埋地輸氣管道雜散電流干擾分析與防治措施

李剛川

（湖南省華湘天然氣有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國內(nèi)各種高壓輸電網(wǎng)、電氣化交通軌道、變電站等設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，埋地鋼質(zhì)管道的數(shù)量也在持續(xù)增長[1]。管道的鋪設(shè)中經(jīng)常不可避免的與高壓輸電線路或電氣化鐵路并行或交叉，從而對管道產(chǎn)生雜散電流干擾，甚至形成管道腐蝕穿孔[2]，嚴(yán)重威脅著管道的運(yùn)行安全。因此，及時檢測管道受雜散電流的干擾程度和影響范圍，對避免管道事故的發(fā)生具有重要的意義[3-5]。

湖南某天然氣管道采用3PE防腐層和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)結(jié)合的方式實(shí)施外腐蝕防護(hù)，管道途經(jīng)區(qū)域多次與電氣化鐵路并行、交叉，且管道周邊范圍內(nèi)存在較為密集的廠礦企業(yè)分布，環(huán)境復(fù)雜。在日常運(yùn)營過程中，發(fā)現(xiàn)管道通電電位波動較大且存在多處管段交流干擾電壓超標(biāo)，但對于管道沿線斷電電位和整體交流干擾腐蝕情況未能全面掌握，嚴(yán)重威脅到管道的安全使用。因此，對管道進(jìn)行雜散電流的系統(tǒng)檢測并開展排流整改對保障管道安全運(yùn)行具有重要意義。

1 管線概況

邵東市輸氣管線全長22.87km，該線路全線設(shè)置3座站場，其中場站1到場站2為SA線，場站2到場站3為SC線，管線設(shè)置一座陰極保護(hù)站，陰保站位于站場2內(nèi)，預(yù)置電位為-1.25V，此段管線陰保系統(tǒng)自2018年投運(yùn)以來，由于受到雜散電流干擾，恒電位儀輸出電流整體較小，輸出電流分布在0.1～0.2A之間。該管道與懷邵衡鐵路（交流電氣化高速鐵路）存在近距離并行、交叉，具體走向如圖1所示。

圖1 邵東線與懷邵衡鐵路位置關(guān)系示意圖

2 管道雜散電流干擾檢測方法

針對管道存在直流雜散電流干擾的情況，按照SY/T 0029－2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，測試采用數(shù)據(jù)記錄儀uDL2和工作面積為6.5cm2的極化試片，按照每秒采集一組數(shù)據(jù)，通斷周期設(shè)置為通12s/斷3s，對管道沿線進(jìn)行通/斷電電位和交流干擾電壓測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析管道沿線干擾情況，雜散電流干擾測量接線如圖2所示[6]。

圖2 雜散電流干擾測量接線圖

3 交流干擾評價分析

3.1 交流干擾現(xiàn)場檢測

為評價該段管道交流雜散電流的影響程度，全線選擇8處（測量間距2～3km）進(jìn)行24h連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明管道的交流電壓都存在明顯的波動。在8處測試點(diǎn)中，2處管段的交流電壓波動較大（超過15V），為SA04#和SA015#測試樁，交流電壓的最大值為分別為15.92V和17.23V，其管道交流電壓24h監(jiān)測結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 SA04#測試樁處管道交流電壓-時間曲線

圖4 SA015#測試樁處管道交流電壓-時間曲線

管道交流電壓與時間關(guān)系分布圖表明，2處監(jiān)測點(diǎn)交流電壓均呈現(xiàn)白天交流電壓波動幅度較大，晚上交流電壓穩(wěn)定的規(guī)律，且平均每 5～10min 出現(xiàn)一次尖峰電壓，尖峰值整體均在4V以上，之后迅速回落至0.2V左右，為典型的間歇性干擾，測量時間段管道交流電壓最高達(dá)17.23V。另外，需要注意的是，2處測量點(diǎn)的測試時間分別為在6月26日和6月28日，但其交流電壓-時間波形圖具有較大的相似性，即不同位置和時間下管道交流電壓的波動幅度和波動規(guī)律具有一定重復(fù)性。

