相邻管线阴极保护系统之间的干扰规律

金光彬

(中石化河南石油工程设计有限公司，郑州 450016)

相邻管线阴极保护系统之间的干扰规律

金光彬

(中石化河南石油工程设计有限公司，郑州 450016)

以西部某相邻管道为实例，对相邻管道的管地电位、地电位梯度和交流干扰电位进行现场检测，并通过ANSYS软件进行数值模拟，对阳极地床的位置和埋设方式做了分析，最后通过埋设临时地床对模拟结果进行了试验验证。结果表明：管道上杂散电流产生的原因为相邻管线阴极保护系统之间的相互干扰；合理设置阳极地床位置可基本消除阴极保护系统相互间的干扰。

阴极保护系统；阳极地床；杂散电流干扰；电位分布；数值模拟

目前，长输油气管道受到高压交直流输电线路、交直流电气化铁路的杂散电流干扰的情况越来越普遍，特别是在狭长的“公共走廊”地带，干扰更加严重。针对这方面的干扰规律已有大量文献进行了报道[1]。在地形限制下的“公共走廊”内，油气管道之间近距离并行或交叉敷设，很容易引起不同阴极保护系统间的相互干扰，甚至在管道的局部区域出现过保护或欠保护情况。关于相邻近阴极保护系统之间杂散电流干扰规律的报道较少，例如：站场内区域阴极保护系统与站场外长输干线阴极保护系统之间的相互干扰，以及“公共走廊”地带中相邻管线之间阴极保护系统的相互干扰。

鲍元飞等[2-3]对区域阴极保护系统和站外干线阴极保护系统之间的相互干扰进行了分析。在此基础上，熊金根等[4-6]通过改变控制参比电极的位置来消除所受干扰，但结果表明，干线管道电位仍有正向偏移量，干扰依旧存在。本工作以西部某相邻管道为实例，现场检测了两相邻管线的管地电位、地电位梯度和干扰电位，并通过ANSYS软件进行数值模拟，对阳极地床的位置和埋设方式做了分析，最后通过埋设临时地床对模拟结果进行了试验验证。

1 相邻管线之间的关系

1.1 埋地管道的位置关系

西部SL线为原油管道和成品油管道并行，原油管道和成品油管道分别起于鄯善和乌鲁木齐，止于兰州，管径分别为813 mm和559 mm，管道的防腐蚀层均为3层PE，阴极保护采用两条管道联合保护的方式。XE线与SL线并行铺设，并行间距50～60 m，且在河西站进出站交叉。SL线在河西站附近呈现“几”字形走势，河西站刚好位于“几”字的顶端，XE线从“几”字的南侧先后两次穿越SL线，管线之间的具体关系如图1所示。

图1 河西站附近埋地管道走向示意图Fig. 1 Schematic diagram of buried pipeline routing nearby Hexi station

1.2 阴极保护系统的基本情况

河西站阴极保护系统的辅助阳极地床采用浅埋水平连续式敷设，位置设在站外正南方向，地床最远端离XE线60 m，最近端离XE线仅12 m。辅助阳极为高硅铸铁，腐蚀严重。该阳极地床设有两个注水孔，间距约65 m。

站内采用PC-1B远控阴极保护系统，预设电位为-1.200 V(vs.CSE)。恒电位仪屏显数据如表1所示。

表1 河西站阴极保护系统恒电位仪屏显数据Tab. 1 OSD data of potentiostat in CP system at Hexi station

目前，因河西站阳极地床埋设位置不合理，SL线阴极保护系统对相邻XE线造成干扰，使河西站站外SL线部分测试桩保护电位不够，XE线部分测试桩管地电位偏负。

2 相邻管线阴极保护系统间相互干扰的现场检测

2.1 河西站站外埋地管道电位测试

2.1.1 恒电位测试法

保持河西站恒电位仪正常开启，测XE线河西站上下游自XE1～XE8共计8个测试桩和SL线河西站上下游SL1～SL8共计8个测试桩的管地电位。由于河西站站外有110 kV高压输电线经过，因此对XE线和SL线测试桩的交流干扰电位进行了检测。阴极保护电位与交流干扰电位测试结果如表2所示。

