800 kV特高壓直流入地電流對埋地鋼管道的影響

張 良 何 沫 張凌帆

中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)能夠遠距離大容量輸電，在我國能源需求快速發(fā)展、電力資源分布嚴(yán)重不平衡的背景下，具有巨大的經(jīng)濟效益[1-3]。特高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地返回運行時，工作電流持續(xù)通過接地極注入大地，電流可經(jīng)由附近管道防腐層破損點進入，沿管道流動一定距離后再由管道流出，在流出點管壁處造成嚴(yán)重腐蝕[4-7]。為降低特高壓直流輸電接地極對埋地金屬管道的影響，國內(nèi)管道已采用多種防護手段控制金屬腐蝕，但尚未在正受干擾條件下開展過管道參數(shù)監(jiān)測工作[8-15]。筆者以西南某管道為研究對象，創(chuàng)新性提出管道受影響程度的測試方法，通過對特高壓直流接地極放電過程中管道腐蝕參數(shù)的監(jiān)測，研究該管道受影響程度及腐蝕防護措施有效性。

1 現(xiàn)場概況

西南某管道全長120 km，采用D813×9/10/11/14.2 mm螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，管材為L485M鋼，全線采用三層PE外防腐層。沿線地形以山坡、旱地、坡地、梯田為主，管道附近土壤電阻率介于11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蝕性以中等腐蝕性為主，強腐蝕性次之，少量基巖地區(qū)為弱腐蝕性。

管道沿線設(shè)置5座截斷閥室，陰極保護系統(tǒng)包括3座陰極保護站、120個普通測試樁、47處直流排流設(shè)施、2個線路分段隔離絕緣接頭。在進、出閥室兩側(cè)管道的合適位置各設(shè)置1處過電位保護點，各過電位保護點安裝防浪涌保護裝置對閥室進行排流保護，防止線路管道上的電涌對閥室內(nèi)設(shè)施設(shè)備的沖擊和干擾。全線共設(shè)置2處遠端排流點，局部接地鋅帶排流點共45處，鋅帶平行于管道同溝敷設(shè)，埋深與管道底標(biāo)高相同，距離管道水平距離約0.3 m。閥室及陰極保護站分布情況如圖1所示。

管道附近接地極為800 kV特高壓直流輸電接地極，采用同心雙圓環(huán)依地勢水平敷設(shè)，外環(huán)半徑為315 m，內(nèi)環(huán)半徑為240 m。內(nèi)環(huán)、外環(huán)均采用焦炭填充，截面為0.6 m×0.6 m，內(nèi)環(huán)埋設(shè)深度為3.5 m，外環(huán)埋設(shè)深度為4.0 m。該接地極與管道最小間距為14.8 km，設(shè)計性能：額定電流為4 540 A，暫態(tài)電流為6 045 A，最大電流為8 500 A。本次輸電系統(tǒng)單極運行從0:20:00開始，至0:58:55結(jié)束，歷時38分55秒，接地極負極放電電流為2 375 A，最大峰值電流為2 420 A。

圖1 管道閥室及陰極保護站分布圖

2 技術(shù)方案

為測試出接地極放電過程中管道的腐蝕情況，根據(jù)管道現(xiàn)場情況，創(chuàng)新性形成了特高壓接地極放電過程中附近管道受影響程度測試方法。所采用的技術(shù)手段如下。

2.1 管道陰極保護有效性測試

對目標(biāo)管道的恒電位儀性能、通斷電位、絕緣法蘭性能和排流設(shè)施性能進行綜合測試，確定管道陰極保護系統(tǒng)的可靠性。

2.2 恒電位儀輸出電流監(jiān)測

在接地極放電過程中，同步對3座陰極保護站的強排性恒電位儀的電流輸出進行監(jiān)測，根據(jù)測試結(jié)果判斷恒電位儀在受影響過程中發(fā)揮的作用。

2.3 管地電位連續(xù)監(jiān)測

為明確雜散電流干擾下管道的吸收和排放電流區(qū)域，記錄放電過程中管道出現(xiàn)的最大電位偏移值，選擇17個測試點，應(yīng)用電位數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄管道沿線各點電位變化情況。

2.4 管中電流連續(xù)監(jiān)測

采用環(huán)式直流電流測試儀連續(xù)記錄放電過程中管中直流電流的大小和方向。測試點位置選定數(shù)值模擬中干擾強烈的區(qū)域間隔1 km開挖2處探坑。

2.5 管體腐蝕監(jiān)測

在接地極放電開始前，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選擇3處腐蝕嚴(yán)重位置設(shè)置由ER腐蝕探針和腐蝕檢查片組成的智能陰極保護評估系統(tǒng)。在放電結(jié)束后使用配套的手持機采集ER探針的腐蝕速率。

3 測試結(jié)果

3.1 管道陰極保護有效性測試

根據(jù)測試結(jié)果，各陰極保護站恒電位儀均運行正常，管道沿線102處測試樁的通/斷電位均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，各站及沿途分段隔離絕緣接頭測試結(jié)果為合格。在50號和51號測試樁處測得排流鋅帶接地電阻過大，其余測試樁鋅帶接地電阻均達到要求。

3.2 恒電位儀電流監(jiān)測

在放電時間點前，3臺恒電位儀電流輸出平穩(wěn)，放電后為抑制雜散電流干擾，恒電位儀開始增大輸出，預(yù)期3號閥室干擾嚴(yán)重段輸出增加幅值最大，由0.91 A增加至4.64 A，輸出調(diào)整量為3.73 A。3臺恒電位儀在放電結(jié)束點輸出瞬間下降至正常范圍，對雜散電流干擾相應(yīng)快速，自動調(diào)整時間基本無遲滯現(xiàn)象（圖2）。

