDEGS模擬軟件對(duì)緩解線和絕緣接頭的緩解效果及耗費(fèi)的成本進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)緩解線的交流干擾防護(hù)效果明顯優(yōu)于絕緣接頭，且從長遠(yuǎn)來看，其成本要比絕緣接頭的方式經(jīng)濟(jì).國內(nèi)相關(guān)工程也采用了緩解線的干擾防護(hù)措施，如陜京三線鹿泉段及正定改線段均采用固態(tài)直流去耦合器+緩解鋅帶的措施，其緩解率達(dá)到60%[43-45].中石油天然氣管道局設(shè)計(jì)院對(duì)晉東南—南陽—荊門的1000kV特高壓交流試驗(yàn)示范線路與中石油西氣東輸管道之間存在的18km長的并行線路也采用固態(tài)直流去耦合器+緩解線的防護(hù)措施，并取了顯著的成果[43].實(shí)際上，緩解線可視為管道的接地體，在輸電線路發(fā)生短路故障或雷擊故障時(shí)，它通過增大管道電位來抑制阻性耦合，而在感性耦合時(shí)則通過抬升地電位來減小管道與土壤的電位差[43].

4.2 交流腐蝕排流防護(hù)措施

目前國內(nèi)外一般采用在埋地油氣管道與其接地極之間安裝交流干擾排流防護(hù)措施來防止直流雜散電流的流入及陰極保護(hù)電流的流失，主要手段有犧牲陽極接地、直接接地、嵌位式排流裝置與固態(tài)直流去耦合器[10,43].犧牲陽極接地一般用于受干擾管道與強(qiáng)制電流保護(hù)區(qū)域之間的電隔離，缺陷是犧牲陽極壽命有限；直接接地適用于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)區(qū)域范圍小的存在電磁干擾的埋地管道，該方法操作簡單，運(yùn)行成本低，缺陷是應(yīng)用范圍小，易漏失陰極保護(hù)電流.嵌位式排流裝置一般適用于穩(wěn)態(tài)電磁干擾的情況下，嵌位式排流裝置通過由二極管構(gòu)成的兩臂來控制管道交流干擾電壓，它利用二極管的正向?qū)ㄐ詠砭S持管道電壓在一定的范圍內(nèi)，可有效防止陰極保護(hù)電流的流失.該排流裝置在實(shí)際使用時(shí)要求接地極材料與管道材料相同，在保護(hù)過程中可能對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，且其排流效果在管道不同區(qū)域有較明顯的差異.固態(tài)直流去耦合器具有很好的隔直通交的優(yōu)點(diǎn)，它采用設(shè)置閾電壓控制導(dǎo)流方向的電涌自動(dòng)切換隔直流通交流工作模式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的干擾防護(hù).該裝置最大的特點(diǎn)是額定雷電沖擊及故障電流通流容量大，抗雷電或故障電流沖擊性能好，目前已在國內(nèi)忠武管道、西氣東輸二線、陜京三線及蘭成原油管道工程中被廣泛使用，并取得了良好的排流效果[43,46].固態(tài)直流去耦合器的缺點(diǎn)是需要較長的接地極，工程費(fèi)用高，若去耦合器失效可能發(fā)生銅線與管道直接相連的電偶腐蝕危害[10].

5 結(jié)束語

高壓交流輸電線路對(duì)鄰近埋地金屬油氣管道的交流干擾腐蝕目前仍有許多待解決的疑難問題，未來相關(guān)研究工作可從管道交流干擾的評(píng)價(jià)、管道交流腐蝕機(jī)理、管道交流腐蝕防護(hù)措施等幾個(gè)方面進(jìn)行開展，具體包含以下內(nèi)容：

(1)管道交流干擾的評(píng)價(jià)目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的評(píng)判依據(jù)，未來研究者可參考以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)通過數(shù)值模擬或者現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，最終建立一個(gè)合理精確的數(shù)學(xué)模型來評(píng)價(jià)管道交流干擾的大小.

(2)管道交流腐蝕的機(jī)制至今尚未完善，尤其是交流電壓對(duì)管道腐蝕動(dòng)力學(xué)行為的影響、根據(jù)理論或試驗(yàn)對(duì)管道腐蝕特征進(jìn)行合理解釋等.考慮到管道交流腐蝕的影響因素較多，未來可通過建立這些影響參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，從而更加精確地分析管道的交流腐蝕.

(3)當(dāng)前的管道交流腐蝕防護(hù)措施難以預(yù)知排流緩解的效果，有時(shí)緩解效果并不令人滿意.因此，可選用合適的接地材料與設(shè)計(jì)合理的接地極安全距離等符合現(xiàn)場環(huán)境的措施來緩解.

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(編輯：姚佳良)

Electromagnetic interference and corrosion on the buried metal oil and gas pipelines caused by the high voltage AC transmission lines and protection measures

LI Xun, ZHANG Hong-zhao, ZHANG Xin, LIU Shun-gui, YAO Sen-jing

(Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518048, China)

As to the problem that the electromagnetic interference and corrosion on the adjacent buried metal oil and gas pipelines caused by the high voltage AC transmission lines, the mechanisms and factors of AC electromagnetic interference on the oil and gas pipelines are introduced in detail in the paper. The harmfulness and safety limit value recommended by the international organizations of AC electromagnetic interference are analyzed. Secondly, a description of the corrosion mechanism and detection methods of stray current on the buried metal oil and gas pipelines are given. Finally,the protective measures to the AC electromagnetic interference and corrosion on the pipelines are summarized, and the future research frontiers according to the existing difficult problems are proposed, which may be helpful to the researchers involved in the related fields.

transmission line; oil and gas pipeline; AC interference; limit value; stray current; corrosion; protective measures

2016-09-09

中國南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(090000KK52150042)

李勛，男，epcman@vip.qq.com

1672-6197(2017)04-0065-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A