高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)油氣管道的腐蝕影響

馬東

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

我國地域遼闊，但能源產(chǎn)地與需求地分布不均，能源主要集中在西部地區(qū)，而需求集中在中東部地區(qū)，因此，大容量、遠(yuǎn)距離的能源輸送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。1978 年上海直流輸電工程建成，標(biāo)志著我國進(jìn)入直流輸電高速發(fā)展階段。由于輸電系統(tǒng)與油氣管道的選址條件類似，為減少土地占用面積，常出現(xiàn)兩者相距較近甚至共用一條廊帶的情況。當(dāng)輸電系統(tǒng)采用雙極不平衡或單極大地運(yùn)行時(shí)，接地極釋放的入地電流通過管道防腐層破損點(diǎn)流入或流出，并在流出端加速金屬腐蝕，對(duì)管道附屬設(shè)施（恒電位儀、絕緣卡套等）和操作人員造成影響[2]。因此，研究直流接地極入地電流對(duì)管道的腐蝕影響顯得尤為重要。

目前，朱鈺等[3]、鄭策等[4]、李振軍[5]、李想等[6]均通過遠(yuǎn)程電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)管地電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了接地極放電過程中管地電位的偏移情況，但直流輸電工程極少安排單極運(yùn)行，且故障出現(xiàn)的時(shí)間具有不可預(yù)知性，難以通過實(shí)際工程測(cè)試腐蝕防護(hù)效果?；谝陨显颍阅辰拥貥O和輸氣管道為例，采用CDEGS 軟件進(jìn)行電磁仿真數(shù)值模擬[7]，確定腐蝕影響規(guī)律和腐蝕程度，并針對(duì)防護(hù)措施適用性進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為輸電系統(tǒng)接地極的選址及埋地管道安全距離的確定提供實(shí)際參考。

1 入地電流對(duì)管道腐蝕影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，對(duì)埋地管道直流干擾腐蝕評(píng)價(jià)主要涉及5 個(gè)方面的指標(biāo)：地電位梯度、管地電位偏移、陰極保護(hù)電位、泄漏電流密度和腐蝕速率[8-9]，各規(guī)范的限值見表1。其中，地電位梯度只能估測(cè)入地電流的干擾程度，當(dāng)電極離干擾源較近時(shí)誤差較大；管地電位偏移只能定性評(píng)估管道腐蝕程度，且測(cè)量過程受IR 降干擾；陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則是根據(jù)穩(wěn)定干擾源制定的，對(duì)于電流變化大、大電流持續(xù)時(shí)間短、小電流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的直流輸電系統(tǒng)并不適用；泄漏電流密度是電力企業(yè)普遍采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)，但泄漏電流密度與檢測(cè)位置、土壤環(huán)境等因素相關(guān)，且電流密度與極化電位并不完全呈線性比例。

表1 現(xiàn)有關(guān)于直流干擾的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Existing evaluation criteria for DC interference

從時(shí)間角度來看，入地電流對(duì)管道腐蝕影響是一個(gè)累積過程。腐蝕速率綜合考慮了干擾源、土壤電阻率、相對(duì)位置、埋地金屬活性等因素的影響，根據(jù)法拉第電磁定律，結(jié)合入地電流大小和運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算，將腐蝕速率和累積腐蝕量作為油氣管道腐蝕程度的評(píng)估依據(jù)更為合理。其中，ISO 15589-1—2015 和NACE SP 0169—2013 分別采用0.01 mm/a、0.025 4 mm/a 作為標(biāo)準(zhǔn)，在沒有高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)油氣管道腐蝕程度影響限值規(guī)定的前提下，以0.025 4 mm/a 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 直流接地極對(duì)管道的腐蝕影響分析

2.1 接地極和管道布置

以某±800 kV 特高壓直流輸電工程為例，該輸電系統(tǒng)額定容量8 000 MW，額定電流5 kA，輸送距離1 618 km，其中一個(gè)送端接地極南側(cè)有一條輸氣管道，管道縱向中點(diǎn)與接地極的最近距離為9.5 km，兩者的相對(duì)位置如圖1 所示。

