地磁暴侵害油气管道的管地电位效应

刘连光　张鹏飞　王开让　毕武喜　葛艾天

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)　北京　102206 2.中油管道科技研究中心　廊坊　065000 3.中石油北京天然气管道有限公司　北京　102249)



地磁暴侵害油气管道的管地电位效应

刘连光1张鹏飞1王开让1毕武喜2葛艾天3

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)北京102206 2.中油管道科技研究中心廊坊065000 3.中石油北京天然气管道有限公司北京102249)

摘要由于输油气管道埋在地下，钢质管道内外壁有绝缘涂层，不与大地直接接触，油气管道遭受地磁暴侵害的响应机制与电网不同，研究油气管道的干扰机制、物理过程以及干扰效应，对分析地磁暴对油气管道的影响及危害具有重要意义。针对2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我国西气东输一线和陕京二线等输气管道引发的管地电位(PSP)现象，研究了地磁暴引发管道地磁感应电流(GIC)的机制与过程以及GIC衍生管道PSP的机理，利用PSP算法，假设感应电场沿管道分布，大小取0.1 V/km，计算了不同形态管道的PSP水平。实测和仿真计算数据表明，即使是遭受中、小地磁暴的侵害，钢质油气管道的PSP也会超过管道杂散电流干扰防护标准规定的限值，证明了管道干扰及防护研究要考虑中、小地磁暴的影响。

关键词：地磁暴油气管道管地电位地磁感应电流

0引言

地球空间暴和地磁暴[1]对卫星、导航通信以及电网[2，3]、输油气管道等人工技术系统的影响是社会发展的新问题。与地磁暴对卫星、导航通信和电网的影响研究相比，目前国内对油气管道地磁暴侵害开展的研究工作相对较少。2013年2月，中国工程院启动了复杂电磁脉冲环境威胁的战略研究科技咨询项目，包括对电网和油气管网等基础设施的地磁暴危害进行了专题研究，并获得了2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我国西气东输一线和陕京二线等输气管道引发的管地电位(Pipe-Soil-Potential，PSP)监测数据。其中，2012年10月1日UT00∶00～2012年10月1日UT12∶00陕京二线输气管道霸州阀室(N39°06′E116°24′)监测的PSP变化数据与地磁暴Dst指数变化数据如图1所示。按我国《地磁暴强度等级》(GB/T 31160—2014)国家标准[4]，引发该阀室附近管道PSP变化的地磁暴属中等地磁暴，并不是等级特别高的大地磁暴。

图1　陕京二线PSP和Dst指数变化曲线Fig.1　The curve of PSP indices in 2nd Shanxi-Beijing Gas Pipeline and Dst indices

为防护各种杂散电流对管道造成的金属腐蚀损伤，国内外都有管道杂散电流检测及防护的相关标准。其中，我国埋地钢质管道直流干扰防护技术标准(GB 50991—2014)规定[5]：管道PSP正向偏移20 mV时可确认有直流电流干扰，管道PSP正向偏移100 mV时必须采取排流或其他防护措施。图1监测数据表明，只要有一定nT值的地磁Dst指数变化，都存在管道PSP变化。其中，PSP在地磁暴由第一阶主相转到第二阶主相阶段，即由-22 nT下降至-119 nT的过程中，PSP的监测数据发生剧烈的波动，该时间段PSP波动的最大值达到了160 mV，远超PSP偏移达到100 mV应采取措施排流的限值。侵害事件表明，地磁暴对我国油气管道的干扰问题需要研究。

国内对电网的地磁暴干扰已有大量研究。文献[6]给出了2004年7月～2006年12月不同强度地磁暴侵害广东500 kV和220 kV电网地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current，GIC)实测数据。从文献[6]的电网GIC监测数据可看出，电网GIC的特征是：500 kV电网的GIC比220 kV电网的GIC要大1个数量级。其原因是导线的直流电阻越小，感应地电场在电网(变压器中性点)产生的GIC越大，广东500 kV主网多采用四分裂导线，单位长直流电阻是采用相同截面、单导线220 kV线路直流电阻1/4。因此，500 kV电网GIC比220 kV电网GIC大，即电压等级高(导线电阻越小)电网灾害风险大。与电网的研究相比，获得管道的地磁暴侵害观测数据，这在全球中低纬国家中是第一次。

