福建LNG長(zhǎng)輸管道雜散電流干擾的排查研究

唐趙林

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，莆田 351100)

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福建LNG長(zhǎng)輸管道雜散電流干擾的排查研究

唐趙林

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，莆田 351100)

為了解決福建液化天然氣(LNG)管道ZZ002測(cè)試樁附近雜散電流干擾問(wèn)題，聯(lián)合使用長(zhǎng)時(shí)間電位監(jiān)測(cè)手段、密間隔電位測(cè)試(CIPS)檢測(cè)方法、土壤電位梯度(DCVG)檢測(cè)等方法確定了管道電位異常的時(shí)間、范圍和沿管道的分布狀況，發(fā)現(xiàn)了雜散電流的源頭；切斷雜散電流干擾源后，對(duì)管道進(jìn)行復(fù)測(cè)，管道電位恢復(fù)正常；并對(duì)干擾現(xiàn)象產(chǎn)生的原理進(jìn)行了分析、計(jì)算，和實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，證實(shí)聯(lián)合使用時(shí)間電位監(jiān)測(cè)手段、CIPS檢測(cè)方法、土壤電位梯度檢測(cè)等方法可以有效查找雜散電流干擾源。

雜散電流；直流干擾；陰極保護(hù)；密間隔電位測(cè)試(CIPS);直流電位梯度(DCVG)

直流雜散電流會(huì)對(duì)管道造成嚴(yán)重的危害，在電流吸收區(qū)，可能會(huì)造成管道過(guò)保護(hù)，嚴(yán)重情況下會(huì)引起涂層鼓泡剝離、管材氫脆等現(xiàn)象；在電流排放區(qū)，會(huì)引起管道的快速腐蝕。早在19世紀(jì)晚期和20世紀(jì)早期，遍及北美街道的軌道交通實(shí)現(xiàn)了電氣化，這最終導(dǎo)致了鑄鐵水管的腐蝕；我國(guó)早期管道建設(shè)中也出現(xiàn)直流干擾現(xiàn)象，東北管網(wǎng)一管道建設(shè)完成后僅1 a就因?yàn)橹绷鞲蓴_產(chǎn)生穿孔情況[1]。在電流排出區(qū)，管道作為陽(yáng)極釋放電流，其理論腐蝕速率為9.13 kg/a，在土壤中，其腐蝕速率為8.4 kg/a[2]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[3]，撫順地區(qū)管道在投產(chǎn)初期，因雜散電流干擾腐蝕穿孔漏油9 次, 占同期東北管網(wǎng)管道腐蝕漏油事故的78%。撫鞍線康樂(lè)站段投產(chǎn)不到半年就因雜散電流腐蝕穿孔漏油2次。隨著軌道交通業(yè)的發(fā)展，地鐵系統(tǒng)對(duì)管道的影響日趨嚴(yán)重，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道地鐵對(duì)管道的嚴(yán)重干擾距離約60 km，明顯干擾距離約100 km[4]；特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)管道的干擾也十分嚴(yán)重，干擾范圍更大。翁永基[5]等提出判斷直流干擾存在的評(píng)判指標(biāo)為電位偏移、電位梯度等；當(dāng)管道任一點(diǎn)的管地電位較自然腐蝕電位正向偏移≥100 mV或管道附近土壤表面電位梯度大于2.5 mV/m時(shí)，應(yīng)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施[6]。

1　管道狀況及干擾表象

1.1管道狀況

福建LNG天然氣管道廈門(mén)至漳州段全長(zhǎng)約40 km，為φ406 mm×7 mm管道，管道材質(zhì)為X60鋼，防腐蝕層為3LPE。該段管道在廈門(mén)和漳州段設(shè)有兩座陰極保護(hù)站，陰極保護(hù)站為恒電位運(yùn)行模式，廈門(mén)站陰極保護(hù)站位于XM028附近，角美陰極保護(hù)站位于ZZ013測(cè)試樁附近；管道電位測(cè)試樁約每公里設(shè)置1處，要求每月測(cè)試管道電位(目前測(cè)試數(shù)據(jù)為通電電位、交流電壓)。表1和表2為2014年1月管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行記錄和沿線測(cè)試樁位置管道電位測(cè)試記錄,文中電位若無(wú)特指均相對(duì)于CSE(飽和硫酸銅電極)。

