西南山地油氣管道交流干擾的檢測及防護(hù)

胡紹磊 王啟和 何崢艷 劉 念 萬運(yùn)華 陳彬源 于 帥 陸學(xué)杰

1. 中國石油天然氣股份有限公司西南管道昆明輸油氣分公司, 云南 昆明 650500;2. 中國石油西南油氣田公司, 四川 成都 610051;3. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;4. 中國石油天然氣股份有限公司西南管道蘭成渝輸油分公司， 四川 成都 610041

0 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,中國對(duì)能源的需求越來越大,特別是對(duì)石油、天然氣的需求更是與日俱增。這幾年中國西南地區(qū)的油氣管道里程劇烈增長,這些管道大部分敷設(shè)在山區(qū)地帶,所處地形以山地為主,被稱為山地管道[1]。本文研究的山地油氣管道途經(jīng)地區(qū)的地形地貌為山澗溝谷,地勢(shì)起伏大,管道穿越地區(qū)大部分地段都是山高谷深、河流縱橫、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),部分區(qū)域地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)烈、地震發(fā)育密集[2]。與此同時(shí),管道周邊高壓輸電線路的建設(shè)規(guī)模也在日益加大,由于地方城鎮(zhèn)規(guī)劃要求和路徑擇優(yōu)選擇原則,山地油氣管道經(jīng)常與高壓輸電線路長距離并行或多次交叉,形成長距離的共用走廊帶[3]。國內(nèi)外大量案例表明,與埋地金屬管道并行的高壓輸電線路會(huì)通過電磁感應(yīng)、電阻耦合等方式在埋地金屬管道上感應(yīng)出電壓和電流,可能會(huì)對(duì)管道造成嚴(yán)重的交流干擾[4],從而對(duì)管道產(chǎn)生不可忽視的危害,如引起交流腐蝕,導(dǎo)致管道穿孔泄漏,加速防腐層的剝離,影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,造成保護(hù)電位不滿足保護(hù)要求等問題,同時(shí)還會(huì)對(duì)工作人員產(chǎn)生電擊危害,嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全,因此成為山地油氣管道管理的重要關(guān)注點(diǎn)[5]。

通過對(duì)西南地區(qū)某段山地天然氣管道交流干擾情況的檢測和評(píng)估,發(fā)現(xiàn)該段管道存在較嚴(yán)重的交流干擾,通過對(duì)不同緩解措施在經(jīng)濟(jì)性、適用性方面的分析和比較,最終研究得出適合于緩解山地油氣管道交流干擾的措施,該措施的成功應(yīng)用[6]為類似條件的山地油氣管道交流干擾治理提供了借鑒措施,具有一定參考意義。

1 現(xiàn)場檢測

西南地區(qū)的山地油氣管道部分位于云貴高原,這里大部分為紅土地區(qū),土壤電阻率差異性較大[7],部分地區(qū)土壤電阻率很高,而部分地區(qū)土壤電阻率又較低?，F(xiàn)場對(duì)西南地區(qū)兩段山地天然氣管道進(jìn)行現(xiàn)場測試,A段管道的樁號(hào)為K 0607～K 0612,管道長度約6 km,管徑為D 1 016 mm,管道鋼級(jí)為X 80,設(shè)計(jì)壓力10 MPa,運(yùn)行壓力6.8 MPa,管道壁厚有12.8、15.3和18.4 mm三種規(guī)格,管道外防腐層采用三層PE,管道陰極保護(hù)方式為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)[8]。B段管道的樁號(hào)為K 0839～K 0872,管道長度約為34 km,管徑為D 1 016 mm,管道鋼級(jí)為X 80,設(shè)計(jì)壓力10 MPa,運(yùn)行壓力6.8 MPa,壁厚有12.8、15.3、18.4 mm三種規(guī)格,管道外防腐層采用三層PE,管道陰極保護(hù)方式為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。

以上兩段管道多處與高壓輸電線路長距離并行,局部地段距離高壓輸電線的鐵塔較近,為保障管道的安全運(yùn)行,特針對(duì)這兩段管道開展交流干擾專項(xiàng)檢測。