与电网类似，油气管道也有管道长短、口径大小、管壁薄厚等结构和形态上的差异。2012年10月1日地磁暴对不同结构和形态管道的干扰情况、考虑磁暴类型、磁暴强弱、地理经纬度和大地构造等环境因素时管道的PSP、对管道GIC的监测、管道PSP与管道GIC的关系、不同地磁暴在绝缘涂层有漏点的管道产生的GIC及地磁暴干扰导致的我国大规模管道腐蚀的经济损失等都是极其复杂的未知问题，也是与地球物理学科相交叉的难题。针对我国管道发现的PSP干扰现象，借鉴国外的研究成果，本文对油气管道的地磁暴PSP效应做了初步研究，以期对埋地管道的PSP效应及干扰影响有初步的认识。

1响应机制

在工程上，经处理的埋地管道由内到外分内涂层、钢管和绝缘涂层3部分。钢管属良性导体，绝缘涂层要求电阻率不小于10 000 Ω·m2[7]，可见，虽称为绝缘涂层，但其导电性依然存在，研究地磁暴的PSP效应可视其为阻值比较大的电阻，地磁扰动(Geomagnetic Disturbance，GMD)[1]感应电场仍可经钢管、绝缘涂层与大地构成的回路产生GIC，GIC流经涂层电阻产生PSP。与电网GIC相比，管道的干扰效应包括GIC和PSP。绝缘涂层的优良与否是关系埋地油气管道GIC和PSP大小的重要影响因素之一。

管道和电网GIC产生原理如图2所示。为防止各种干扰的杂散电流影响管道及阴极保护等装置运行，在管道的首末段往往会并联低阻值的金属接地电极，通过低阻值的电极将杂散电流引入大地[8]。一段涂层无破损、无漏点的管道，当管道两端与大地无外加电气联系时，大部分杂散电流在管道末端经涂层流入大地，如图2a所示。当管道两端有接地金属电极时，大部分杂散电流通过金属接地极流入大地，少部分杂散电流经涂层泄入大地，如图2b所示。一段绝缘层有破损漏点的管道，无论是否有接地极，大部分杂散电流通过漏点流入大地，只有少部分杂散电流经接地极或涂层入地。与图2c变压器中性点直接接地电网的干扰相比，管道的干扰效应、响应机制等都有差异，干扰计算需要考虑有无接地电极和涂层有无破损，因此管道的地磁暴PSP效应建模与计算比电网GIC计算复杂。

图2　管道和电网GIC产生原理Fig.2　Principle diagram of GIC in pipeline and power grid

2模型算法

计算管道PSP，先要计算管道的电场和GIC。加拿大首先开展了管道的地磁暴干扰计算研究，D.H.Boteler根据管道为导体和经高阻涂层埋地等特征，提出采用分布电源传输线(Distributed Source Transmission Line，DSTL)理论计算管道电场[9]，即将长距离管道无限细分，认为作用在每小段管道上的感应电场是均匀的，每小段管道可用包括电场E、串联阻抗Z和并联导纳Y的传输线电路等效代替，GMD感应电场E对管道干扰的等效电路如图3所示。

图3　管道及其分布电源传输线模型Fig.3　Pipeline and its DSTL model

图3中，Vi和Vk为管道的首末端电压，Ii和Ik为管道首末端电流，L为管道长度，E为管道感应电场直接等效的单位长电压源，Z为由管道钢管部分决定的串联阻抗，Y为由管道单位长度表面积和绝缘涂层导纳决定的并联导纳[10]。传播系数γ和特性阻抗Zt分别为

(1)

根据图3和麦克斯韦方程建立管道的传输线方程，传输线方程可描述每段管道中由均匀感应电场E产生的电压V和电流I的分布。

(2)

(3)

小段管道电场均匀，求解式(2)和式(3)，可得用i端电压电流表示k端电压

(4)

对图3管道模型，将ik段管道等效为采用电流源表示的π型等效电路如图4所示。根据图4等效电路的电路关系可得

(5)

对比式(4)和式(5)，可得π型等效电路参数

(6)

(7)

(8)

图4　电流源表示的油气管道π型等效电路Fig.4　Equivalent-pi circuit with an equivalent current source

对管道等效网络节点电压计算，节点导纳矩阵法和Lehtinen-Pirjola法[11，12]两种方法具有等效性，前者工程应用更多。节点导纳矩阵法计算模型如图5所示[13]。