圖1 接地極與管道相對(duì)位置Fig.1 Relative position of grounding pole and pipeline

2.2 建模方法及參數(shù)設(shè)置

采用國際上通用的電磁仿真軟件CDEGS 進(jìn)行模擬設(shè)置，該軟件可分析計(jì)算共用廊帶內(nèi)輸電線路對(duì)鄰近金屬的影響，采用MALZ 模塊設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。

接地極為雙圓環(huán)設(shè)計(jì)，外環(huán)和內(nèi)環(huán)直徑分別為400 m 和250 m，外環(huán)和內(nèi)環(huán)分別采用Φ70 mm、Φ 60 mm 的圓鋼，電導(dǎo)率1×106S/m，磁導(dǎo)率200 H/m，外環(huán)、內(nèi)環(huán)均埋深4 m。

采用Wenner 四電極法實(shí)測(cè)接地極和輸氣管道附近的土壤電阻率，通過軟件反演計(jì)算得到分層結(jié)構(gòu)，分層結(jié)果見表2。其中，反演結(jié)果與實(shí)際分層較接近，說明反演結(jié)果符合模擬要求。

表2 土壤分層結(jié)果Tab.2 Soil stratification results

輸氣管道全長(zhǎng)60 km，管徑660×8.5 mm，采用3PE 防腐層，防腐層厚度3 mm，電阻率10×104Ω·m2。

2.3 干擾影響規(guī)律

以入地電流5 kA 為例，模擬防腐層良好（破損率0）和無防腐層（裸管）條件下管道沿線的泄漏電流密度，電流密度分布情況見圖2。其中，當(dāng)接地極以陽極運(yùn)行時(shí)，入地電流從土壤流入近端防腐層破損點(diǎn)，并從遠(yuǎn)端破損點(diǎn)處流出；當(dāng)接地極以陰極運(yùn)行時(shí)，入地電流的流入流出方向與陽極運(yùn)行方式相反。此時(shí)，在管道上的電流流出段為易腐蝕區(qū)域，電流流入段為易氫脆和陰極剝離區(qū)域。

圖2 管道沿線泄漏電流密度分布Fig.2 Leakage current density distribution along the pipeline

由圖2 可知，靠近接地極處的泄漏電流密度明顯大于其余部位，且以陰極方式運(yùn)行的陽極區(qū)泄漏電流密度大于陽極方式運(yùn)行的陽極區(qū)泄漏電流密度，說明陰極運(yùn)行時(shí)對(duì)管道的腐蝕作用更強(qiáng)；同理，陽極運(yùn)行時(shí)對(duì)管道防腐層的陰極剝離作用更強(qiáng)。

當(dāng)防腐層良好時(shí)，管道沿線的最大泄漏電流密度為0.000 131 A/ m2；裸管時(shí)，最大泄漏電流密度增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，為0.005 34 A/m2。通過統(tǒng)計(jì)沿線累加電流，兩者的流入電流總量分別為5.2 A 和185.5 A，說明防腐層可有效阻止入地電流對(duì)管道的干擾。

在實(shí)際運(yùn)行中，因管道運(yùn)輸、第三方破壞、現(xiàn)場(chǎng)焊接和補(bǔ)口損傷等因素，不可避免地會(huì)造成管道防腐層破損。根據(jù)調(diào)研情況，70%的管道防腐層漏點(diǎn)面積為1～100 cm2，常見漏點(diǎn)面積為10 cm2，中位數(shù)為6.5 cm2，因此取4～10 cm2作為模擬條件。此外，涂層破損的位置和大小具有不確定性，引入涂層破損率進(jìn)行描述，陸上油田3PE 防腐層的破損率根據(jù)使用年限取值，本文管道的投產(chǎn)時(shí)間為2005年，運(yùn)行時(shí)間17 年，經(jīng)驗(yàn)值為0.3%。不同漏點(diǎn)面積下的最大泄漏電流密度如圖3 所示。隨著漏點(diǎn)面積的增加，最大泄漏電流密度減小，說明電流從局部漏點(diǎn)處集中泄放，導(dǎo)致局部腐蝕程度遠(yuǎn)高于裸管。