1.1 干擾源分布

通過現(xiàn)場調(diào)查,A、B兩段管道的干擾分布情況見表1。由表1可見,A、B兩段管道多次與高壓交流輸電線交叉并存在有不同程度的并行,其中與A段管道的K 0609～K 0612段管道并行或交叉的高壓交流輸電線電壓等級(jí)較高,為500 kV/220 kV,同時(shí)還是兩回高壓交流輸電線與管道并行和交叉,且管道與高壓交流輸電線間距較近,最近為 20 m 左右,并行長度也很長,約5 km,該段管道受到交流干擾的風(fēng)險(xiǎn)較高。

1.2 干擾數(shù)據(jù)測試

現(xiàn)場在A段管道上的測試樁安裝位置處進(jìn)行了管道交流干擾電壓測試和管道附近土壤電阻率測試,并根據(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)》[9]的規(guī)定進(jìn)行交流干擾電流密度計(jì)算,A段管道交流干擾電壓測量結(jié)果及交流干擾電流密度詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知,A段管道的K 0607到K 0612號(hào)樁之間的線路管道所受交流干擾較大,交流電流密度為5.36～238.42 A/m2之間,其中K 0607、K 608和K 610測試樁處管道交流電流密度均超過100 A/m2,不滿足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)》要求,需要安裝排流緩解措施[10]。

現(xiàn)場也在B段管道上的測試樁安裝位置處進(jìn)行了管道交流干擾電壓測試和管道附近土壤電阻率測試,并根據(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)》[9]的規(guī)定進(jìn)行交流干擾電流密度計(jì)算,B段管道交流干擾電壓測量結(jié)果及交流干擾電流密度詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 干擾源分布統(tǒng)計(jì)表

Tab.1 Distribution statistics of interference sources

管道名稱樁號(hào)位置輸電線電壓等級(jí)/kV干擾情況描述A段管道K 0607～K 0609220交叉3次,并行長度約1 km,間距多為20～500 mA段管道K 0609～K 0612500/220交叉1次,并行長度4 km,間距多為80～1 000 mB段管道K 0839～K 0844500交叉3次B段管道K 0844～K 085135、15交叉1次,與35 kV輸電線并行長度10 km,并行間距多為20～300 m,與15 kV輸電線并行長度8 km,并行間距多為400～1 000 mB段管道K 0851～K 0855110交叉3次,并行長度3 km,并行間距多為100～500 mB段管道K 0855～K 0873110、220交叉2次

表2 A段管道交流干擾電壓測量結(jié)果及交流干擾電流密度計(jì)算表

Tab.2 AC voltage measurement statistics and AC density calculation of A pipeline

管道名稱樁號(hào)位置管道交流干擾電壓/V管道埋深/m土壤電阻率/(Ω·m)交流電流密度/(A·m-2)A段管道K 060712.672.028.52100.11A段管道K 060813.491.122.18137.06A段管道K 060911.891.5499.505.36A段管道K 061016.051.415.17238.42A段管道K 061112.922.7121.5723.95A段管道K 061211.301.334.6373.53

表3 B段管道交流干擾電壓測量結(jié)果及交流干擾電流密度計(jì)算表

Tab.3 AC voltage measurement statistics and AC density calculation of B pipeline

管道名稱樁號(hào)位置管道交流干擾電壓/V管道埋深/m土壤電阻率/(Ω·m)交流電流密度/(A·m-2)B段管道K 08395.381.3078.6515.42B段管道K 08416.151.40169.608.17B段管道K 08445.721.0221.1760.89B段管道K 08455.951.0022.8058.81B段管道K 085111.671.2020.28129.68B段管道K 085314.001.20301.5010.46B段管道K 085514.431.70477.406.81B段管道K 085614.251.10189.9014.70B段管道K 085713.801.43220.7012.25B段管道K 085814.321.5097.5033.10B段管道K 085913.931.0025.13124.92B段管道K 086213.231.00217.3013.72B段管道K 086412.431.4579.7335.13B段管道K 086511.751.20359.607.36B段管道K 086610.901.25133.5018.40B段管道K 08679.581.00654.003.30B段管道K 08708.601.00481.204.03B段管道K 08717.301.0098.0716.77B段管道K 08726.661.0055.9126.84B段管道K 08736.232.00290.504.83

