膠日線天然氣管道交流干擾評估與緩解

宋春慧，王力勇，姜子濤，杜艷霞

（1.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，濟(jì)南250101；2.北京科技大學(xué)，北京100083）

1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國油氣管道、高速鐵路以及高壓電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。國內(nèi)外研究表明［1］，當(dāng)電力線路或電氣化鐵路與埋地管道并行或交叉時，會對埋地管道造成交流干擾。如果交流干擾電壓超過人體安全電壓，就會對觸碰管道的工作人員及其他人員造成傷害；交流干擾還可能引起管道的交流腐蝕，增加管道失效風(fēng)險。隨著高電阻率涂層的廣泛使用（如3PE涂層），交流干擾的風(fēng)險日益加劇［2］。

膠日線天然氣管道膠州至膠西段長20km，直徑508mm，采用3PE外防腐蝕涂層。該管段與多條高壓輸電線及電氣化鐵路并行或交叉，存在較高的交流干擾風(fēng)險，為了掌握該段管道的交流干擾風(fēng)險，筆者在現(xiàn)場開展了交流干擾參數(shù)測試，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了交流干擾風(fēng)險評估，并進(jìn)行了交流干擾緩解方案的設(shè)計與實施。

2 膠日線管道交流干擾檢測與評估

為了對膠日線天然氣管道膠州-膠西段進(jìn)行交流干擾評估，首先對管道及交流干擾參數(shù)開展了現(xiàn)場檢測。檢測內(nèi)容主要包括管道涂層狀況、管道與干擾源相對位置，管道沿線交流干擾電壓及土壤電阻率分布等。交流干擾電壓的測量參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)DD CEN-TS 15280-2006，土壤電阻率的測量采用溫納四電極法。

現(xiàn)場測試得到管道走向見圖1。由圖1可見，膠日線天然氣管道膠州-膠西段沿線干擾源分布密集，與4條大的交流輸電線路并行或交叉，與3條電氣化鐵路交叉。現(xiàn)場調(diào)查顯示，4條輸電線均為220kV高壓交流輸電線路。高壓輸電線與管道最長并行距離約9.5km，最小間距約3m。電氣化鐵路分別是青浙鐵路、膠濟(jì)鐵路。膠日線天然氣管道采用3PE外防腐蝕涂層，根據(jù)以往經(jīng)驗該涂層面電阻率約為100kΩ·m2。管道共設(shè)有23個測試樁（C1～C23）。在每個測試樁處進(jìn)行了交流干擾電壓及土壤電阻率的測量，測量結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，23個測試樁處測得的交流干擾電壓均超過10V，其中有16處交流干擾電壓超過15V，最大交流干擾電壓達(dá)到44V，而且管道沿線土壤電阻率均小于25Ω·m。標(biāo)準(zhǔn)DD CEN-TS 15280-2006中規(guī)定當(dāng)土壤電阻率小于25Ω·m時，管道交流干擾電壓應(yīng)低于4V；當(dāng)土壤電阻率大于25Ω·m時，管道交流干擾電壓應(yīng)低于10V。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可判斷，膠日線天然氣管道全線交流干擾電壓遠(yuǎn)高于4V，說明存在嚴(yán)重的交流干擾，需采取相應(yīng)的緩解措施以降低管道的交流干擾。由于所考察管段沿線的土壤電阻率小于25Ω·m，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DD CENTS 15280-2006，緩解的最終目標(biāo)為將管道交流干擾電壓降至4V以下?？紤]到該管段交流干擾較為嚴(yán)重，根據(jù)以往經(jīng)驗，一次性將交流干擾電壓降至4V難度較大，因此本案例分兩期工程來達(dá)到最終的防護(hù)目標(biāo)。一期工程緩解目標(biāo)為將交流干擾電壓降至10V以下，二期工程緩解目標(biāo)再將交流干擾電壓降至4V以下。

