陕京管道交流干扰排流效果的影响因素

刘 权,葛艾天

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065； 2. 中石油北京天然气管道有限公司，北京 100101)

陕京管道交流干扰排流效果的影响因素

刘 权1,葛艾天2

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065； 2. 中石油北京天然气管道有限公司，北京 100101)

通过对陕京管道交流干扰排流效果进行测试，分析了地床埋设方式、地床接地电阻和排流设备等影响因素对排流效果的影响。对交流干扰地床设计和排流器的选型有重要的指导意义。

陕京管道;交流干扰;排流效果;排流器

围绕交流干扰问题，国内外已经开展了部分研究。但是由于交流干扰的影响因素众多，相互之间影响十分复杂，迄今为止，国内外在交流干扰的影响因素、交流干扰与管道阴保系统的相互作用、交流干扰的评价准则以及交流缓解等方面仍然没有达到共识，因此亟待对其进行全面系统的研究分析[1]。

陕京管道受高压输电线路或电气化铁路等的影响，埋地管道面临的交流干扰问题日益突出，严重威胁着管道及其相关设备的安全(绝缘法兰、阴极保护设备等)以及工作人员的人身安全，个别严重管段交流干扰距离长达100多公里，最大干扰电压超过100 V。为了缓解交流干扰对管道、设备和人员的危害，陕京管道已经实施了一批排流缓解措施，大大降低了管道交流干扰程度,见图1和图2。本工作通过测试陕京管道85处排流缓解效果，评价了排流效果并分析了其影响因素。

1　交流干扰腐蚀评价准则

交流干扰腐蚀的机理十分复杂，目前对交流干扰的腐蚀机理仍存在较大争议，学术界目前也形成了几类较典型的交流腐蚀假说理论，这对于交流干扰腐蚀的预测、评价及防护都带来了一定的困难[2-3]。

图1　管道与电气化铁路、交流高压输电线路位置关系图Fig. 1　Relative positions of pipeline and electrified railways, AC high voltage transmission lines

随着交流干扰腐蚀研究的深入，研究人员对于交流干扰腐蚀的评价指标观念有所转变，从过去以交流干扰电压作为主要评价指标到如今以交流电流密度作为交流干扰腐蚀评价的重要指标[4-6]，从过去单一的指标评价研究到现在多个指标进行综合评价。根据国内外现行标准及最新的研究成果，阴极保护管道各交流干扰腐蚀评价准则主要有：

(1) 对交流干扰电压准则[3,7]；

图2　管道交流干扰排流效果对比图Fig. 2　Effect comparison of AC interference drainage for pipeline

(2) 交流电流密度准则[4,7]；

(3) 保护电位和极化偏移准则[8]；

(4) 基于交流和直流电流密度评价准则[9]；

(5) 基于交、直流电流密度和保护电位评价准则[10]。

为了评价排流效果、对阴极保护的影响和分析影响排流效果的影响因素，需在各排流点测试以下内容：

(1) 管道与地床连接和断开时的交流干扰电压、交流电流密度、通/断电电位；

(2) 排流点的交流电流排泄量和直流电流漏流量；

(3) 排流点的土壤电阻率和接地地床的接地电阻；

(4) 排流器两端的交直流电压。

2　交流干扰排流效果影响因素

2.1地床埋设方式对排流效果的影响

目前排流地床的埋设方式有：与管道并行敷设、与管道垂直敷设、接地网分布式、深井地床形式、采用站内接地网。

陕京管道交流干扰排流地床的埋设方式主要是与管道并行和与管道垂直两种方式。通过选取排流地床接地电阻、管道交流杂散电流干扰程度接近两个排流点，比较这两种方式的单位长度接地极的排流效果,见表1。

由表1可见，在辅助地床的接地电阻和管道交流干扰程度接近的情况下，并行管道的排流地床的交流电压降低率、单位长度接地极的交流电压降低率及交流排流量的平均值均高于垂直管道的排流地床。

表1　不同地床埋设方式测试结果对比Tab. 1　Comparison of different ground bed embedding methods

比较这两种埋设方式对交流干扰防护效果的影响(交流电压降低率)，见图3。由图3可见,并行敷设地床埋设方式的交流电压降低率在70%～80%，垂直管道敷设的地床埋设方式交流电压降低率在30%～50%，因此表明并行敷设的辅助地床的交流干扰防护效果好于垂直管道敷设。

2.2地床接地电阻对排流防护效果的影响

根据交流干扰排流计算公式，在管道特征电阻一定的情况下，排流地床接地电阻越小，排流后管道残余的交流电压值越小,见式(1)。

(1)