圖3 不同漏點(diǎn)面積下的最大泄漏電流密度Fig.3 Maximum leakage current density under different leakage point areas

2.4 腐蝕速率計(jì)算

根據(jù)法拉第電磁定律計(jì)算單位面積腐蝕量[10]，公式為

式中：m為管道單位面積的腐蝕量，g/m2；Z 為金屬電化學(xué)當(dāng)量，1.047 g/(A·h)；i為泄漏電流密度，A/ m2；t為接地極運(yùn)行時(shí)間，h。接地極單極運(yùn)行時(shí)的泄漏電流大而運(yùn)行時(shí)間短，雙極運(yùn)行時(shí)的泄漏電流小而運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，接地極使用壽命60年，按照陰極運(yùn)行出現(xiàn)概率50%計(jì)算等效運(yùn)行時(shí)間，結(jié)果見表3。在整個(gè)使用壽命期間，單極運(yùn)行的時(shí)間為0.453 4/60=0.007 5 年，雙極運(yùn)行的時(shí)間為29.55/60=0.492 5 年。

表3 不同工況下接地極等效運(yùn)行時(shí)間Tab.3 Equivalent operating time of grounding pole under different working conditions

根據(jù)之前的模擬結(jié)果，將公式（1）除以金屬管道密度得到腐蝕速率，進(jìn)而計(jì)算累積腐蝕厚度，管道腐蝕速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。當(dāng)存在漏點(diǎn)時(shí)，各漏點(diǎn)面積下的腐蝕速率均超過0.025 4 mm/a；在接地極壽命期內(nèi)，累積腐蝕厚度大約在2.5～4.4 mm 之間，而管道壁厚為8.5 mm，結(jié)合ASME B31G—2012 的要求（當(dāng)管道壁厚小于20%時(shí)，需進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估），在接地極壽命后期，管道運(yùn)行壓力已無法滿足生產(chǎn)需求，需降壓或換管操作。

表4 管道腐蝕速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistical results of pipeline corrosion rate

3 防腐措施適應(yīng)性研究

以防腐層破損率0.3%、漏點(diǎn)面積6 cm2為例進(jìn)行防腐措施適應(yīng)性研究，主要從防腐涂層性能、分段絕緣、強(qiáng)制電流和敷設(shè)鋅帶等四個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估[11-12]。

3.1 防腐涂層性能

由于管道電阻率遠(yuǎn)小于土壤電阻率，因此入地電流優(yōu)先與管道形成回路，防腐層的作用是在管道周圍形成一個(gè)高值電阻區(qū)，抑制入地電流對(duì)管道的腐蝕。從絕緣層厚度和電阻率兩個(gè)方面考慮其對(duì)泄漏電流密度的影響，模擬結(jié)果見圖4、圖5（以陰極運(yùn)行為例）。提高防腐層厚度和電阻率對(duì)泄漏電流密度的影響較小，這是由于防腐層性能增加的同時(shí)，絕緣電阻也增加，導(dǎo)致管地電位和泄漏電流密度的變化并不明顯。

圖4 防腐層厚度對(duì)泄漏電流密度的影響Fig.4 Influence of anticorrosion coating thickness on leakage current density

圖5 防腐層電阻率對(duì)泄漏電流密度的影響Fig.5 Influence of anticorrosion coating resistivity on leakage current density

3.2 分段絕緣

通過在管道兩側(cè)安裝絕緣接頭將其分為電氣不連接的多段短管道，從而減小管地電位。在管道中點(diǎn)兩側(cè)每10 km 設(shè)置一個(gè)絕緣接頭，將管道分為5段，模型如圖6 所示，模擬結(jié)果見圖7（以陰極運(yùn)行為例）。采用分段絕緣后，距離接地極最近的干擾管道長(zhǎng)度較未采取措施時(shí)明顯減少，管道中點(diǎn)及兩端的泄漏電流密度大幅降低，且由于電氣回路的改變，絕緣接頭處成為入地電流的流入或流出點(diǎn)，故端部電流會(huì)有所升高，其過正或過負(fù)可能增加腐蝕或氫脆的傾向。