表1　廈門(mén)站、漳州站陰極保護(hù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)表

表2　廈門(mén)-漳州段管道陰極保護(hù)電位

1.2干擾表象

由表3可見(jiàn),2014年2月起，廈門(mén)至漳州段管道ZZ002測(cè)試樁處管道電位為-2.5 V，ZZ01測(cè)試樁及ZZ003測(cè)試樁處管道電位分別為1.17，0.96 V。相對(duì)于2014年2月前管道電位，ZZ002處電位大幅度負(fù)向偏移，而ZZ002前后兩個(gè)測(cè)試樁電位無(wú)明顯變化，2014年3月管道電位基本和2014年2月情況一致，ZZ002處測(cè)試樁電位偏負(fù)現(xiàn)象一直存在。相對(duì)于直流電位的變化，管道交流電位保持穩(wěn)定，沒(méi)有明顯變化；廈門(mén)站恒電位儀輸出情況沒(méi)有發(fā)生變化。

2　技術(shù)方法

2.1采用電位采集儀DL-1 24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)管道ZZ002測(cè)試樁交直流電位

采用電位采集儀DL-1對(duì)ZZ002處測(cè)試樁進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間從10點(diǎn)左右開(kāi)始，至次日9點(diǎn)左右結(jié)束，采集頻率1次/s。監(jiān)測(cè)按照GB 21246《陰極保護(hù)測(cè)試規(guī)范》要求進(jìn)行連線，DL-1的通道1負(fù)極連接飽和硫酸銅參比電極，正極連接管道，采集管道通電電位；通道3負(fù)極連接飽和硫酸銅參比電極，正極連接管道，采集管道交流電位。測(cè)試結(jié)果如圖1。

圖1　ZZ002測(cè)試樁管道電位監(jiān)測(cè)圖Fig. 1　Monitoring of potential on the station ZZ02

由圖1可見(jiàn),管道交流干擾電位為1～4 V，白天電位稍高，約3 V，晚上電位稍低，約為1 V。該現(xiàn)象是由高壓交流輸電線路影響所致，由于晝夜線路系統(tǒng)載荷不同而發(fā)生電位變化;管道通電電位一直比較穩(wěn)定，白天和晚上保持在約-2.5 V，這也排除了廈深高鐵對(duì)管線直流干擾的可能性,直流干擾源穩(wěn)定為-2.5 V。

2.2采用CIPS對(duì)ZZ002測(cè)試樁進(jìn)行電位測(cè)試

以ZZ002測(cè)試樁為中心，密間隔電位(CIPS)測(cè)試管道通電電位，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn),管道受干擾范圍為ZZ002-700 m至ZZ002+600 m，其中ZZ002+100 m處電位最負(fù)，約為-2.6 V，以ZZ002+100 m位置為中心，管道電位分布基本呈對(duì)稱形狀,說(shuō)明干擾源的位置為ZZ002+100 m處。

圖2　ZZ002測(cè)試樁附近管道電位分布圖Fig. 2　Potential profile along the pipe

2.3采用萬(wàn)用表測(cè)試土壤電位梯度

以管道電位最負(fù)點(diǎn)位置(ZZ002+100 m)為起點(diǎn)，測(cè)試垂直管道方向土壤直流電位梯度，測(cè)試過(guò)程中，和紅色表筆(+極端)所連接的參比電極靠近管道，兩參比電極間距為10 m，萬(wàn)用表檔位放置于直流檔。第一次測(cè)量時(shí)，紅色表筆所連參比電極放置在管道正上方，第二次和紅色表筆連接的參比電極放在第一次測(cè)量時(shí)和負(fù)極連接的參比電極位置，依次類推。測(cè)試結(jié)果如表4。

表4　土壤電位梯度

由表4可見(jiàn),管道垂直方向120～130 m的范圍內(nèi)，電流方向發(fā)現(xiàn)改變，判斷該范圍內(nèi)有干擾源；再以電流方向改變的位置為起點(diǎn)，在平行與管道的方向上繼續(xù)采用土壤電位梯度法，最終判斷穩(wěn)定的干擾源為管道水平方向位于高速公路邊一廣告牌，以鐵塔為中心向外輻射狀測(cè)量土壤電位差，檢測(cè)到10 m間距土壤電位差為10 V，電位梯度方向呈輻射狀指向鐵塔四周。

2.4干擾源的確定與排除

該鐵塔和管道垂直距離約為120 m，管道上距離鐵塔的最近點(diǎn)和電位最負(fù)點(diǎn)距離約為20 m。和鐵塔廣告牌管理部門(mén)溝通后，對(duì)方安排電氣工程師對(duì)該鐵塔廣告牌照明系統(tǒng)進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)廣告牌照明漏電。隨后依據(jù)電氣規(guī)范正確接線，處理完成后，廣告牌投入運(yùn)行，對(duì)管道進(jìn)行測(cè)試，直流干擾源消除，管道電位恢復(fù)正常。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)量發(fā)現(xiàn)廣告牌鐵塔的照明采用直流電源供電，電壓為36 V，利用三極法測(cè)量高塔接地極接地電阻為1.5 Ω，接地極流出電流為15 A。

