高壓直流輸電接地極對埋地管道的干擾及防護措施研究

(1.上海天然氣管網(wǎng)有限公司，上海 200000；2.北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

為實現(xiàn)能源的經(jīng)濟合理調(diào)配，國內(nèi)正全力發(fā)展高壓電網(wǎng)和長輸油氣管網(wǎng)。伴隨著油氣管網(wǎng)和高壓直流輸電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，二者不可避免會出現(xiàn)相互靠近、相互影響的情況。高壓直流輸電工程對管道的電干擾問題逐漸暴露出來[1-3]。目前國內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個高壓/特高壓直流輸電工程對管道干擾的案例[4-6]。上海地區(qū)目前已有4個高壓/特高壓直流輸電工程，共對應(yīng)3個高壓直流接地極：南橋接地極、廊下接地極和腰經(jīng)接地極。上海天然氣管網(wǎng)有限公司(簡稱：上海管網(wǎng))在役的高壓天然氣管線距離高壓直流輸電工程的直流接地極位置較近，存在受高壓直流接地極干擾的風(fēng)險。

1 天然氣管道和高壓直流輸電工程概況

上海管網(wǎng)管道由36條已建工程標(biāo)準(zhǔn)管線組成。管線總里程約700 km。管線材質(zhì)有X60,L415,X52,L360和SS400五種；涂層有3PE和環(huán)氧煤瀝青加玻璃絲布兩種。管道采用外加電流陰極保護，沿線共有21個陰保站。

南橋接地極為±500 kV葛南線高壓直流輸電工程和±500 kV三滬Ⅱ回林楓線高壓直流輸電工程共用直流接地極，接地極構(gòu)型為近橢圓單環(huán)形接地極，環(huán)長1 760 m，由兩個直徑400 m的半圓環(huán)與兩段各250 m的直線段構(gòu)成(見圖1)。兩個直流輸電線路的額定運行電流均為3 000 A，投運時間分別為1989年和2011年。

南橋接地極位于天然氣管網(wǎng)的南面，與管道的最近距離約為6 km。

2 試驗內(nèi)容

2.1 電位遠程監(jiān)測

電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)包括電位遠程監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和主站服務(wù)器三部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過在管道線路上安裝電位監(jiān)測終端，采用試片法實時采集管道的通/斷電電位，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳輸至主站服務(wù)器內(nèi)，再通過主站服務(wù)器查詢和分析管道的通/斷電電位來判斷管道受南橋接地極的干擾情況。該系統(tǒng)可以實時且連續(xù)監(jiān)測管道電位分布，可以有效捕捉接地極放電帶來的管道電位波動。與傳統(tǒng)試片法相比，數(shù)據(jù)獲取及時且準(zhǔn)確。該次在管線上安裝21處監(jiān)測點對管道受高壓直流干擾情況進行監(jiān)測，每處監(jiān)測點采用X52試片，試片面積1 cm2，采用銅/飽和硫酸銅電極(CSE)作為參比電極。

2.2 極化曲線測試

為了更好地評估接地極放電對管道造成的腐蝕風(fēng)險，使用電化學(xué)工作站(GamryReference 3000)在實驗室內(nèi)進行了極化曲線的測試。極化測試采用三電極測試體系，其中工作電極為X52管道鋼試片，工作面積為1 cm2；輔助電極為鉑片；參比電極為飽和甘汞電極(SCE，0.241 VvsSHE)，結(jié)果分析中將電位轉(zhuǎn)化為相對銅/飽和硫酸銅電極(CSE，0.314 VvsSHE)的電位。電解質(zhì)采用管道位置附近實際土壤，在上海地區(qū)地下1 m處挖取。

2.3 模擬計算

采用Beasy軟件對南橋接地極以及上海管網(wǎng)在役的高壓天然氣管線進行三維建模，并計算了南橋接地極單極放電時管道的電位分布。通過調(diào)整現(xiàn)有的陰極保護系統(tǒng)和增加強制排流系統(tǒng)，模擬計算了上海管網(wǎng)管道的防護措施和效果。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 管道電位遠程監(jiān)測結(jié)果