圖1 膠日線膠州-膠西段管道走向及與干擾源相對位置示意圖

3 膠日線管道交流干擾緩解方案設(shè)計

圖2 膠日線膠州-膠西段管道沿線交流干擾電壓及土壤電阻率分布

近年來，隨著交流干擾問題的日益嚴(yán)重，如何有效緩解交流干擾成為工程實踐中亟待解決的技術(shù)難題。目前國內(nèi)外常用的交流緩解方法主要有：安裝絕緣接頭、集中接地極、緩解線（梯度控制線）等［2］。其中，最常見的緩解方式是安裝緩解線，該方法不但能夠降低管道感應(yīng)電壓，而且能夠提高管道附近土壤電位，從而降低管道與附近土壤間的電壓差。但是，這種方式對于已建成的管道可能涉及施工征地等問題，需要綜合考慮其他集中接地形式。由于交流干擾由電磁場作用引起，影響因素較多，使得交流干擾的緩解設(shè)計較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的交流干擾緩解設(shè)計主要依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗及簡單公式，這種方法雖相對簡單，但是常常由于對管道整體性考慮不足使得設(shè)計結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)緩解效果不佳，還會導(dǎo)致其他位置干擾升高的情況。近年來計算機(jī)模擬技術(shù)發(fā)展迅速，利用相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件對管道交流干擾情況進(jìn)行整體設(shè)計，成為國際交流干擾緩解技術(shù)的發(fā)展趨勢。

本工作采用數(shù)值模擬技術(shù)對膠日線管道膠州-膠西段交流干擾緩解方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用交流干擾數(shù)值模擬計算軟件CDEGS建立了膠日線管道膠州-膠西段交流干擾模型，使得該模型預(yù)測得到的管段干擾情況和實際測量情況吻合；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行緩解方案的優(yōu)化設(shè)計，對比不同形式緩解地床的緩解效果，根據(jù)計算結(jié)果綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和施工條件，確定最終的交流干擾緩解方案。

首先，根據(jù)膠日線管段與干擾源的相對位置關(guān)系及相關(guān)參數(shù)建立了膠日線管道膠州-膠西段管道干擾干擾模型，預(yù)測得到所考察管段的交流干擾情況如圖3所示。由圖3可見，由所建立模型預(yù)測得到管道沿線交流干擾電壓分布與實際測量結(jié)果符合較好。

其次，利用站場內(nèi)接地網(wǎng)對交流干擾進(jìn)行初步緩解。在膠州和膠西站都設(shè)有防雷、防靜電接地網(wǎng)，目前接地網(wǎng)和站外管道通過絕緣法蘭電隔離。為了充分利用接地網(wǎng)，在絕緣法蘭兩側(cè)跨接具備阻直通交功能的去耦合裝置，利用站內(nèi)接地網(wǎng)先對干線交流干擾進(jìn)行初步緩解，同時保證不影響干線的陰保直流回路。當(dāng)站內(nèi)接地網(wǎng)和干線交流回路連通后，計算得到管段沿線的交流干擾電壓分布如圖4所示。由圖4可見，該方法大幅降低了站場附近的交流干擾電壓，但是對于距離站場較遠(yuǎn)的地方作用不明顯，管道多處位置交流干擾電壓仍大于10V。

最后，在與站內(nèi)接地網(wǎng)相連接的基礎(chǔ)上，在交流干擾電壓較大的位置安裝緩解地床，使得到全線交流干擾電壓降至10V以下。本工作主要考察了3種類型的緩解地床：①水平鋅帶緩解地床鋪設(shè)位置和長度；②深井陽極緩解地床位置和數(shù)量；③鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)的安裝位置和數(shù)量。這3種類型緩解地床的計算過程及結(jié)果如下：

（1）水平鋅帶緩解地床 首先設(shè)計的緩解措施為水平鋅帶緩解地床。鋅帶直徑16mm，埋深1.5m，等效電阻率為3.42（相對于退火銅電阻率），相對磁導(dǎo)率為1（相對于真空磁導(dǎo)率）。鋅帶通過去耦合器與管道相連。設(shè)計方案主要有以下2種。

水平鋅帶緩解地床分布方案一：管道2號、4號、9號、13號、16號、20號測試樁處各水平鋪設(shè)100m鋅帶緩解線，總長為600m，緩解線計算得到的交流干擾電壓分布結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，該緩解方案可將管道沿線大部分位置的交流干擾電壓降至15V以下，但對9號樁位置（7 338m），干擾電壓仍大于10V。該方案不能滿足安全要求。

水平鋅帶緩解地床分布方案二：在管道2號、4號、13號、16號、20號測試樁處各水平鋪設(shè)100m鋅帶緩解線，在9號測試樁鋪設(shè)150m鋅帶緩解線，總長為650m，計算得到的交流干擾電壓分布結(jié)果見圖6。由圖6可見，該方案可將管道全線的交流干擾電壓降至8V以下，滿足安全限值設(shè)計要求。

