杭嘉管线交流干扰的排流设计

2012-12-06王健健

石油化工腐蚀与防护 2012年3期

王健健

(胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营 257026)

杭州-嘉兴天然气管道工程为浙江省重点建设项目，于2009年底建成，包括杭嘉主干线和安吉支线、南浔支线三部分。其中杭嘉主干线全长约87.20 km，管径为813 mm;安吉支线全长约52.05 km，管径为273 mm;南浔支线全长约19.34 km，管径为273 mm。管道全线均采用加强级三层聚乙烯防腐层和强制电流阴极保护方法联合保护，杭嘉主线在屠甸分输站设阴极保护站1座，安吉支线、南浔支线分别在南浔末站和安吉末站各设阴极保护站1座。

杭嘉主干线管道沿线有多处高压输电线路，特别是在许桥村－下沙段约14 km的管道，多处与500 kV、220 kV的高压输电线路平行，中间经过一个大型变电站及一个变电所，管道沿线自然电位波动范围大，阴极保护系统运行异常，可能存在较为严重的杂散电流干扰腐蚀。

1 交流干扰检测及评估

检测采用杂散电流测试仪，选择有代表性的管段(许桥至下河段管道)进行了交流干扰测试，现场交流干扰检测结果见表1，交流干扰电位曲线见图1。

(1)管道沿线共与110 kV、220 kV及500 kV三个等级的高压输电线路相邻，尤其是500 kV的高压输电线路，几乎与管道全线相伴随(共11 km)。由于高压输电线路电压等级高，并且平行距离较长，对相邻的杭嘉线管道产生的磁感应干扰电压总体较高，全线共有13处交流干扰属于“强”等级;

表1 管道交流干扰检测结果Table 1 The test results of AC influence on pipeline

图1 管道交流干扰电位曲线Fig.1 The AC influence curve

(2)高压输电线路与管道距离较近的地段(从CSWH22～CSWH14，与管道距离约20 m)，对管道产生的磁感应干扰电压也更高(平均值大于10 V)。特别是CSWH18～CSWH20的管段，除了高压输电线路与管道距离较近外，还有一座变电站，变电站有两条500 kV高压线路(分别与管道平行或交叉)，与管道最近处基本上重叠，这一段的管道磁感应干扰值达到最高峰;而距离管道较远的地段(与管道距离超过100 m)，产生的磁感应干扰电压相对较低一些。

(3)同时，全线有16处直流杂散电流干扰属于“强”等级。根据分析，由于管线上的阴极保护电位未出现明显的正向偏移，而且出现直流干扰的管段基本上都存在较强的交流干扰，因此可判断管道的杂散电流干扰主要是由于高压输电线路引起的交流干扰，直流干扰影响属于交流干扰的波动影响。

因此从检测结果来看，杭州-嘉兴天然气管道“高压输电铁塔接地体与管道的间距均超过10 m，高压线与管道距离约20 m，变电站接地体与管道的间距超过70 m”，均满足标准GB/T 21447允许的最小水平安全距离，但管道受到的交流干扰仍然十分严重，必须采取与干扰程度相适应的防护措施，确保管道的安全正常运行。

为了验证现场测试交流干扰电压数据的可靠性，还根据标准SY/T0032-2000附录B的埋地钢质管道磁干扰电压简化计算公式，计算了杭嘉线许桥村～下沙段管道上的理论干扰电压数值。根据公式，当高压输电线路与管道平行接近时，若有效平行长度在25 km以下，则管道上磁干扰电压最大值可用下列公式计算:

本工程中:

U20m:查出U20m=140 V/kA，高压线路与管道平行总长度取11 km;

Ick:由于调查时无法获得高压输电线短路电流，因此 Ick暂以输电线路额定电流代入，即2.515 kA;

fd:查表得 M=600 ×10－6，由公式 B.0.1-2 计算得出fd=0.7594;

αγ:根据防腐层绝缘电阻值(约为5000 Ω·m2)，由公式B.0.1-3计算得出αγ=1.414;

α:取值0.4。

将上述各参数代入上述公式，计算得出Umax=151 V。

根据理论计算结果可知，干扰段管道运行过程中由于高压输电线路感应的交流干扰电压最大值可达到151 V，由于三层PE防腐层绝缘电阻值要远高于5000 Ω·m2，因此计算的感应交流电压值应更高，而实际测试仅为70 V。这是由于高压输电线路与管道的实际距离并不是均匀的20 m在下沙附近距离稍远，同时由于土壤的复杂性，部分干扰影响可能被其它外部的埋地体吸收。现场实际测试交流干扰电压最大值约70 V比理论计算值要低是可以理解的。当高压输电线路产生故障电流时，由于故障电流大大高于运行额定电流值，对管道产生的瞬间感应交流电压将更高。因此，必须对管道交流干扰进行防治。

2 排流方法选择

高压输电线路对管道的影响主要有电容耦合干扰、电阻耦合干扰和电感耦合干扰3种。根据交流干扰理论，当管道埋入地下后，强电线路的电容耦合干扰可以忽略不计［1］，交流干扰主要为电阻耦合干扰和感应耦合干扰。

