榆濟(jì)天然氣管道交流雜散電流的檢測與防護(hù)

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(中國石化天然氣榆濟(jì)管道分公司，濟(jì)南 250101)

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，交流電氣化鐵路和高壓交流輸電線路與埋地天然氣管道交叉或并行的現(xiàn)象越來越普遍，交流雜散電流干擾愈加嚴(yán)重。目前交流干擾源主要來自于高壓電力線與電氣化鐵路[1]。長輸天然氣管道作為長距離輸送天然氣的主要手段，一般是埋地敷設(shè)，一旦天然氣管道防腐蝕層出現(xiàn)破損，受交流干擾的影響，涂層缺陷處會(huì)形成局部腐蝕，致使管道穿孔[2]。另外雜散電流的作用范圍廣，交流腐蝕發(fā)生隨機(jī)而變，影響距離達(dá)幾公里甚至數(shù)十公里[3]。因此，對交流雜散電流進(jìn)行檢測和防護(hù)變得尤為重要。

榆濟(jì)管道全長約941.63 km，設(shè)計(jì)年輸量30×108Nm3，線路起點(diǎn)為榆林首站，終點(diǎn)為宣章屯輸氣站。管線東西橫穿毛烏素沙漠邊緣、黃土高原、呂梁山脈、太岳山脈、太行山脈、采空區(qū)等復(fù)雜地段，沿線途經(jīng)4省、8地市、23縣(區(qū))，多處與電氣化鐵路和高壓線路并行或交叉，天然氣管道受到較嚴(yán)重的交流干擾。其中，榆濟(jì)管道JLS110-JFY127段(山西省離石-汾陽段)地處黃土丘陵地帶，沿線地形條件復(fù)雜，土壤電阻率偏高，多處與交流電氣化鐵路或高壓交流輸電線路交叉，交流雜散電流干擾嚴(yán)重。本工作闡述了固態(tài)去耦合器排流方案的實(shí)施過程，對比分析施了工前后的交流電壓及交流電流密度，以期為今后管道交流雜散電流排流提供參考。

1 交流干擾測試方法及判據(jù)

1.1 交流干擾測試方法

判斷天然氣管線是否存在交流干擾可按照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)》中提出的利用交流電壓與交流電流密度相結(jié)合的方法進(jìn)行測量，見圖1。

圖1 管道交流干擾電壓測量接線圖Fig. 1 Measurement wiring diagram of AC interference voltage for pipeline

1.2 交流干擾判據(jù)

根據(jù)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)》的要求，管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)，干擾程度為弱，可不采取交流干擾防護(hù)措施；管道上的交流干擾電壓高于4 V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，交流電流密度可按式(1)計(jì)算

(1)

式中：JAC為交流電流密度，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；d為破損點(diǎn)直徑,此處取0.011 3 m。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，通過計(jì)算或?qū)嶋H測試得到交流電流密度，判斷腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。管道受交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可按表1確定。

表1 交流干擾程度的判斷指標(biāo)Tab. 1 Evaluation criteria of AC interference level

當(dāng)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；交流干擾程度判定為弱時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施。干擾程度為中或強(qiáng)時(shí)，應(yīng)排查干擾來源，采取措施或提出建議消除干擾。

2 交流干擾檢測和評(píng)估

2.1 測試儀器

現(xiàn)場測試儀器如下：1臺(tái)ZC-8型接地電阻測量儀，1臺(tái)HC-069儲(chǔ)存式雜散電流測試儀，1塊DT-980數(shù)字萬用表和3支便攜式參比電極。

2.2 交流干擾排流前情況

據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，初步推測11個(gè)測試樁中除JLS146測試樁外其他都受到高壓線的影響，此外JLS141、JLS146及JLS160測試樁還和太中銀鐵路存在并行情況。

排流前交流干擾測試數(shù)據(jù)見表2。采用HC-069儲(chǔ)存式雜散電流測試儀對11處測試樁的管地交流電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，每處測試樁監(jiān)測時(shí)間為3 h。測得交流電壓全部大于4 V，土壤電阻率都大于25 Ω·m，根據(jù)交流電流密度公式計(jì)算得到JLS141和JLS146測試樁的交流電流密度高于100 A/m2，干擾程度判為“強(qiáng)”，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；其他測試點(diǎn)的交流電流密度為30～100 A/m2，干擾程度判為“中”，宜采取交流干擾防護(hù)措施。為保證榆濟(jì)天然氣管道長期安全平穩(wěn)運(yùn)行，本工作對JLS110-JFY127段(山西省離石-汾陽段)交流干擾程度判定為“中”的部位也采取了交流干擾防護(hù)措施。

3 交流干擾排流方案及效果

3.1 固態(tài)去耦合器選取及安裝

為確保榆濟(jì)管道的正常輸氣任務(wù)，對離石段-汾陽段交流干擾程度大于等于30 A/m2的部位采取交流干擾防護(hù)措施，在11處測試點(diǎn)附近各安裝1 套具有阻直通交功能的固態(tài)去耦合器。