圖2 恒電位儀電流輸出曲線

3.3 管地電位監(jiān)測

對所選的17個測試樁進行了管地電位連續(xù)監(jiān)測，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如下：

1）2號、3號閥室測試點位于恒電位儀通電點附近，結(jié)果顯示管道電位受到鉗制作用，放電期間保護電位基本穩(wěn)定，2號閥室為－1.3～－1.4 V，3號閥室為－1.0～－1.2 V。

2.牢固樹立經(jīng)濟效益的理念。效益是企業(yè)的立身之本，沒有效益就沒有一切?，F(xiàn)在，油田調(diào)整了經(jīng)營考核辦法，將過去考核返還的部分納入成本管理；同時，員工住房補貼增長、療養(yǎng)補助發(fā)放的政策執(zhí)行，都意味著公司成本支出大幅提高。成本增加了，效益就會受到影響。公司的工作重點，就是要努力用效益的增長來彌補成本剛性增長的空缺。要堅決突出效益第一位置，加強經(jīng)營管理，降低成本、挖潛增效，不斷提高公司經(jīng)濟運行質(zhì)量。

2）50號測試樁和4號閥室是發(fā)生電位正負交變的邊界線，2號閥室至50號測試樁段，以及4號閥室至納溪西站段是本次放電期間的陰極區(qū)，接地極的干擾由此區(qū)域流入管道，管道表面無腐蝕風(fēng)險，但大電流極化管道，可能導(dǎo)致陰極剝離，甚至金屬表面氫損傷。

3）50號測試樁至4號閥室段是本次放電期間的陽極區(qū)，接地極的干擾由此區(qū)域流出管道，管道表面漏損點位置有腐蝕風(fēng)險。

4）64號樁監(jiān)測點在0:52正向偏移達到全線最大值為＋568 mV，偏移量為1 500 mV，為電流流出區(qū)域。

5）46號樁監(jiān)測點在0:52負向偏移達到全線最大值為－4 853 mV，偏移量為3 971 mV，為電流流入?yún)^(qū)域。

6）放電結(jié)束后管道電位恢復(fù)至放電前水平，可確定雜散電流干擾影響時間段為：00:26～00:54，管道受到約28 min持續(xù)放電干擾。

各點詳細測試結(jié)果如圖3、4所示：

圖3 管道沿線放電期間不同位置的電位分布圖

圖4 管道沿線放電期間不同時段的電位分布圖

3.4 管中電流監(jiān)測

針對預(yù)評估干擾較大區(qū)段，分別選擇在2號閥室下游5 m處和46號測試樁附近開挖探坑安裝電流環(huán)，監(jiān)測電流時序如圖5、6所示。監(jiān)測結(jié)果如下：

圖5 2號閥室處管中電流監(jiān)測圖

圖6 46號測試樁處管中電流監(jiān)測圖

接地極放電干擾前管道中的陰極保護電流量為0.09 A，00:23開始管道吸收入地電流并線性升高至1.5 A，至00:34電流瞬間升高到4 A，并持續(xù)至00:53后瞬間下降至0.19 A，持續(xù)時間30 min，基本與電位監(jiān)測結(jié)果一致。

干擾期間2號閥室附近監(jiān)測點測得最大管中電流為4.74 A，46號測試樁附近監(jiān)測點最大管中電流為4.84 A，較正常陰極保護電流分別增加了4.65 A和4.75 A。

3.5 管體腐蝕速率監(jiān)測

本次現(xiàn)場測試對管道沿線3處埋地腐蝕探頭進行了腐蝕速率測試，測試結(jié)果反映出2號閥室旁，試片的外腐蝕速率超過NACE SP0169規(guī)定要求。測試結(jié)果如下：

1號腐蝕監(jiān)測點腐蝕速率為0.049 mm/a；2號腐蝕監(jiān)測點腐蝕速率為0；3號監(jiān)測點腐蝕速率為0.016 mm/a。

4 結(jié)論

1）特高壓直流輸電接地極入地電流對附近管道的影響程度可以通過管道陰極保護有效性測試、恒電位儀輸出電流監(jiān)測、管地電位監(jiān)測、管中電流監(jiān)測和管體腐蝕速率監(jiān)測的結(jié)果進行綜合評價。

2）在未干擾條件下，該管道僅1處測試點極化電位不達標(biāo)，陰極保護系統(tǒng)總體運行正常，管道沿線極化電位達到標(biāo)準(zhǔn)要求。另外存在2處排流鋅帶接地電阻過大。

3）接地極放電對管道全線均造成了干擾影響，管道陰極區(qū)即電流流入?yún)^(qū)域，最大負向偏移達到－4 853 mV，偏移量為3 971 mV，管道陽極區(qū)即電流流出區(qū)域，最大正向偏移達到＋568 mV，偏移量為1 500 mV，最大管中電流達到4.84 A。

4）在特高壓直流輸電接地極放電期間，管道強制電流恒電位儀自動調(diào)節(jié)電流輸出量，低電阻鋅帶排流設(shè)施成為良好的干擾電流通道，各種腐蝕防護措施綜合發(fā)揮作用，對穩(wěn)定管道極化電位發(fā)揮積極作用，降低了管道腐蝕風(fēng)險。

5）即使在多種管道腐蝕防護手段協(xié)同作用下，ER腐蝕探監(jiān)測管道外壁腐蝕的最大腐蝕速率0.049 mm/a，超過了管道設(shè)計控制目標(biāo)，且本次放電涉及的電流量遠低于額定值，由此可見特高壓直流輸電系統(tǒng)在單極大地返回運行狀態(tài)下會對附近管道造成較大影響。