式中：Vmit为缓解目标电压，V；v0为感应峰值电压，V；Z为管道特征电阻，Ω；R为排流地床的目标接地电阻，Ω。

图4为接地电阻与交流电压降低率的关系。由图4可见，地床接地电阻越小，交流电压降低率越高，交流干扰防护效果越好。

(a)　并行管道

(b)　垂直管道图3　陕京管道不同埋设方式后的交流电压降低率Fig. 3　Reduction rates of AC voltage of shaan-jing pipeline with different kinds of underground installation bed before and after drainage of AC (a)　purallel　(b)　vertical

图4　接地电阻与交流电压降低率曲线图Fig. 4　Grounding resistance vs. AC voltage lowering rate curve

从陕京管道测试的85处的交流干扰防护效果可以统计分析出，接地电阻在1.5 Ω内时，交流电压降低率能达到70%～90%；接地电阻在1.5～3 Ω，交流电压降低率能达到30%～70%；接地电阻在3～6 Ω，交流电压降低率在10%～40%。从图4可以看出交流干扰防护效果和地床接地电阻并未呈现线性关系，同时交流干扰防护效果受到交流干扰程度、排流器的类型等因素的影响。

2.3排流设备对排流效果的影响

排流设备主要利用电子元器件高直流阻抗低交流阻抗的特点降低管道感应到的交流电压而不影响阴极保护系统正常运行。排流设备根据工作原理的不同主要有电容排流和二极管排流两种类型。排流设备的选择应确保交流阻抗较小，同时隔离电压(或阀值电压)的选择应与管道的阴极保护水平和接地材料的电位相匹配，避免引入过多的直流杂散电流。由于排流设备多放置在野外，应充分考虑防尘防水性能，对于采用裸铜线做接地材料的排流设置，尤其在低洼的河谷地带应有良好的防水性能，避免设备被水浸泡影响设备正常工作，同时造成接地材料和管道的短接影响管道阴极保护效果。对于裸铜线接地极，会形成电偶腐蚀，影响管道安全。

陕京管道采用的排流设备总共有6种类型，分别为：Rustrol cathodic isolator固态去耦合器；QOH-1固态去耦合器；TKICO固态去耦合器；SCM复合型排流器；DEI固态去耦合器；SDQP-50箝位式排流器,各排流器参数对比见表2。

表2　各个排流器参数对比Tab. 2　The drainage device parameter comparison table

图5为不同排流器对排流效果的影响。由图5可见,Rustrol和DEI的交流干扰防护效果最好，交流电压降低率达到80%，箝位式和SCM排流器的交流干扰防护效果次之，交流电压降低率达到70%，TKICO和QOH-1的交流干扰防护效果最差。

图5　不同排流器的排流效果的影响Fig. 5　Influence of drainage effect on different kinds of drainage

在永唐秦管道交流干扰防护点YQ-1036处采用不同的排流器，测试不同排流器的排流效果,见表3。由表3可见,Rustrol和DEI的交流干扰防护效果比SCM排流器好。

通过测试不同排流器的交流阻抗发现，Rustrol和DEI固态去耦合器的交流阻抗最小，表明这两个排流器的通过交流电流的阻力最小，其他几个类型的排流器的交流阻抗较大。在交流干扰较大的位置，通过排流器的电流较大，若排流器的阻抗较大，则残留在排流器两端交流电压较大，使得管道和接地极之间交流电压差大，因此交流干扰防护效果差。每种排流器的具体交流阻抗见表4。

表3　不同排流器排流效果对比Tab. 3　Drainage effect of different drainages

表4　不同排流器的交流阻抗值Tab. 4　AC impedance values of different drainages

2.4排流设备对阴极保护系统的影响

表5和表6为排流器对阴极保护系统的影响。

表5　不同排流器排流效果对管道电位的影响Tab. 5　Effects of different drainage device drainages on pipeline potentials

由表5和表6可见，对管道电位有影响的三种排流器两端的交流电压差均较大，交流电压差大主要是由于排流器的交流阻抗较大造成。排流器通过交流电流时，排流器的交流阻抗大，排流过程中，残留在排流器两端的交流电压差较大，这个较大的交流电压差会叠加到排流器内部控制隔离阀值的元件，使得排流器在规定的阀值范围内也会发生导通，从而造成对管道电位的影响。

2.5接地材料对阴极保护系统的影响

目前常用的接地材料有裸铜线、扁钢/角钢、锌带等材料，裸铜线由于其良好的耐蚀性得到广泛的应用。由于各种材料在土壤环境中的电位序不同，在使用过程中也不同程度地影响了阴极保护系统的运行。表7为使用不同接地材料时管道的实际隔离电压及平衡电位。