通過電位遠程監(jiān)測系統(tǒng)對南橋接地極引起的管道干擾進行監(jiān)測，從2016年12月15日至2017年6月15日，共持續(xù)了6個月時間。此時間段內(nèi)，共監(jiān)測南橋接地極對管道的干擾20次，共持續(xù)時間538 h 14 min(約22 d)，每次干擾的開始/結(jié)束時間、持續(xù)的時長和放電極性見表1。

表1 南橋接地極干擾時間與放電極性統(tǒng)計結(jié)果

由表1可見,11次干擾時間為2 h以內(nèi)，有9次干擾時間為2 h以上,最長一次干擾時間持續(xù)了173 h 4 min。

此次監(jiān)測時間段內(nèi)，管道受到最大的干擾分別為第19次的南橋接地極陰極放電(南橋接地極流入電流)和第20次的南橋接地極陽極放電(南橋接地極流出電流)。兩次干擾時，南橋接地極的流入流出電流均為2 400 A，達到額定運行電流的80%。

以這兩次接地極單極放電為例，對21處的電位監(jiān)測點位置電位偏移情況進行同步分析可以得到干擾電位的分布規(guī)律。南橋接地極陰極放電時，靠近南橋接地極管道通斷電電位均往正向偏移(見圖3)。由圖3可見：有5處的管道斷電電位由于干擾造成電位正于-0.85 V，離接地極越近，管道通電電位的正向偏移量越大；遠離接地極的部分位置管道通斷電電位負向偏移，其中有2處的管道斷電電位由于干擾造成電位負于-1.20 V。對比正負向的管道電位偏移量可以看出，靠近接地極的管道電位偏移量遠大于遠離接地極位置的管道電位偏移量。表明接地極對靠近接地極端的管道干擾要遠大于遠離接地極端的管道。通過電位的偏移情況，可以進一步判斷出:南橋接地極陰極放電時，靠近接地極端的管道位置為雜散電流流出區(qū)域，電位均正向偏移;遠離接地極端的管道位置為雜散電流流入?yún)^(qū)域，電位均負向偏移。

圖3 陰極放電時監(jiān)測點電位變化情況

南橋接地極陽極放電時，靠近南橋接地極管道通斷電電位均往負向偏移(見圖4)，其中有3處的管道斷電電位由于干擾造成電位負于-1.20 V，離接地極越近，管道通電電位的負向偏移量越大；遠離接地極的部分位置管道通斷電電位正向偏移，其中有2處的管道斷電電位由于干擾造成電位正于-0.85 V。通過電位的偏移情況可以進一步判斷出:南橋接地極陽極放電時，靠近接地極端的管道位置為雜散電流流入?yún)^(qū)域，電位均負向偏移;遠離接地極端的管道位置為雜散電流流出區(qū)域，電位均正向偏移。

圖4 陽極放電時監(jiān)測點電位變化情況

當(dāng)接地極單極放電時，管道受干擾最嚴(yán)重的位置位于距接地極最近位置。在6個月監(jiān)測時段內(nèi)，該位置的管道受干擾時的通/斷電電位變化情況見圖5。從圖5可知,管道電位波動最大的時刻對應(yīng)著接地極放電電流最大的時間(第19,20次單極運行)。這兩場干擾時管地電位變化的放大圖如圖6所示。由圖6可見，在管道未受干擾時，管道電位波動較小，管道的斷電電位均為-0.85～-1.20 V，處于良好的陰極保護狀態(tài)；在南橋接地極陰極放電時(第19次干擾)，離接地極最近位置的通電電位往正向偏移，通電電位達到+2.13 V，管道斷電電位也隨之往正向偏移，達到了-0.23 V，正處于陰極保護標(biāo)準(zhǔn)要求的-0.85 V下限[7]，此位置管道存在腐蝕風(fēng)險，干擾期間，管道通/斷電電位持續(xù)偏正，干擾結(jié)束后，管道電位恢復(fù)正常狀態(tài)。在南橋接地極陽極放電時(第20次干擾)，離接地極最近位置的通電電位負向偏移，通電電位達到-3.89 V；管道斷電電位也隨之往負向偏移，達到了-1.24 V，負于陰極保護標(biāo)準(zhǔn)要求的-1.20 V上限，存在過保護的風(fēng)險，干擾期間，管道通/斷電電位持續(xù)偏負，干擾結(jié)束后，管道電位恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖6 最大干擾時最近點電位變化