現(xiàn)場勘查結(jié)果顯示，該管道與懷邵衡高速鐵路存在多處交叉與并行，交叉點(diǎn)有2處（SA023和SC016），并行段長度接近10km（SC029至SC081），平均間距為500m，最近間距為200m（SC042），最遠(yuǎn)間距約為1300m（SC029），根據(jù)現(xiàn)場對列車通行情況與管道交流電壓變化的對照可知，測試點(diǎn)處在無火車通過時，管道交流電壓穩(wěn)定，在列車經(jīng)過前后呈現(xiàn)瞬間增大并回落的變化，形成一個電壓尖峰。電氣化鐵路對管道交流干擾類型主要為電阻耦合式干擾，其特點(diǎn)是管道附近無電力機(jī)車時，管道無明顯交流干擾，列車在管段區(qū)間運(yùn)行并靠近測試點(diǎn)時，管道受到干擾，交流干擾電壓迅速上升并達(dá)到峰值；當(dāng)列車駛離管段區(qū)間時，管道交流干擾消失[7,8]，表明該管道的交流干擾是由于懷邵衡鐵路與管道交叉并行造成的。

3.2 交流干擾評價

為進(jìn)一步評價該段管道所受交流雜散電流的干擾程度，對測量范圍內(nèi)管道交流電壓的最大值、最小值和平均值及交流電流密度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

通過表1可知，8處測試點(diǎn)中，SA04、SA015、SA023、SC026和 SC081共計(jì)5處管道的最大交流電壓均大于4V，但最大交流電流密度僅SA04和SA015處大于30A/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)》相關(guān)規(guī)定，當(dāng)管道的交流干擾電壓不大于4V時，交流干擾程度為弱，可不采取交流干擾防護(hù)措施。當(dāng)交流干擾電壓大于4V且30A/m2＜交流電流密度＜100A/m2時，交流干擾程度為中，應(yīng)排查干擾來源，采取措施或提出建議消除干擾。同時根據(jù)NACE SP0177—2014《減緩交流輸電線路和雷擊對鋼質(zhì)管道及其腐蝕防護(hù)影響的做法》中規(guī)定交流電壓最大不應(yīng)超過15V。在本案例中，僅在靠近管道與懷邵衡鐵路交叉段的SA04和SA015處交流雜散電流干擾程度中且最大電壓超過15V。此外，交流干擾還明顯影響該管道恒電位儀的正常運(yùn)行，使管道得不到有效的陰極保護(hù)。因此為保證管道檢測、維護(hù)人員的人身安全，建議對上述二處管段進(jìn)行交流排流處理，其余6處測試點(diǎn)管道整體交流干擾程度較為微弱，可以不采取防護(hù)措施。

表1 管道交流電壓分布范圍與評價統(tǒng)計(jì)表

3.3 交流干擾排流整改措施的建議

一般對于已投產(chǎn)管道來說，交流雜散電流的排流通常采取接地的防護(hù)措施，而接地排流方式分為直接接地、負(fù)電位接地和固態(tài)去耦合器接地三種方式，針對本案例，前兩種方式都會對管道陰極保護(hù)系統(tǒng)造成影響，而固態(tài)去耦合器接地能實(shí)現(xiàn)隔直通交，在排除交流雜散電流的同時能有效隔離陰極保護(hù)電流[7-9]。因此，在本案例中，選擇交流電壓最大的2處（SA04和SA015）左右的位置采用固態(tài)去耦合器 + 排流地床的形式進(jìn)行排流處置。

排流地床的設(shè)置原則是使其接地電阻小于管道接地電阻，為雜散電流提供一個低電阻通道，將雜散電流通過排流地床排出。本方案排流地床采用鍍鋅角鋼與接地扁鐵聯(lián)合布置，接地網(wǎng)參數(shù)：總尺寸10m×10m，網(wǎng)格大小2m×2m；水平網(wǎng)采用鍍鋅扁鐵50×4mm；垂直接地極為50×50×4mm鍍鋅角鋼，長2m，具體連接如圖5和圖6所示。

圖5 排流接地網(wǎng)示意圖

圖6 排流地床結(jié)構(gòu)示意圖

4 直流雜散電流評價分析

4.1 管道直流干擾現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)