圖6 分段絕緣布置位置Fig.6 Segmented insulation layout

3.3 強(qiáng)制電流

強(qiáng)制電流是陰極保護(hù)方式的一種，將直流電源的負(fù)極與管道相連，正極與輔助陽極相連，使管道成為陰極，入地電流從陽極流向金屬管道，從而抑制電子遷移，延緩腐蝕。在管道中點(diǎn)處安裝強(qiáng)制排流裝置，如圖8 所示（以陰極運(yùn)行為例）。施加強(qiáng)制電流后，管道沿線的泄漏電流密度整體向下偏移，且管道中點(diǎn)的下降幅度最大，但遠(yuǎn)端處的泄漏電流密度有所增加，有發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。同理，陽極運(yùn)行時(shí)采用強(qiáng)制電流法，會(huì)減少氫脆風(fēng)險(xiǎn)而增加腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，在使用強(qiáng)制電流法時(shí)應(yīng)注意接地極運(yùn)行方式對(duì)腐蝕的影響。

圖8 強(qiáng)制電流對(duì)泄漏電流密度的影響Fig.8 Influence of impressed current on leakage current density

3.4 敷設(shè)鋅帶

敷設(shè)鋅帶是在管道上連接一種比管道金屬更活潑的金屬，通過消耗鋅帶來保護(hù)目標(biāo)管道不受腐蝕影響。根據(jù)圖2，可見在管道中點(diǎn)和兩端的泄漏電流密度最大，故在這三處設(shè)置鋅帶，中點(diǎn)處鋅帶長(zhǎng)度10 km，兩端處的鋅帶長(zhǎng)度5 km（圖9），模擬結(jié)果見圖10。敷設(shè)鋅帶的管段，泄漏電流密度明顯降低，未敷設(shè)鋅帶的管段，泄漏電流密度變化較小，泄漏密度在管道沿線分布較均勻。因此，對(duì)于遠(yuǎn)離接地極的管段，可采用敷設(shè)鋅帶的方式降低管地電位，由于接地極的影響范圍較大，對(duì)于靠近接地極的管段如只采用鋅帶，則用量過大，投資過高。

圖9 敷設(shè)鋅帶示意圖Fig.9 Schematic diagram of laying zinc belt

圖10 敷設(shè)鋅帶對(duì)泄漏電流密度的影響Fig.10 Influence of zinc belt laying on leakage current density

3.5 綜合防腐措施

由上述分析可知，分段絕緣和敷設(shè)鋅帶是兩種行之有效的防腐措施，但絕緣接頭連接處的電流密度會(huì)增大，而鋅帶對(duì)于接地極附近電流密度的減緩程度有限，因此將兩種措施聯(lián)合，先用絕緣接頭將管道分段，再用鋅帶作為陽極材料進(jìn)行分段防護(hù)，相應(yīng)設(shè)置即為圖6 和圖9 的聯(lián)合。取管道沿線泄漏電流密度的最大值計(jì)算腐蝕速率和防護(hù)效果，結(jié)果見表5。采用單一措施時(shí)，腐蝕速率很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中敷設(shè)鋅帶的效果最好，其次為強(qiáng)制電流和分段絕緣。采用綜合防腐措施后，腐蝕速率為0.008 32 mm/a，滿足0.025 4 mm/a 的標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)效果比未采取措施提高了85.7%。

表5 不同防腐措施下的腐蝕速率Tab.5 Corrosion rates under different anticorrosion measures

4 結(jié)論

（1）針對(duì)管道受直流干擾的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了梳理，確定了將腐蝕速率和累積腐蝕量作為油氣管道腐蝕程度的評(píng)估依據(jù)更為合理。

（2）建立CDEGS 軟件模型，得到接地極不同運(yùn)行方式對(duì)管道的影響，陰極運(yùn)行時(shí)對(duì)管道的腐蝕作用更強(qiáng)，陽極運(yùn)行時(shí)管道發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)更大。

（3）對(duì)不同的防腐措施進(jìn)行了適應(yīng)性分析，其中分段絕緣和敷設(shè)鋅帶是兩種行之有效的防腐措施，采用綜合防腐措施后，腐蝕速率為0.008 32 mm/a，滿足0.025 4 mm/a 的標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)效果比采取措施前提高了85.7%。