电阻耦合影响的干扰源为变电站或变电所及高压铁塔的接地体，由于接地体的影响范围很小，非故障状态下地电位也不会太高。只有在故障时，由故障电流引起的大地电位升高才是危险的，其在管道上的干扰表现为瞬间状态，不会有长期持久的干扰状态。

感应耦合影响的干扰源为与管道平行或交叉的高压输电线路，由于杭嘉线管道在下沙～许村段多处与高压线路平行或交叉，使得平行于高压输电线的管道长度较长，造成了这一带管段上出现较高的交流干扰电压影响，并且这一影响将是长期持续的。

根据本项目现场实际情况，考虑到施工、征地及工程量等因素，按照标准规范推荐的方法和工程实践经验，本工程管道高压输电线路交流干扰排流防治选用隔直排流法。该方法不需要对管道进行电绝缘隔断，可以利用已有测试桩，避免管道二次开挖焊接，施工安装工程量小，综合造价低，便于管理维护。由于本工程管道处于生产运行中，一旦停产将造成很大的经济损失，并影响工业的生产和居民的生活，因此隔直排流法是适合本工程排流的措施。

排流设备采用固态去耦合器，排流接地体采用锌带和棒状锌合金牺牲阳极相联合的接地体。

2.1 固态去耦合器

固态去耦合器是一种集嵌位式排流与浪涌保护器于一体的交流干扰防护产品，具有较高的AC故障电流、雷电电流通流能力和极低的电压保护水平。可安装在管道附近的高压输电线路铁塔/通讯铁塔以及它们的接地系统附近、高压输电线路与管道并行段的公共走廊内、管道与输电线路交叉位置处、与电气化铁路并行的管段以及管道沿线RTU阀室的两侧，用来降低管道上感应的交流杂散电流或雷电流对埋地管道的影响。同时，固态去耦合器可以防止管道上阴极保护电流的流失，确保管道阴极保护的有效性。

固态去耦合器主要技术及性能要求如下:

额定隔离电压(泄漏电流不超过1 mA):2 V

阻断电压(1mA):+2 V

冲击通流容量(4/10 μS):100 kA

稳态电流:≤45A(在－2 V/+2 V条件下，20℃)

直流泄漏电流:≤1 mA(正常阴极保护电压下，20～65℃)

故障电流 (AC-RMS，50/60Hz，30 周波):不小于3700 A

工作温度:-45～60℃防护等级:IP65

2.2 锌带

带状锌合金牺牲阳极规格见表2。

表2 带状锌合金牺牲阳极规格Table 1 The details of zinc ribbon anode

2.3 棒状锌合金牺牲阳极

棒状锌合金牺牲阳极规格见表3。

表3 棒状锌合金牺牲阳极规格Table 1 The details of zinc rod anode

3 干扰排流点选择

排流点的设置必须在现场详细测试的基础上根据下述原则和条件综合确定:

3.1 相互位置条件

(1)被干扰管道首、末端;(2)管道接近或离开干扰源处;(3)管道与干扰源距离最小的点;(4)管道与干扰源距离发生突变的点;(5)管道穿越干扰源处。

3.2 技术条件

(1)交流电流密度较大的点;(2)管道交流干扰电压较高、且持续时间较长的点;(3)高压输电线导线换位处;(4)土壤电阻率低，便于接地体设置的场所。

根据管道沿线测试桩的布置，干扰段管道共设 8个排流点，分别为 CSWH13、CSLH02、CSWH16、CSWH18、CSWH19、CSLH03、CSWH22和CSWH26测试桩处。

4 交流干扰防治

每处干扰排流点设一台固态去耦合器，位置在管道测试桩旁，与测试桩处于管道的同一侧。为避免重新焊接对管道造成的破坏，去耦合器通过已建测试桩与管道电连接进行排流保护。

每处干扰排流点设300 m锌带和1组6支棒状锌阳极作为接地体。由于CSWH26为干扰段管道排流的末端，且高压线较多，为确保排流保护效果，该处埋设锌带约 1000 m，沿管道自CSWH26桩敷设至CSW H25桩。为增强排流保护效果，棒状锌阳极与锌带分别位于管道的两侧。锌带与管道同沟敷设，与管道净距0.3～0.5 m，原则上敷设在管道存在高压线/高压线铁塔或变电站/所的一侧。除CSWH26桩外，在其它干扰排流点，而锌带均以去耦合器为中心，沿管道向两侧敷设。棒状锌合金牺牲阳极的埋设必须采用化学填包料而锌带的敷设不需采用化学填包料。

由于干扰排流采用带状锌阳极和棒状锌阳极相联合的接地体，既确保接地体的接地电阻大大低于受干扰段的管道，又确保了排流接地的安全性;另外，由于锌阳极同时作为管道阴极保护的牺牲阳极，其消耗主要在于保护电流的输出，由于三层PE防腐层的优异绝缘性能，管道所需的保护电流很小，大大小于锌阳极所能发出的理论最大输出电流，因此可以确保锌阳极的实际使用寿命。