采用試片斷電法對存在明顯直流干擾的管段進(jìn)行管道通/斷電電位的24h連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，管道通電電位均存在明顯的波動，其中在SC026-SC051段管道通/斷電電位整體呈現(xiàn)負(fù)向偏移，在SC061-SC081段管道通/斷電電位整體呈現(xiàn)正向偏移，如圖7和圖8所示。

圖7 SC026和SC051處管道通斷電位24h變化圖

通過圖7和圖8可以看出，在SC51#測試樁處，管道電位呈現(xiàn)多次較長時間段內(nèi)的電位負(fù)向偏移，最負(fù)通電電位達(dá)到-1.62V，其最長偏移時間持續(xù)約52min，在SC061-SC081段管道電位則呈現(xiàn)正向偏移，有2處管道通電電位正向偏移較大，在SC061#測試樁處，最正通電電位達(dá)到0.4V，最正斷電電位達(dá)到-0.56V，其通電電位的波動幅度為1.35V，最長偏移時間持續(xù)約95min，在SC069#測試樁處，最正通電電位0.37V，最正斷電電位-0.62V，最長偏移時間持續(xù)約115min，表明管道存在明顯的直流雜散電流干擾，SC026-SC051段為管道雜散電流干擾的陰極區(qū)（流入電流），SC061-SC081段為管道雜散電流干擾的陽極區(qū)（流出電流）。

圖8 SC061至SC081段3處管道通斷電位24h變化圖

直流雜散電流的來源一般有直流高壓輸電（ HVDC）系統(tǒng)、直流牽引運(yùn)輸系統(tǒng)及其他直流系統(tǒng)如直流電解系統(tǒng)、直流電焊系統(tǒng)、管道的外加電流保護(hù)系統(tǒng)等。該管道電位的變化趨勢類似于直流高壓輸電（ HVDC）系統(tǒng)接地極放電所引起管道電位的變化[10,11]，即一段時間內(nèi)管道電位呈現(xiàn)正向或負(fù)向的變化趨勢。因此本管道干擾源可能為某接地裝置工作放電所導(dǎo)致，通過現(xiàn)場調(diào)查與資料查閱，該管道附近無直流接地極或其他大型電鍍工廠，具體干擾源還需進(jìn)一步測試分析。

4.2 直流干擾的危害與評價

在5處測試點(diǎn)中，管道通/斷電電位明顯正向偏移，且在受干擾和未受干擾的時間段內(nèi)，管道斷電電位均不滿足-850mV陰保準(zhǔn)則，這可能是由于該段管道處于恒電位儀的末端，陰極保護(hù)效果逐漸減弱和雜散電流干擾的綜合效果所導(dǎo)致。同時在SC061-SC081段管道主要為雜散電流的流出端（陽極區(qū)），雜散電流排出點(diǎn)集中在界面電阻小、易放電的局部位置，導(dǎo)致破壞性極強(qiáng)，在長時間段的電流流出下，管道運(yùn)行短時間內(nèi)即可導(dǎo)致管線發(fā)生腐蝕穿孔[12]。

為進(jìn)一步明確陰保不達(dá)標(biāo)段與雜散電流流出段管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，按照GB/T21246-2020提出在雜散電流干擾的區(qū)域需要采用試片法對陰極保護(hù)效果及干擾程度進(jìn)行評判的原則，選取與管道材質(zhì)相同（X45）的極化試片（試片面積6.5cm2）于SC026#和SC069#測試樁處與管道進(jìn)行連接后進(jìn)行了埋設(shè)，埋設(shè)時間共計(jì)6個月。開挖檢測結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出，試片均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕，在SC026處，試片表面整體呈現(xiàn)絮狀的腐蝕結(jié)構(gòu)，腐蝕面為較大創(chuàng)面的均勻腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為紅褐色及少量的黑色沉積物，與基體結(jié)合較為松散，判斷腐蝕產(chǎn)物絕大部分為鐵的氧化物以及含有少量的鐵的硫化物[13]；在SC069處，試片表面出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕坑呈現(xiàn)為蜂窩狀的散點(diǎn)分布，創(chuàng)面光滑、并伴隨有金屬光澤，局部腐蝕較為嚴(yán)重，最大的腐蝕坑深度約1.1mm，由此可知，在管道陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)且存在直流雜散電流干擾時，管道存在嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，按照 GB50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時，應(yīng)及時采取干擾防護(hù)措施。