由表3可知,B段管道的K 0839～K 0873號(hào)樁之間的線路管道所受交流雜散電流干擾比A段管道所受干擾小,管道上的交流電流密度為1.41～129.68 A/m2之間,其中K 0851和K 859測試樁處管道上的交流干擾電流密度均超過100 A/m2,不滿足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)》的安全要求,需要安裝排流緩解設(shè)施。

2 檢測結(jié)果分析

1)由表2～3可以看出,A段管道K 0607到K 0612和B段管道K 0839到K 0872,均受到高壓交流輸電線路的交流干擾影響,其中A段管道最高干擾電壓16.05 V,最大干擾電流密度238.42 A/m2,B段管道最高干擾電壓14.32 V,最大干擾電流密度129.68 A/m2。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，高壓交流輸電線的輸電電壓等級(jí)及其與管道的并行間距對(duì)管道交流干擾影響十分顯著[11]。B段管道雖與高壓交流輸電線路并行距離較長,但是該高壓交流輸電線的電壓等級(jí)比與A段管道并行的高壓交流輸電線的電壓等級(jí)低,因此其所受交流干擾程度也較A段管道受干擾程度低[12]。

2)A段管道大部分地區(qū)的土壤電阻率小于25 Ω·m,持續(xù)干擾交流電壓大于4 V,交流電流密度為5.36～238.42 A/m2之間,其中K 0607、K 608和K 610測試裝交流電流密度均超過100 A/m2,不滿足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)》的安全要求,需要安裝排流緩解設(shè)施[13]。

3)B段管道受高壓交流輸電線的干擾范圍廣,從 K 0839 號(hào)樁～K 0873號(hào)樁,長度超過10 km,管道沿線大部分地段的土壤電阻率較高,很多地段的土壤電阻率超過100 Ω·m,根據(jù)交流干擾電流密度計(jì)算結(jié)果可以看出B段管道所受交流干擾程度比A段管道受干擾程度小,其中僅有K 0851和K 0859測試樁交流電流密度超過100 A/m2,不滿足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)》的安全要求,需要安裝排流緩解設(shè)施[14]。

3 交流干擾防護(hù)措施

管道遭受嚴(yán)重的交流雜散電流干擾后,亟需解決的問題就是交流雜散干擾電流的排流和緩解。交流雜散干擾電流排流緩解技術(shù)的相關(guān)研究已有近30年的歷史[15]。目前國內(nèi)外常用的交流緩解措施主要包括增大管道與干擾源之間距離、集中接地、安裝排流井及緩解線等[16]。其中,交流排流裝置和緩解線相結(jié)合的方法由于具有施工方便、排流效果顯著的特點(diǎn),得到了國內(nèi)外同行的一致肯定,獲得了大量推廣應(yīng)用[17],也是目前使用最廣泛的交流雜散干擾電流排流方法。該種措施是在管道和高壓電線之間,與管道平行敷設(shè)緩解線,緩解線通過交流排流裝置與管道相連接。排流井也是采用緩解線和交流排流裝置相結(jié)合的方式,這種方式特別適合于西南山地管道,因?yàn)槲髂仙降赜蜌夤艿姥鼐€坡高山陡,林密水深,溝壑縱橫,沿管道平行敷設(shè)緩解線存在很多困難,不易實(shí)施,采用將緩解線豎直安裝在排流井中,緩解線另一端通過交流排流裝置與管道連接的方式,簡單方便,在受地形限制的山地管道上可大量推廣應(yīng)用[18]。

3.1 A段管道排流設(shè)施安裝

A段管道長度約5 km,管道上的最高干擾電壓16.05 V,該段管道設(shè)置排流設(shè)施2處,分別位于K 0607和K 0610號(hào)樁處。兩處排流地點(diǎn)均位于半山坡位置,附近沒有連續(xù)地段適合敷設(shè)緩解線,只有根據(jù)現(xiàn)場情況安裝排流井。其中K 0607附近土壤電阻率約28.5 Ω·m,K 0610附近土壤電阻率約15.2 Ω·m,根據(jù)GB/T 21448-2017 《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算后確定在K 0607附近安裝排流井3口,每口深度20.5 m,在K 0610附近安裝排流井2口,每口深度20.5 m,井口位置根據(jù)附近地形確定。每口井內(nèi)安裝排流緩解線20 m?，F(xiàn)場施工完成后,K 0607附近3口井并聯(lián)后接地電阻約1.8 Ω,K 0610附近2口井并聯(lián)后接地電阻約1.6 Ω。最后將排流井通過排流設(shè)施與管道進(jìn)行連接,安裝完成后測試管道上交流干擾電壓,詳細(xì)測試結(jié)果見表4。