3.2 極化曲線測試及腐蝕速率評估

實驗室內(nèi)測試得到實際土壤中X52鋼試片的極化曲線如圖7所示。由圖7可知，X52鋼在實際土壤中自腐蝕電位為-0.572 V。結(jié)合圖3、圖4和圖5可知，當(dāng)南橋接地極雙極運行(即沒有放電)時，管地電位均滿足-0.85～-1.20 V的陰極保護標(biāo)準(zhǔn)，此時試片處于陰極極化區(qū)，發(fā)生陰極析氧反應(yīng)，抑制腐蝕的發(fā)生，管道處于良好的保護狀態(tài)。然而當(dāng)南橋接地極單極運行時，管道通/斷電電位超出陰極保護的標(biāo)準(zhǔn)。對于距離接地極最近位置處的試片來說，最正、最負的斷電電位分別為-0.23 V和-1.30 V。結(jié)合極化曲線可知，-1.30 V時試片處于陰極極化區(qū)，其電流密度為0.1 mA/cm2(流入)；-0.23 V時試片已經(jīng)進入試樣陽極極化區(qū)，對應(yīng)的電流密度分別為0.7 mA/cm2(流出)。

圖7 實際土壤中X52鋼極化曲線

目前公認，鋼鐵腐蝕反應(yīng)的第一步為Fe基體失去2個電子的電化學(xué)反應(yīng)，如式(1)所示：

(1)

電化學(xué)反應(yīng)滿足法拉第公式，即反應(yīng)速率與電流密度呈正比，如式(2)所示：

(2)

式中：R為反應(yīng)速率(mol/(s·cm2))；j為電流密度；n為電化學(xué)反應(yīng)消耗或生成的電子數(shù)；F為Faraday常數(shù)。

將最高流入電流密度帶入式(2)可得，R=0.363×10-8mol/(s·cm2)。如果考慮最壞情況，即所監(jiān)測時間內(nèi)每次接地極單極運行均為陰極2 400 A放電，則6個月內(nèi)反應(yīng)物消耗量為0.007 03 mol/cm2，折合腐蝕速率為1.00 mm/a。需要注意的是，實際中接地極單極運行時放電極性可能為陰極或陽極，放電電流也不盡相同，該計算結(jié)果僅為考慮最壞情況下的極端情況，是理論上可能達到的最高腐蝕速率。從計算結(jié)果可知，高壓直流接地極單極運行所造成的干擾程度非常嚴(yán)重，可能會對周圍埋地管道帶來極高腐蝕風(fēng)險，在接地極附近的管道需要采取一定緩解措施以消除干擾影響。

3.3 干擾模擬計算結(jié)果及防護措施

利用Beasy模擬計算軟件，對南橋接地極額定電流放電時，管道全線斷電電位的分布情況進行模擬計算，并利用已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對計算模型進行校核，以確保模擬計算的結(jié)果與實際干擾情況更吻合。