3　干擾原理分析

為便于分析計(jì)算，將鐵塔接地簡(jiǎn)化為半徑為R的半球，半球面全部埋設(shè)在電阻率為ρ的土壤中，埋設(shè)深度為R。假設(shè)接地釋放出的故障電流為I，則半球在大地中形成一個(gè)以半球?yàn)橹行牡拇蟮仉妶?chǎng)，距離球心r處的電位為Vr，則：

(1)

對(duì)上式進(jìn)行積分：

(2)

無(wú)窮遠(yuǎn)處，該電場(chǎng)電位為0，即：

(3)

對(duì)式(2)、式(3)進(jìn)行求解：

可見(jiàn)，接地半球形成的地電場(chǎng)造成了半球周圍的地電位升高，在半球半徑R處地電位最高為Iρ/2πR，隨著距離半球距離的增加，地電位迅速降低。如果管道距離半球?yàn)閞，則管道電位會(huì)發(fā)生數(shù)值約為(Iρ/2πr)，且為負(fù)向偏移；隨著管道和半球距離增加，管道電位變化逐漸減小。如果管道距離半球足夠遠(yuǎn)，則半球引起的地電位升高不足以影響管道電位發(fā)生明顯的變化。如果電流方向相反，則管道電位會(huì)發(fā)生正向偏移。

4　結(jié)論

通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析、計(jì)算，證實(shí)測(cè)試樁ZZ002處管道正是處于鐵塔接地處故障電流的地電場(chǎng)范圍內(nèi)而造成電位發(fā)生變化。該處平均土壤電阻為60 Ω，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量故障電流為15 A，方向?yàn)閺慕拥亓魅氪蟮?，根?jù)計(jì)算，在距離鐵塔約120 m大地電位約為1.2 V和管道電位的負(fù)向偏移量(1.4 V)基本一致。

驗(yàn)收完成后，2014年5月至12月的電位測(cè)試結(jié)果恢復(fù)正常。綜合利用連續(xù)在線電位監(jiān)測(cè)手段、CIPS檢測(cè)方法、土壤電位梯度檢測(cè)等方法查找雜散電流干擾源，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，確認(rèn)干擾源的干擾原理是可行、有效的。

若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效解決次段管線直流干擾問(wèn)題，可能會(huì)造成管道腐蝕穿孔發(fā)生，這就不可避免涉及到管道補(bǔ)強(qiáng)甚至停輸換管等一系列的后續(xù)補(bǔ)救措施，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成較大的社會(huì)影響和民眾安全問(wèn)題，后果相當(dāng)嚴(yán)重。采用各種先進(jìn)的陰保測(cè)試手段，成功的排查出直流干擾源，則可以從根本上解決了直流干擾對(duì)管線的影響，避免了管道發(fā)生腐蝕穿孔的危險(xiǎn)，保證了管道的安全有效運(yùn)行，確保了漳州居民及工業(yè)用氣安全，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

[1]SY/T 0017-2006埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]胡士信. 陰極保護(hù)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999:106-107.

[3]陳敬和,何悟忠,李紹忠. 撫順地區(qū)管道直流雜散電流干擾腐蝕及防護(hù)的探討[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,1999(6):13-17.

[4]楊敬杰. 地鐵直流干擾影響下管道陰保電位的測(cè)試和評(píng)價(jià)[J]. 腐蝕與防護(hù),2014，35(3)：288-291.

[5]翁永基,李英義. (埋地管道直流干擾腐蝕研究)I檢測(cè)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2010，22(1)：1-3.

[6]GB/T 19285-2014埋地鋼制管道防腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)[S].

Survey and Mitigation of Interference on Fujian LNG Pipeline

TANG Zhao-lin

(CNOOC Fujian Gas Limited Liability Company, Putian 351100, China)

In order to solve the stray current interference problem near the Fujian LNG pipeline ZZ002 test pile, the stray current source was found by combined several methods, including CIPS, DCVG and potential detection. The interference was eliminated by turning off the stray current source and then the negative shift of potential disappeared. The strength of the interference was analyzed and computed. The contrast was completed between the computed data and the field data. It is confirmed that the combination of time potential monitoring means, CIPS, DCVG and potential detection can effectively find the stray current interference sources.

stray current; DC interference; cathodic protection; close interval pipe-to-soil potential survey (CIPS); direct current voltage gradient (DCVG)

2014-12-09

唐趙林(1983-),工程師,本科,從事陰極保護(hù)相關(guān)工作,15960529249,tzl19511@163.com

應(yīng)用技術(shù)

10.11973/fsyfh-201512015

TG172.84

B

1005-748X(2015)12-1180-03