由表2可以看出：XE线并行段总体处于受保护状态，但是XE5和XE6测试桩之间的管地电位明显负移，其中XE5测试桩管地电位为-1.623 V，电位负移量超过400 mV，XE6测试桩管地电位为-1.341 V，电位负移量超过100 mV；SL线SL2和SL4测试桩之间的管地电位明显正移，SL2测试桩电位最大正移量超过500 mV，管道处于欠保护状态。

由表2还可以看出：管线附近的高压输电线路对XE线和SL线的干扰很小，测量得到的交流干扰电位均小于1 V，不存在明显的交流干扰。因此可以推断，XE线和SL线上阴极保护电位基本不受高压输电线路的影响，电位变化主要是由于两条管线的阴极保护系统相互干扰所致。

表2 XE线和SL线测试桩的管地电位和 交流干扰电位Tab. 2 Pipe-to-ground potential & AC interference potential of XE pipeline and SL pipeline V

2.1.2 密间隔电位测试法

采用密间隔电位测量法(CIPS)沿XE线XE5至XE4测试桩方向、以及SL线SL4至SL5测试桩方向测试管道的瞬间通/断电电位。测试方向如图2所示，通/断周期设置为：通电3 s，断电2 s。测试结果如图3所示。

图2 CIPS测试位置和方向示意图Fig. 2 Schematic diagram of CIPS test position and direction

(a) XE线XE5至XE4方向

(b) SL线SL4至SL5方向图3 XE线与SL线CIPS测试曲线Fig. 3 CIPS test curves of XE and SL pipelines: (a) direction from XE5 to XE4 of XE pipeline; (b) direction from SL4 to SL5 of SL pipeline

从图3(a)可以看出，XE线XE5至XE4测试桩方向管道的通/断电位电位差约为400 mV，瞬时断电电位负于-900 mV，满足保护要求；XE5至XE4方向的通/断电电位逐渐正移，与恒电位法测得的阴极保护电位的变化趋势一致。

从图3(b)可以看出，SL线SL4至SL5测试桩方向管道的通/断电电位差约300 mV，瞬时断电电位正于-650 mV，管线未能达到最小保护电位要求； SL4至SL5方向，通/断电电位均逐渐负移，SL线受干扰程度逐渐减小，与恒电位法测得的阴极保护电位的变化趋势一致。

2.2 河西站地电位梯度测试

地电位梯度是判断土壤环境是否存在直流干扰和评价杂散电流强弱程度的重要指标，根据SY/T 0017-2006 《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》的规定，当土壤电位梯度大于2.5 mV/m时，应及时采取直流排流保护或其他防护措施。

在河西站附近选择了2处测试桩进行地电位梯度的测量，方向选择分别为XE线XE4测试桩南向(方向1)、XE5测试桩北向(方向2)，如图4所示。SL线恒电位仪开启和关闭时，分别测XE4、XE5测试桩处不同方向的地电位梯度。为了统一方向，测试桩处的参比电极均接万用表红表笔。SL线恒电位仪开启时方向1、方向2的地电位梯度测试结果见表3。根据表3的测试结果绘制直流电位、地电位梯度随测试长度的变化曲线，如图5所示。

图4 河西站附近地电位梯度测试方向示意图Fig. 4 Schematic diagram of ground potential gradient test direction nearby Hexi station

表3 河西站恒电位仪开启时方向1和方向2的 直流电位及电位梯度测试结果Tab. 3 Test results of DC potential and ground potential gradient in directions 1 and 2 with potentiostat turning on

从图5可以看出，方向1和方向2的直流电位曲线，以及地电位梯度曲线呈现对称分布。地电位梯度最大值超过10 mV/m，超过标准规定的需进行排流措施的临界值(2.5 mV/m)，直流干扰强度很大，需要进行排流保护。