圖9 SC026和SC069處試片腐蝕形貌圖

4.3 直流雜散電流干擾治理建議

管道通/斷電電位的監(jiān)測結(jié)果表明，本段管道受到不同程度的直流干擾且管道本體存在較為嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，為確保管道的運(yùn)行安全，應(yīng)進(jìn)行直流雜散電流排流。直流雜散電流排流有直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流和接地排流四種方式。根據(jù)本管道受干擾情況調(diào)查，基本確定為某接地體裝置放電所導(dǎo)致，但未能準(zhǔn)確確定干擾源位置，同時管道正向偏移段主要出現(xiàn)在該管道的末端，因此，排流方式建議在管道的末端增設(shè)強(qiáng)制排流的方式，給予管道施加陰極保護(hù)電流，從而抑制管道電位的正向偏移，降低管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。另外，SC061-SC069段為雜散電流流出嚴(yán)重段，在陰保站啟用后進(jìn)行24h電位監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對部分不達(dá)標(biāo)段補(bǔ)設(shè)鎂合金犧牲陽極作為陰極保護(hù)補(bǔ)充措施。

5 排流效果評價

5.1 交流排流效果評價

為進(jìn)一步明確該排流措施的效果，在對SA04和SA015測試樁處采取固態(tài)去耦合器加接地網(wǎng)的排流措施后，進(jìn)行24h管道交流電壓的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，2處排流整改點(diǎn)交流電壓較排流前均大幅降低，其中SA04#測試樁處最大交流電壓由15.92V降低至4.15V，SA015#測試樁處最大交流電壓由17.23V降低至6.59V。同時，排流后最大交流電流密度均小于30A/m2，交流干擾程度均為“弱”，均滿足管道交流干擾防護(hù)效果評價指標(biāo)。

圖10 SA04和SA015#測試樁處整改后管道交流電壓-時間變化圖

5.2 直流整改效果評價

為明確在距離SC081#測試樁約1.2km的管道末端新增陰保站后管道沿線陰保電位分布情況和保護(hù)范圍，初步采用饋電法進(jìn)行排流效果的模擬試驗(yàn)，在末端恒電位儀開啟后（設(shè)置預(yù)置電位-1.4VCSE），對管道雜散電流流出段SC061-SC081段管道通/斷電電位進(jìn)行24h監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，該段管道斷電電位基本都能達(dá)到-850mV的標(biāo)準(zhǔn)要求，僅在SC061#測試樁處仍有部分時間點(diǎn)管道電位處于不達(dá)標(biāo)狀態(tài)，可能是由于該處干擾較大且距離末站陰保站較遠(yuǎn)所導(dǎo)致，因此在SC61#測試樁建議進(jìn)一步采用鎂陽極極性排流的方法進(jìn)行熱點(diǎn)保護(hù)。

6 結(jié)語

（1）24h的通/斷電電位數(shù)據(jù)檢測表明，所測地點(diǎn)部分管道陰極報(bào)電位未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，管道長期處于陰極保護(hù)欠保護(hù)狀態(tài)，需及時采取整改措施；

（2）交流干擾檢測結(jié)果顯示，管道受到電氣化鐵路影響，存在明顯的交流雜散電流干擾，交流干擾峰值出現(xiàn)在電氣化鐵路與管道交叉處，最大交流電壓超過17V，需要交流干擾防護(hù)措施；

（3）管道通/斷電電位測試結(jié)果明確了管道雜散電流的流入流出點(diǎn)，在SC061-SC081段管道呈現(xiàn)多段時間的電位正向偏移，為雜散電流流出點(diǎn)，持續(xù)最正通電電位達(dá)到了0.4V，持續(xù)最正斷電電位達(dá)到了-0.56V，持續(xù)時間最長達(dá)到了115min，存在明顯的直流雜散電流干擾；

（4）交流排流整改結(jié)果表明，采用固態(tài)去耦合器加排流接地網(wǎng)的方式，有效的降低管道的交流干擾，達(dá)到管道交流干擾防護(hù)效果評價指標(biāo)。饋電試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果表明，在管道的末端采取強(qiáng)制排流措施后，大部分管道斷電電位能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，直流干擾程度能有效控制在可接受范圍之內(nèi)。