表6　排流器对阴极保护系统的影响Tab. 6　Effects of drainage device on cathodic protection system

表7　使用不同接地材料管道的实际隔离电压和 平和电位Tab. 7　The actual cp threshold and equilibrium potential for different grounding materials

隔离电压指超过一定电压时元件导通泄流的值，为避免阴极保护电流漏失，隔离电压的负值要比阴极保护电位更负。隔离电压一般为+1～-3V或+2/-2V，由于隔离电位为管道和排流接地材料间的电压差，接地材料的不同会导致实际隔离电位发生变化,见表7。排流器两端电压差是由交流残压和阴极保护电位叠加值来确定的，排流器的交流阻抗较大时，排流器两端残留较大的交流电压差，残留交流电压和阴极保护电位的叠加效应导致管道电位有超过实际隔离电位的可能。在一个周期内，如果正向导通和负向导通时间长度不一致时，则在一个周期内接地极电流会有累积的电流流出或者流入，即会造成接地极会有电流持续流出或者流入，造成管道电位发生偏移。平衡电位指选用特定的隔离电压和接地材料时不影响阴极保护效果的管道阴极保护电位，当排流器两端电压差超过实际隔离电位且负于平衡电位时电流从管道流向接地极，管道电位变负，反之，电流从接地极流向管道，管道电位变正。需要注意的是电流的流入和流出都会在整个管道系统引入直流杂散电流，影响阴极保护效果。在排流设计时应根据管道阴极保护水平选择合理的设备隔离电压和接地材料，最大程度地减少杂散电流的引入。

去耦合器的失效模式多数为短路状态，这会造成阴极保护电流的漏失，尤其对于裸铜线接地材料，对管道有电偶腐蚀的风险，需要在运行过程中加强维护和测试，在设计选择接地材料时也需要审慎的使用裸铜线接地[11]。

3　结论

(1) 与垂直管道敷设地床相比，与管道并行敷设地床的交流干扰防护效果较好，对交流电压有明显的缓解效果。

(2) 在相同的干扰程度下，排流地床的接地电阻越低，交流干扰防护效果越好。交流干扰程度越高，需要降低到相同的目标电压越难。

(3) 排流设备对交流干扰防护效果影响主要是由排流器的交流阻抗决定，排流器的交流阻抗越小，排流设备的交流干扰防护效果越好。

[1]胡士信. 阴极保护工程手册[M]. 北京:化学工业出版社,1999:212-227.

[2]李自力，杨燕． 金属管道交流腐蚀研究新进展[J]． 石油学报,2012，33(1)：164-171．

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[4]GB/T 50698-2011埋地钢质管道交流干扰防护技术标准[S]．

[5]GB/T 21447-2008钢质管道外腐蚀控制规范[S]．

[6]张玉星，杜艳霞，姜子涛. 交流干扰对埋地管线阴极保护的影响[J]. 腐蚀与防护,2013,34(4):350-358.

[7]ISO 15589-2003Petroleum and natural gas industries-cathodic protection of pipeline transportation systems Part 1:On-land pipelines[S].

[8]杜晨阳，曹备，吴荫顺． 交流电干扰下-850 mV(CSE)阴极保护电位准则的适用性研究[J]． 腐蚀与防护,2009，30(9)：655-659．

[9]CEN/TS 15280-2006Evaluation of a.c. corrosion likelihood of buried pipelines-application to cathodically protected pipelines[S].

[10]胡士信，路民旭，杜艳霞,等． 管道交流腐蚀的新观点[J]． 腐蚀与防护,2010，31(6)：419-424．

[11]葛艾天，刘权，陈国桥. 铜接地系统对输油气站场埋地管道影响[J]. 天然气与管道,2010，28(2)：16-33.

Affecting Factors of AC Interference Drainage Effect in Shaan-jing Pipeline

LIU Quan1, GE Ai-tian2

(1. School of Materials Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China;2. PetroChina Beijing Gas Pipeline Co., Ltd., Beijing 100101, China)

Through the tests of AC interference drainage effect in Shaanxi-Beijing pipeline, the effects of ground bed embedding manner, ground resistance and drainage equipment on the drainage of AC interference were analyzed to give some important guidance to ground bed design and drainage device selection.

Shaan-jing pipeline; AC interference; drainage effect; drainage device

10.11973/fsyfh-201510019

2015-04-14

刘 权(1981-),工程师，学士，从事管道腐蚀与防护，15810957379，bhgcql@petrochina.com.cn

TE988.2

B

1005-748X(2015)10-0990-05