海底電纜對海底管道電磁干擾仿真技術(shù)研究

衛(wèi) 憲，楊 嶺，朱 艷，王 巍，趙開龍

1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072

2.中國石油天然氣股份有限公司大港趙東作業(yè)分公司，天津 300457

3.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

隨著海洋油氣田的不斷開發(fā)，作為海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)主要組成部分的海底管道及為海上石油平臺提供通訊和電力的海底電纜，需求越來越大，由此導(dǎo)致海底電纜與海底管道存在交叉或者長距離并行的工況[1-6]。

在高壓交流輸電線正常運行或發(fā)生短路接地故障時，線路周圍存在的電磁場會在周圍的環(huán)境中產(chǎn)生電磁感應(yīng)、電容、傳導(dǎo)干擾電流或電壓。不管交流還是直流干擾，都會對周圍的金屬物體造成損傷，甚至對站在附近觸摸金屬的人造成電擊傷害，引發(fā)一定危險。而且過高的雜散電流或涂層電壓（管地電壓）會使管道涂層性能劣化甚至擊穿，加速管道的腐蝕、損壞絕緣法蘭和整流設(shè)備，甚至威脅作業(yè)人員安全[7-13]。

我國渤海某油田的2條海底電纜與2條海底管道在長度約5 km范圍內(nèi)形成公用走廊，其中靠近管道側(cè)的電纜長4 831.61 m，與2條管道存在4次交叉；另一條電纜長4 756.59 m，與管道無交叉。本文主要研究電纜對生產(chǎn)管道的電磁干擾，以實際工況作為實驗條件，借助專業(yè)軟件構(gòu)建了海底電纜與海底管道的電磁干擾仿真模型，研究了海底電纜在正常運行、單相對地短路故障、電纜鎧裝層破損等工況下對海底管道形成的交流干擾，并依據(jù)相關(guān)標準給出交流腐蝕風險、人身安全等判斷。研究結(jié)果可為相關(guān)工程的設(shè)計與整改提供參考依據(jù)。

1 仿真特性參數(shù)確立

1.1 海洋環(huán)境電氣特性

海水電阻率為0.32 Ω·m，海水層深度5 m；海泥層電阻率為10 Ω·m，海泥層厚度為5 m，海泥層下方的基巖電阻率為800 Ω·m。管道和電纜均處于海泥層。

1.2 海底管道特性參數(shù)

海底管道鋪設(shè)在水中，采用犧牲陽極保護。海底管道仿真設(shè)計時，沿管道每900 m布置一個犧牲陽極，犧牲陽極相對電阻率3.42，相對磁導(dǎo)率10，外半徑0.015 m。海底管道具體參數(shù)如表1所示。

表1 海底管道參數(shù)

1.3 海底電纜特性參數(shù)

海底電纜具體參數(shù)如表2所示。兩條電纜雖然長度不同但型號相同。

表2 海底電纜參數(shù)

1.4 涂層小缺陷破損孔

涂層小缺陷破損孔的電流密度是確定交流干擾腐蝕的關(guān)鍵參數(shù)，決定了金屬管道的腐蝕速度。在小孔的存在不影響管地電位的假設(shè)條件下,涂層小缺陷破損孔的電流密度可以由無涂層小缺陷破損時計算的管地電位除以涂層小缺陷破損孔等效電阻得到。

若管道在電阻率為10 Ω·m的海泥里，假設(shè)小孔為圓柱形，面積1 cm2的涂層小缺陷破損孔的等效電阻為：

式中：R為涂層小缺陷破損孔等效電阻，Ω；ρs為電阻率，Ω·m；r為小缺陷破損孔半徑，m。

若管道位于電阻率為0.32 Ω·m的海水里，假設(shè)小孔為圓柱形，面積1 cm2的涂層小缺陷破損孔的等效電阻為：

2 仿真計算及分析

2.1 仿真模型建立

根據(jù)實際工況，建立如圖1所示的計算模型，整個模型中包括了電纜和管道系統(tǒng)平行、交叉的區(qū)域，同時為了保證計算結(jié)果準確可靠，也考慮了平行區(qū)域外的電力電纜。模型采用的各參數(shù)均基于實際工況數(shù)據(jù)選取，如電纜參數(shù)、管道參數(shù)、電纜穩(wěn)態(tài)運行電流、故障以及鎧裝的接地等，從而準確地反映現(xiàn)場實際情況。

圖1 仿真模型平面示意

2.2 海底電纜正常運行條件下海底管道交流干擾情況

在兩條電纜均正常運行且同方向供電情況下，工作電壓為13.8 kV，工作電流為75 A。

經(jīng)模擬計算，海底管道受交流干擾的程度如圖2～圖5所示。圖2為管道金屬電位升；圖3為管道沿線接觸電壓；圖4為當生產(chǎn)管道處于海泥中，在管道任意位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度；圖5為當海底管道處于海水中，在管道任意位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度。橫坐標以圖1中A平臺位置為原點。