为了与恒电位仪开启时的电位梯度做对比，测量了恒电位仪关闭和开启时方向2的地电位梯度，结果如表4所示。根据表4的测试结果绘制直流电位、地电位梯度随测试长度的变化曲线，如图6所示。

从图6(a)可以看到，河西站恒电位仪关闭时直流电位均正向偏移，开启时的直流电位均负向偏移，说明恒电位仪开、闭时的电位方向相反；恒电位仪开、闭时的地电位梯度最大值分别为14 mV/m和8 mV/m，恒电位仪开启时的地电位梯度明显大于关闭时的地电位梯度。

综合以上试验结果可以得到， SL线河西站恒电位仪关闭时，影响地电位梯度的主要因素是XE线阴极保护系统；而SL线河西站恒电位仪开启时，影响地电位梯度的主要因素为SL线阴极保护系统。两条管线的阴极保护系统之间存在相互干扰。

(a) 直流电位

(b) 地电位梯度图5 恒电位仪开启后方向1和方向2的直流电位和 地电位梯度随测试长度的变化曲线Fig. 5 Relationships of test length to DC potential (a) and ground potential gradient (b) in directions 1 and 2 with potentiostat turning on表4 河西站恒电位仪开启和关闭时方向2 直流电位及地电位梯度的测试结果Tab. 4 Test results of DC potential and ground potential gradient in direction 2 with potentiostat turning on and off

测试长度/m直流电位/mV地电位梯度/(mV·m-1)关闭开启关闭开启216.3-27.28.15-13.60431.0-32.77.75-8.186-8.9-64.4-1.48-10.7383.0-69.20.38-8.65104.6-58.10.46-5.81

3 数值模拟相邻管道阴极保护系统间的干扰

依据现场采集的阳极地床、相邻管道走向、恒电位仪输出等数据，采用数值模拟的方法计算现场的干扰强度。

3.1 计算参数和边界条件设定

现场阳极地床主要模拟参数：阳极地床埋深为2 m；区域电阻率为500 Ω；辅助阳极支数为20支；每支阳极间距为2.5 m；焦炭厚度为0.3 m；单支阳极长为1.5 m，直径为7.5 cm；阳极埋设方式为浅埋立式；计算土壤范围为1.5 km；阳极地床输出总电流为6 A。

(a) 直流电位

(b) 地电位梯度图6 恒电位仪开启和关闭时方向2的直流电位和 地电位梯度随测试长度的变化曲线Fig. 6 Relationships of test length to DC potential (a) and ground potential gradient (b) in direction 2 with potentiostat turning on and off

管道基本参数：SL线成品油管道的管径为559 mm，原油管道的管径为 813 mm；XE线管径为1 219 mm；管道埋深为2.0 m；XE线和SL线涂层面电阻率分别为104，2×104Ω·m2。

3.2 数值模拟结果

通过建立几何模型、模型网格划分、模型求解以及数据提取等四个步骤，对河西站SL线阳极地床干扰强度进行数值模拟，最终得到管道上的干扰电压强度。

测试桩处测得的电位可以看成阴极保护电位和阳极地床电压锥干扰电位的叠加，重点分析来自阳极地床电压锥干扰的强度。对比XE线和SL线测试桩处的数值模拟电位和现场实测数据，如图7所示。

从图7可以看出，XE线和SL线电位实际测量值和模拟值的趋势和数值都趋于一致，说明数值模拟的设置和模型是合理的，验证了数值模型的正确性；同时也可看出，实际测量值比模拟值略小，这是由于实际测量点并不是最大干扰点。

(a) XE线

(b) SL线图7 XE线和SL线电位的测量值和模拟值对比Fig. 7 Comparison of test data and numerical simulation data of potentials of XE pipeline (a) and SL pipeline (b)

4 阳极地床改造措施及数值模拟结果

4.1 新阳极地床位置及阳极埋设方式

通过干扰测试结果及数值模拟，提出了新阳极地床对应的几何模型，阳极地床的具体位置在河西站围墙西侧350 m处，距XE线350 m，如图8所示，阳极地床采用平铺浅埋方式。利用已建立数值模型，结合新建立的阳极地床几何模型，可以评估新阳极地床位置对XE线和SL线构成阳极干扰的强度。