图5　油气管道节点导纳矩阵模型Fig.5　Nodal admittance network model for pipeline system

图5中i、 k为网络中的任意节点，对n节点的网络，矩阵关系为

J=YV

(9)

式中，J为n×1电流源矩阵，其中Ji为与节点i相连的支路中的电流源之和；矩阵Y为n×n节点导纳矩阵，对角元素是所有与节点i相联的支路导纳之和，非对角元素是节点i和k之间的负导纳。对于不接地的节点有yi=0，即

(10)

管道等效网络节点电压可由节点导纳矩阵的逆乘以节点电流元求得

V=Y-1J

(11)

根据图3和求解式(2)、式(3)，可得ik段管道电压V和电流I的分布。

V=Aeγx+Be-γx

(12)

(13)

式中

(14)

由式(11)得到的管道等效网络节点电压带入式(12)和式(13)，可得到每段埋地管道的管地电位PSP和该段管道GIC计算公式。

3效应分析

2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我国管道的PSP监测数据是按9次地磁暴的起止时间，分别从中石油北京油气调控中心SCADA系统数据库和陕京二线管道两个阀室的现场直流干扰电流监测装置获取的，PSP变化的形态与GMD变化率时间、形态吻合，数据可靠。但由于PSP受管道长短、绝缘涂层、是否安装接地极和接地极数量、有无绝缘法兰、管道参数是否连续、管道转弯角度等诸多结构因素的影响，不同结构管道的PSP不同。参照电网，先忽略磁暴类型、磁暴强弱、地理经纬度和大地构造等不可控环境因素的影响，只考虑结构因素研究地磁暴的影响及风险。与电网主要研究较大磁暴的影响相比，由于本文重点研究中小地磁暴对于不同结构形态管道影响，可假设电场方向为沿管道走向均匀电场，大小取0.1 V/km，此假设也可用于缺乏大地实测数据的实际地磁暴侵害油气管道特性计算中。根据上述算法与假设，考虑几项结构因素影响PSP计算结果如图6所示。

图6　基于管道结构因素的PSP效应Fig.6　PSP effects based on structure of pipelines

引入管道调整距离1/γ[14]，L>4(1/γ)为长管道(Electrically Long(EL) Pipeline)，L<4(1/γ)为短管道(Electrically Short(ES) Pipeline)，管道长度L对PSP分布及峰值变化的影响如图6a所示，假设L<400 km为短管道，L>400 km为长管道，由图可见，短管道PSP随长度呈线性变化，而长管道呈指数变化，且PSP最大值及最小值出现在管道两端。图6b为管道绝缘涂层对PSP分布及峰值变化的影响，由于PSP沿管道对称分布，图中仅取后半段管道的PSP分布研究，由图可见，随着绝缘涂层电导数值的增大，PSP峰值减小。接地极的适当加入可明显减弱管道地磁暴效应，管道单端及双端通过接地极接地对PSP分布及峰值变化影响如图6c、图6d所示。图6c中假设管道一端通过0.1 Ω接地极接地，由图可见，对短管道，管道单端接地较双端不接地在PSP峰值上有所增大，而长管道则无明显变化；图6d中假设管道双端通过0.1 Ω接地极接地，由图可见，无论管道长短，管道双端通过接地极接地可明显降低PSP峰值。绝缘法兰将一段长管道人为分为几段相对较短、互无电气联系的管道，绝缘法兰数量对PSP分布及峰值变化影响如图6e所示，由图可见，绝缘法兰的接入导致PSP波动，且只有绝缘法兰数量较多时才可降低管道PSP峰值。长管道输送油气时常常遇到特殊情况而要求管道旋转一定角度，图6f为管道转弯角度对PSP分布的影响，由图结果可知，角度越大，管道转弯处PSP峰值越大。

以上数据及分析可看出，管道PSP在管道的首末端、安装绝缘法兰处以及管道转弯处变化很大，绝缘涂层电导值变化及接地电极的存在也会对PSP峰值产生影响。至于何以0.1 V/km电场就会影响管道的PSP，其中原因是管道的单位电阻非常小。例如，西气东输一线主管道的直流电阻为2.477×10-3Ω/km，如果GMD管道电场达到0.1 V/km，管道间距1 km有两个漏点，管道GIC理论上将达到400 A以上，此效应分析及结论同时验证了中小地磁暴对于油气管道相对严重的侵害作用。以上条件下GIC衍生的管道PSP大小及影响还需做深入研究。