（2）深井陽極緩解地床 深井陽極井深100m，活性段長80m，陽極井直徑0.25m，陽極材料為鋅，陽極通過去耦合器與管道相連。具體設(shè)計如下：

深井陽極緩解地床分布方案一：在2號、9號、13號、20號測試樁處各安裝1口深井陽極緩解地床，共4處，計算得到此時管道沿線的交流干擾電壓分布見圖7。由圖7可見，該緩解方案可將管道沿線的最高交流干擾電壓降至15V左右。

但是，在2 500m與3 500m附近管道交流干擾電壓超過15V。該設(shè)計不能滿足安全限值，需進(jìn)一步設(shè)計。

深井陽極緩解地床分布方案二：在2號、4號、9號、13號、16號、20號測試樁處各安裝1口深井陽極緩解地床，共6處，計算得到此時管道沿線的交流干擾電壓分布見圖8。由圖8可見，該緩解方案，可將管道沿線的最高交流干擾電壓降至8V左右。

（3）鍍鋅扁鐵接地網(wǎng) 對鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)分布方案進(jìn)行了設(shè)計。接地網(wǎng)尺寸為10m×8m，網(wǎng)格間距為2m，每個節(jié)點上裝有2m長的接地棒，接地網(wǎng)材料為鍍鋅扁鐵，等效直徑為50mm（橫截面周長除以π），相對電導(dǎo)率12.06，相對磁導(dǎo)率300。接地網(wǎng)通過去耦合器與管道相連。

鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)分布方案一：在2號、4號、9號、13號、16號、20號測試樁處各安裝1組鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)緩解地床，共6處，計算得到此時管道沿線的交流干擾電壓分布見圖9。由圖9可見，該方案只能將管道沿線的最高交流干擾電壓降至18V左右。該設(shè)計不能滿足安全限值，需要進(jìn)一步設(shè)計。

鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)分布方案二：在4號、16號、20號測試樁處各安裝1處10m×8m的鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)；在2號、13號樁各安裝2處10m×8m的鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)；在9號安裝3處10m×8m的鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)，共10處。計算得到此時管道沿線的交流干擾電壓分布見圖10。由圖10可見，安裝的鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)，可將管道沿線的最高交流干擾電壓降至10V以下。

根據(jù)以上計算結(jié)果可見，對于水平鋅帶、深井陽極以及鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)三種緩解地床形式，只要設(shè)計合理，均能達(dá)到預(yù)期的緩解目標(biāo)。由于膠日線膠州-膠西管段已經(jīng)運行多年，并且所考察管段大部分處于農(nóng)田區(qū)，緩解方案的經(jīng)濟(jì)性需要綜合考慮緩解效果、征地費用、材料費用以及施工費用。由前面的計算結(jié)果可見，三種緩解地床方案只要合理設(shè)置，均可達(dá)到相似的緩解效果，但水平鋅帶在已建管道上施工涉及高昂的征地費用和施工開挖費用，深井陽極涉及較高昂的深井施工費用，故最終選定采用鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)分布方案二作為膠日線膠州-膠西管段交流干擾緩解的最終方案。

4 膠日線交流緩解方案效果評價

按照最終確定的膠日線膠州-膠西管段交流干擾緩解方案完成現(xiàn)場施工后，對緩解后管道沿線的交流干擾電壓進(jìn)行了測試，緩解前后管道交流干擾電壓分布如圖11所示。由圖11可見，該方案有效的降低了管道的交流干擾電壓，全線電壓均低于10V，達(dá)到一期工程的預(yù)期目標(biāo)。

圖11 安裝緩解措施前后管道交流干擾電壓對比圖

5 結(jié)論

膠日線管道膠州-膠西管段交流干擾嚴(yán)重，本文首先根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對交流干擾程度進(jìn)行了評估；并利用數(shù)值模擬計算技術(shù)對緩解方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮緩解效果、經(jīng)濟(jì)性及施工條件最終選定采用鍍鋅扁鐵接地網(wǎng)作為緩解地床，確定了緩解地床的設(shè)置參數(shù)，按照緩解方案實施后，效果評價表明膠日線管道交流干擾緩解達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可為同類工程提供參考。

［1］Martin B.A history of stray current corrosion［J］.Corrosion ＆Materials，2006，31（1）：12-14.

［2］Southey R D，Dawalibi F P，Vukonich W.Recent advances in the mitigation of AC voltages occurring in pipelines located close to electric transmission lines［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，1994，9（2）：1090-1097.