图8 新阳极地床位置示意图Fig. 8 Schematic diagram of new anode bed position

4.2 新阳极地床干扰强度的数值模拟预测

通过数值模拟预测从新埋设新阳极地床后对应地表地电位的分布如图9所示。从图9可以看到，埋设新阳极地床后，其在XE线上最大干扰分量为0.4 V，较目前地床位置对应的局部最大干扰强度分量1.97 V降低了79%，消除干扰的效果较好。

图9 埋设新阳极地床后地表地电位的分布模拟结果 (单位:V)Fig. 9 Simulated results of ground potential distribution after installing new anode bed (uint:V)

4.3 试验验证

根据数值模拟结果可知，改变阳极地床位置后即可基本消除干扰，为证明模拟结果的可行性，对其进行了试验验证。首先，断开SL线河西站阴极保护系统阳极线，然后安装临时阳极地床，测试XE线和SL线受干扰处测试桩的管地电位。选用三根普通碳钢作为临时阳极，在原有辅助阳极埋设位置基础上向远离XE线的方向移动80 m，并用电缆将两根直径约5 cm，长5 m的碳钢连接到恒电位仪阳极接线端，测得临时阳极接地电阻为12 Ω。

河西站恒电位仪正常工作时电压约为4.9～6.5 V，输出电流约为1.05～1.60 A。安装临时阳极地床后，为了与恒电位仪正常工作时的输出电流一致，调整恒电位输出分别为10 V/0.99 A和16 V/1.55 A。因临时阳极地床的接地电阻大于原阳极地床的接地电阻，因此恒电位仪在相同的输出电流工况下，输出电压更大。安装临时阳极地床前后XE线XE5测试桩和SL线SL4测试桩管地电位测试结果见表5。

从表5可以看出，安装临时阳极地床后，在恒电位仪输出电流相同的情况下，XE线XE5测试桩管地电位正移约650～750 mV，为-0.883～-0.971 V，而SL线SL4测试桩的管地电位负移约300 mV，达

表5 安装临时阳极地床前后XE5桩和 SL4桩处管地电位Tab. 5 Pipe-ground potential of XE5 and SL4 stubs before and after temporary installing anode bed

到-1.186～-1.209 V，干扰现象得到明显改善。

5 结论

通过对河西站外XE线和SL线测试桩的管地电位、电位梯度和杂散电流的测试数据得知，管道上杂散电流产生的原因为相邻管线阴极保护系统之间的相互干扰，干扰将会导致管地电位负向移动或正向移动，给阴极保护系统带来极大的影响。通过数值模及验证试验结果分析可知，合理设置阳极地床位置可基本消除阴极保护系统相互间的干扰。

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[3] 吴进超. 新疆库车末站阴极保护系统优化研究[J]. 重庆科技学院院报，2010，12(5)：101-103.

[4] 熊金根，李岚鑫，孙冰冰. 工艺管网区域阴极保护系统干扰问题的检测及处理[J]. 石油工程建设，2013，39(5)：46-49.

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Mutual Interference between Cathodic Protection Systems of Adjacent Pipelines

JIN Guang-bin

(SINOPEC Petroleum Engineering Henan Corporation, Zhengzhou 450016, China)

Taking adjacent pipelines in Northwest of China for example, the cathodic protection potential, ground potential gradient, and AC interference potential of the adjacent pipelines were tested on the spot. And the position and setting mode of the anode bed were analyzed through numerical simulation using software ANSYS. At last, the simulation results were verified by experiment of temporary buried anode bed. The results indicate that the stray current was caused by mutual interference between different cathodic protection systems. The mutual interference could be eliminated almost by setting anode bed in reasonable location.

cathodic protection system； anode bed； stray current interference； potential distribution； numerical simulation

10.11973/fsyfh-201704013

2015-11-17

金光彬(1984-)，工程师，主要从事油气集输类相关工作，18039278509，bin211@foxmail.com

TG174.41

B

1005-748X(2017)04-0306-05