圖2 管道金屬電位升

圖3 管道沿線接觸電壓

圖4 海底管道處于海泥層時小孔電流密度

圖5 海底管道處于海水層時小孔電流密度

從圖2、圖3可見：在電力電纜正常運行時，管道所受交流干擾水平很低；管道金屬最大電位升約0.009 79 V，最大接觸電壓為0.009 754 V。

從圖4、圖5可見：若海底管道處于海泥中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為0.219 8 A/m2；若海底管道處于海水中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.869 A/m2。

2.3 海底電纜發(fā)生單相對地短路故障情況下海底管道交流干擾情況

在海底電纜的A相纜芯和護套短路并與鎧裝短接情況下，由于故障相電流較大，管道感應(yīng)電壓會成倍抬高。同時，有很大的故障電流將經(jīng)過鎧裝兩端流向水中，附近海水的電位會升高，構(gòu)成傳導(dǎo)干擾。此時，在電纜發(fā)生單相對地故障情況下，海底管道將同時承受電感性耦合和傳導(dǎo)性耦合影響。對于一個給定的管道，最嚴重的故障位置通常是在最接近電力系統(tǒng)的部分即電纜與管道的交叉位置。在該電磁干擾仿真模型中，設(shè)置單相對地故障點的位置如圖6所示。

圖6 單相接地故障點位置

經(jīng)模擬計算，圖6所示位置海底電纜發(fā)生單相對地短路故障時海底管道受交流干擾，兩條管道沿線的接觸電壓和涂層電壓如圖7、圖8所示。

圖7 管道沿線接觸電壓/V

圖8 管道沿線涂層電壓/V

從圖7、圖8可知：在圖6所示位置發(fā)生短路故障時，故障電流可在管道涂層形成最大25.56 V的總電壓，管道沿線接觸電壓最大值為25.25 V。

2.4 電纜在交叉位置破損海底管道交流干擾情況

靠近管道的電纜在管道交叉位置破損且兩條電纜都正常運行條件下，計算模型如圖9所示。

圖9 電纜破損位置

經(jīng)模擬計算，海底管道受交流干擾的程度如圖10～圖13所示。圖10為管道電位升；圖11為接觸電壓；圖12為當海底管道處于海泥中，在管道任何位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度；圖13為當海底管道處于海水中，在管道任何位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度。

圖10 管道金屬電位升

圖11 管道沿線接觸電壓

圖12 海底管道處于海泥層時小孔電流密度

圖13 海底管道處于海水層時小孔電流密度

從圖10、圖11可見：電纜靠近管道的電纜和管道的交叉位置處，鎧裝外絕緣破損，且電力電纜正常運行時，管道所受交流干擾水平很低，最大管道金屬電位升約0.015 V，最大接觸電壓為0.012 V。

從圖12和圖13可見：若海底管道在海泥中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.642 A/m2；若生產(chǎn)管道處于海水中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為10.3 A/m2。

3 結(jié)論

通過建立海底電纜與海底管道的電磁干擾仿真模型，研究了海底電纜在正常運行、單相對地短路故障、電纜鎧裝層破損等工況下對海底管道形成的交流干擾。依據(jù)NACE SP0177標準，接觸電壓安全設(shè)計限值15 V，金屬電位升安全設(shè)計限值50 V，管道涂層安全電壓設(shè)計限值5 000 V；依據(jù)GB/T 50065—2011標準，計算電纜故障下接觸電壓允許值為394.05 V；依據(jù)EN 15280標準，選擇管道交流腐蝕設(shè)計限值為30 A/m2。

（1）在電纜正常運行時，海底管道所受交流干擾水平很低：最大管道金屬電位升約0.00979V，遠小于安全極限值（50V）；最大接觸電壓0.009754V，可接觸物體不會超過安全極限值（15 V）。若海底管道在海泥中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為0.219 8 A/m2，無交流腐蝕風險；若海底管道處于海水中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.869 A/m2，無交流腐蝕風險。

（2）電纜典型位置發(fā)生單相對地短路故障時，故障電流可在管道涂層形成最大25.56 V的總電壓，遠低于設(shè)計限值（5 000 V），無須對管道進行緩解措施的設(shè)計，管道沿線接觸電壓的最大值為25.25 V，滿足人身安全要求。

（3）電纜在交叉位置破損，且電力電纜正常運行時，管道所受交流干擾水平很低，最大管道金屬電位升約0.015 V，遠小于安全極限50 V標準；最大接觸電壓為0.012 V，可接觸物體不會超過安全極限15 V。若生產(chǎn)管道在海水中，流過面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.642 A/m2，無交流腐蝕風險；若生產(chǎn)管道處于海水中，流過1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為10.3 A/m2，無交流腐蝕風險。

綜上所述，結(jié)合油田的實際工況，在長度約5 km范圍內(nèi)的公用走廊，海底電纜不會對海底管道形成明顯交流干擾，無交流腐蝕風險，滿足人身安全要求。