4结论

1)2012年～2014年9次地磁暴PSP监测数据和结构因素影响计算数据表明，中、小地磁暴会引发管道PSP，如果管道涂层受到损伤并形成漏点，管道的GIC会很大；管道阴极保护失效或排流措施不利，中等地磁暴甚至小地磁暴都可能造成管道的GIC腐蚀。2013年底我国油气管道总长已达到12×104km，未来建设规模巨大，各种原因导致的管道涂层损伤难免，研究管道的GIC腐蚀及避免GIC腐蚀有很大的经济效益。

2)管道的地磁暴干扰机理、建模计算和干扰效应与电网的干扰差异很大，管道干扰研究要考虑中、小地磁暴的影响，建模计算需要考虑的环境因素以及管道的结构，影响因素复杂，管道干扰效应建模、计算要求高，故地磁暴干扰管道的直接效应(GIC和PSP)计算比电网的直接效应(GIC)计算复杂。在实际计算中，大地电阻率建模准确度对管道电场、GIC和PSP影响很大，建议管道干扰研究考虑建立三维大地电阻率模型和大地电阻率横纵向突变及差异影响，以提高管道电场、GIC和PSP的计算准确度。

3)除地磁暴类型、强弱、经纬度和大地构造等环境因素外，地磁暴对管道的干扰与管道长短、绝缘涂层改变、是否安装接地极和接地极数量、有无绝缘法兰以及转弯角度等管道的结构因素有关。通过效应分析可知，油气管网和电力系统地磁暴侵害的危险点不同。油气管网PSP波动较为严重的位置在管道首末端部、安装绝缘法兰处以及管道转弯处，另外绝缘涂层电导数值的变化及接地极的存在也会对PSP峰值产生影响，这为管道的地磁暴研究与防护奠定了基础。我国管道的规模越来越大，管道GIC研究不只是科研任务，也是需要防护人员参与的任务，本文总结的模型算法及效应研究，供管道防护参考。

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作者简介

刘连光男，1954年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统安全运行与灾变控制。

E-mail：liulianguang@ncepu.edu.cn(通信作者)

张鹏飞男，1991年生，硕士研究生，研究方向为电力系统安全运行与灾变控制。

E-mail：dezhouzhangpengfei@126.com

PSP Interference Effect of Geomagnetic Storm on Buried Pipelines

Liu Lianguang1Zhang Pengfei1Wang Kairang1Bi Wuxi2Ge Aitian3

(1.State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing102206China 2.Petrochina Pipeline R&D CenterLangfang065000China 3.Petrochina Beijing Gas Pipeline CorporationBeijing102249China)

AbstractOil and gas pipelines are buried under ground with insulating coats on both the inner and outer surfaces of the steel pipeline to prevent direct contact from the soil.Therefore，its interfering and responding mechanism under the geomagnetic storm is different from that in the power grid，and it is of great importance that we study such interfering mechanism，physical process and the interference effect for analyzing the influence and damage of pipelines under geomagnetic storm.Based on 9 events of weak to medium geomagnetic storms induced pipe-soil potential (PSP) phenomenon spotted in line No.1 of West-East natural gas transmission and Shan-Jing line No.2 in the period of 2012 to 2014，we analyzed the mechanism and process of geomagnetically induced current (GIC) in pipelines.We also revealed the mechanism of the PSP as a derivative of GIC.With the PSP calculation method proposed by David H.Boteler and under the assumption of an induced electric field of 0.1 V/km along the same direction as the pipelines，we calculated PSP levels in different forms of pipelines.The calculation results and monitored data suggest that，even in cases of weak and medium geomagnetic storms，it is possible for PSP to exceed the limit set by straycurrent interference protection.This shows that weak and medium geomagnetic storms need to be taken into consideration in future researches on interference and protection of pipelines.

Keywords：Geomagnetic storm，oil-gas pipelines，pipe-soil-potential(PSP)，geomagnetically induced current(GIC)

中图分类号：TM711

国际合作项目(2010DFA04680)和国家自然科学基金项目(51177045、41374189)资助。

收稿日期2015-04-12改稿日期2015-06-10