通過模擬計算得到南橋接地極在額定電流 3 000 A陰極放電和陽極放電時管道電位分布情況，如圖8所示。從圖8可知Beasy軟件可以有效模擬受干擾時管道電位分布。當(dāng)南橋接地極陰極額定電流放電時，靠近南橋接地極附近管道電流流出，管道電位正向偏移嚴(yán)重，最正位置電位達到+0.79 V，遠離接地極位置管道電位明顯負向偏移，部分位置電位低到-1.79 V。南橋接地極陽極額定電流放電時，遠離接地極位置電流流出，電位正向偏移，最大電位正向偏移到 -0.32 V；靠近接地極位置管道電流流入，電位負向偏移，最大電位負向偏移到-2.67 V。為了清晰顯示由于干擾造成管道電位未達標(biāo)的情況，將正于-0.85 V的受干擾管段標(biāo)注于圖9。

圖8 接地極3 000 A放電時管道電位分布

圖9 正于-850 mV接地極額定放電時電位

從圖9可知，當(dāng)南橋接地極陰極放電時，靠近接地極處管道腐蝕風(fēng)險較高；當(dāng)南橋接地極陽極放電時，遠離接地極處管道腐蝕風(fēng)險較高。這與前文所述現(xiàn)象一致。

3.4 干擾防護措施研究

根據(jù)GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，對于施加陰極保護的管道，應(yīng)滿足在受到干擾時，管道極化電位負于-0.85 V。

目前高壓直流干擾的防護方法主要有：調(diào)整現(xiàn)有陰極保護系統(tǒng)、增加敷設(shè)鋅帶和增加強制排流系統(tǒng)等措施。由于上海管網(wǎng)的管道分布在城市周邊，無法采取敷設(shè)鋅帶的措施，因此該次防護措施只考慮通過調(diào)整現(xiàn)有的陰極保護系統(tǒng)和增加強制排流系統(tǒng)來實現(xiàn)。

利用模擬計算得到:在接地極陰極放電或陽極放電時，需分別采取不同的防護措施。接地極陰極放電時，需要在圖10的黑色方塊顯示的3個閥室位置增加強制排流系統(tǒng)；接地極陽極放電時，需要在圖11的五角星位置調(diào)整現(xiàn)有的10處陰極保護系統(tǒng)輸出。

圖10 陰極放電需要采取措施的位置

圖11 陽極放電時需要采取措施的位置

通過同時采取以上的兩種措施，能將管道在受干擾的時間段內(nèi)的斷電電位均控制在-0.85 V以下，確保管道在干擾期間達到有效的陰極保護效果。防護效果模擬計算結(jié)果見圖12。由圖12可知，不管接地極單極運行時放電極性如何，采取防護措施后管道全線管地電位均負于 -0.85 V，管道腐蝕風(fēng)險大大減小。但此防護措施也使管道其他位置電位負移，是否會引起其他問題，有待進一步優(yōu)化。

圖12 采取措施后管道極化電位計算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)通過6個月的持續(xù)電位監(jiān)測，共監(jiān)測到管道受南橋接地極的干擾影響20次，干擾影響的持續(xù)時間達到538 h 14 min，其中最長一次干擾時間持續(xù)了173 h 4 min。

(2)監(jiān)測結(jié)果顯示，南橋接地極放電時，靠近接地極附近的管道受干擾程度遠大于遠離接地極的管道?？拷拥貥O管道受接地極干擾時管道電位的偏移方向和遠離接地極管道的電位偏移方向相反，互為雜散電流的流入和流出區(qū)域。干擾最嚴(yán)重時，斷電電位最大正向偏移至-0.23 V。

(3)結(jié)合實驗室測試極化曲線與法拉第定律，計算得到干擾最嚴(yán)重時試片處電流密度為 0.7 mA/cm2，最壞情況下腐蝕速率可達1.00 mm/a，管道有很強的腐蝕風(fēng)險。

(4)模擬計算結(jié)果表明，要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直流雜散電流干擾防護要求，需要在受干擾情況下，增加3處強制排流系統(tǒng),調(diào)整10處陰極保護系統(tǒng)輸出。