表4 A段管道安裝排流設(shè)施后的交流干擾電壓測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

Tab.4 Test data statistics of AC interference voltage of A pipeline after installation of drainage facilities

序號(hào)管道名稱樁號(hào)位置管道上的交流干擾電壓/V1A段管道K 06071.82A段管道K 06082.03A段管道K 06092.14A段管道K 06102.05A段管道K 06112.06A段管道K 06122.5

根據(jù)表4所示測試情況,安裝排流井后,管道上交流干擾電壓均降至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)》規(guī)定的4 V以下[19],最高交流干擾電壓約2.5 V,符合標(biāo)準(zhǔn)要求,證明A段管道所選用的排流方式的排流效果較好。

3.2 B段管道排流設(shè)施安裝

B段管道長度約34 km,管道上的最高干擾電壓14.32 V,該段管道中地理?xiàng)l件適合水平敷設(shè)緩解線的地段,就采取安裝緩解線加排流設(shè)施的方案進(jìn)行排流,地理?xiàng)l件不合適的位置還是采取A段管道所采取的排流井的排流方案進(jìn)行排流。

B段管道共設(shè)置排流設(shè)施10處,其中有2處采用安裝排流緩解線的方式進(jìn)行排流,分別位于K 0851到 K 0859 號(hào)樁附近的管道上,剩余8處全部采用排流井的排流方案進(jìn)行排流。B段管道的沿線土壤電阻率均較高,因此根據(jù)GB/T 21448-2017 《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算后,為方便現(xiàn)場施工管理,確定采用排流井方式的8處排流點(diǎn),每處均設(shè)置排流井4口,每口深度20.5 m,間距大于10 m,井口位置根據(jù)排流點(diǎn)附近地形確定,最好采用“一”字型布置。每口井內(nèi)安裝排流緩解線20 m。現(xiàn)場施工完成后,要求每口排流井的接地電阻低于4Ω。10處排流設(shè)施安裝完成后,對(duì)B段管道上的交流干擾電壓進(jìn)行了測試,測試結(jié)果見表5。

表5 B段管道安裝排流設(shè)施后的交流干擾電壓測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

Tab.5 Test data statistics of AC interference voltage of B pipeline after installation of drainage facilities

序號(hào)管道名稱樁號(hào)位置管道上的交流干擾電壓/V排流方式1B段管道K 08412.6排流井2B段管道K 08512.1緩解線3B段管道K 08533.2排流井4B段管道K 08553.4排流井5B段管道K 08582.9排流井6B段管道K 08593.0緩解線7B段管道K 08622.5排流井8B段管道K 08652.6排流井9B段管道K 08671.9排流井10B段管道K 08722.0排流井

根據(jù)表5所示測試情況,安裝排流設(shè)施后,B段管道上交流干擾電壓均降至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)》規(guī)定的4 V以下[20],最高交流干擾電壓約3.4 V,從排流效果上看,排流井和緩解線差別不大,都能將管道上的交流干擾電壓降至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

1)通過對(duì)西南山地油氣管道所受交流雜散電流干擾情況的測試分析可以看出，與管道并行的高壓交流輸電線路輸電電壓等級(jí)越高,并行距離越長,并行間距越小,管道受到的雜散電流干擾越嚴(yán)重。因此在今后的管道建設(shè)中一定要保證管道與高壓交流輸電線的間距,盡量不要與高壓交流輸電線路長距離平行敷設(shè)。

2)西南地區(qū)的山地油氣管道由于受地形條件限制,不易采取緩解線加排流裝置的方案排流時(shí),可采取排流井的方式排流。兩條管道的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況證明該種排流方案占地面積小,現(xiàn)場施工簡單可靠,安裝方便,排流效果好。當(dāng)一口排流井不能滿足排流效果時(shí),可設(shè)置多口排流井,多口排流井之間通過并聯(lián)進(jìn)行排流工作,可大大提高排流效果,保障管道的安全運(yùn)行。