固態(tài)去耦合器通過內(nèi)部的電容元件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電壓的排流，一般來說額定穩(wěn)態(tài)交流排流量為45 A可滿足多數(shù)工況要求。對固態(tài)去耦合器的額定雷電沖擊通流容量和故障電流(AC-rms/工頻/30周波)的要求一般分別為100 kA和3.5 kA[4]。本次排流施工采用的固態(tài)去耦合器額定交流電流為45 A，雷電沖擊通流容量為100 kA，故障電流(AC-rms/工頻/30周波)≥3.5 kA。

固態(tài)去耦合器的直流阻斷功能是通過晶閘管或二極管實(shí)現(xiàn)的。去耦合器兩個(gè)端子之間電壓低于某導(dǎo)通閥值電壓時(shí)，允許交流電流通過而直流電流不導(dǎo)通；當(dāng)其高于導(dǎo)通閥值電壓時(shí)，去耦合器切換到直流短路模式。目前常見阻斷閥值電壓有-2 V/+2 V和-3 V/+1 V。本次排流施工采用阻斷閥值電壓為-3 V/+1 V的固態(tài)去耦合器。

由于固態(tài)去耦合器具有“阻直通交”的功能，固態(tài)去耦合器接地極的選擇范圍更廣，本次排流施工選用接地效果好、耐蝕性強(qiáng)的銅作為接地材料。固態(tài)去耦合器的接地極采用截面積為35 mm2、長度為35 m的裸銅線，裸銅線與管道之間平行間距為1 m，裸銅線埋深與管道底部等高，采用銅管鉗接的方式與固態(tài)去耦合器的電纜連接。JLS141-JFY060測試樁附近的裸銅線沿管道單側(cè)敷設(shè)。固態(tài)去耦合器電纜與管道之間采用鋁熱焊的連接方式，每個(gè)連接處需除去50 mm×50 mm的絕緣層，表面除銹等級(jí)達(dá)到St3級(jí)，連接好的電纜留有10%的伸縮余量。固態(tài)去耦合器采用鋼制樁體和鋼質(zhì)金屬盒方式，樁下面用錨固螺絲安裝在水泥基礎(chǔ)上，地下埋深1.0 m，露出地面1.5 m。

表2 交流干擾排流效果Tab. 2 Effect of AC interference drainage

3.2 排流效果

排流施工完成后再次利用HC-069儲(chǔ)存式雜散電流測試儀對11處測試樁的管地交流電壓進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)測試樁監(jiān)測時(shí)間為3 h，圖2為JLS160測試樁管地交流電壓-時(shí)間變化圖。

圖2 JLS160管道管地交流電壓-時(shí)間變化圖Fig. 2 Diagram between pipe-soil AC voltage and time of JLS160test stake

根據(jù)上述的排流施工方案對榆濟(jì)管道JLS110-JFY127 段內(nèi)11處測試點(diǎn)進(jìn)行排流施工，并對其交流電壓和交流電流密度進(jìn)行測試。表2統(tǒng)計(jì)了排流后管道的交流電壓和交流電流密度。

為了更直觀地分析此次排流效果，將交流干擾排流施工前后的交流電壓進(jìn)行對比，如圖3所示。

由圖3可見：排流前后交流電壓和交流電流密度都有大幅下降。排流前最高交流電壓為46 V，其中2處交流電壓高于30 V。排流后最大交流電壓為9.82 V。排流后，交流電流密度從31.21～172.77 A/m2減弱到4.35～21.2 A/m2，交流干擾排流效果明顯。

由表2可見：11個(gè)排流點(diǎn)處土壤電阻率全部大于25 Ω·m。安裝固態(tài)去耦合器接地排流后，有三處測試樁交流電壓小于4 V，分別是JFY012、JFY015和JFY0243測試樁，最大交流電流密度為21.2 A/m2。根據(jù)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)》的要求，上述11處測試樁交流干擾防護(hù)效果均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

此次排流工程共有11的排流點(diǎn)，通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，排流施工達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的排流效果，很好地解決了榆濟(jì)管道JLS110-JFY127段的交流干擾問題。

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)測試表明，榆濟(jì)管道JLS110-JFY127段(山西省離石-汾陽段)與交流電氣化鐵路和高壓交流輸電線路與管道并行或交叉處，受交流干擾明顯。受到干擾的11處測試樁中，有兩處為“強(qiáng)”干擾，9處為“中”等干擾。

(a) 交流電壓

(b) 交流電流密度圖3 排流前后交流電壓及交流電流密度的變化Fig. 3 Variation of AC voltage (a) and current density (b) before and after drainage

(2) 對于干擾為“強(qiáng)”和“中”的部位，采用固態(tài)去耦合器和平行裸銅線地床相結(jié)合的方案進(jìn)行排流施工。排流結(jié)果表明，上述11處測試樁交流干擾防護(hù)效果均達(dá)到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)》的要求。

本次榆濟(jì)管道交流防護(hù)工作很好地解決了榆濟(jì)管道JLS110-JFY127段的交流干擾問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 滕延平，蔡培培，徐承偉，等. 應(yīng)用同步監(jiān)測法定位管道雜散電流的干擾源[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(5)：347-349.

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[4] 滕延平，李熙，蔡培培，等. 去耦合器排流技術(shù)在管道交流干擾減緩中的應(yīng)用[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2011(5)：27-29.