高压交流输电线路对埋地金属油气管道的电磁干扰腐蚀及其防护措施
2017-05-16张宏钊刘顺桂姚森敬
李 勋，张宏钊，张 欣，刘顺桂，姚森敬
(深圳供电局有限公司, 广东 深圳 518048)
高压交流输电线路对埋地金属油气管道的电磁干扰腐蚀及其防护措施
李 勋，张宏钊，张 欣，刘顺桂，姚森敬
(深圳供电局有限公司, 广东 深圳 518048)
针对高压交流输电线路对邻近敷设的埋地金属油气管道的电磁干扰腐蚀问题，介绍了管道交流电磁干扰的产生机理及其影响因素，分析了交流电磁干扰的危害性，并指出了目前国际上推荐使用的交流电磁干扰的安全限值；对引起埋地金属油气管道腐蚀的杂散电流影响机理及其检测手段进行了描述；阐述了目前广泛采用的交流电磁干扰腐蚀的防护措施，并针对当前研究存在的问题对未来的研究方向进行了展望，为相关领域的研究人员提供新的参考思路.
输电线路；油气管道；交流干扰；限值；杂散电流；腐蚀；防护措施
随着经济的迅速增长，国家对能源的需求越来越大.由于我国人口密度大，土地资源紧张，不可避免地出现高压输电线路与油气管道交叉跨越或长距离并行“共走廊”架设的情况[1-2]，如：已投运的乌鲁木齐北—哈密的750 kV交流输电线路与乌兰原油管道、成品油管道及西气东输二线西段“共走廊”穿越几十公里[3].交流输电线路与埋地金属油气管道近距离并行或交叉跨越时会对油气管道产生持续电磁干扰，同时输电线路附近的杂散电流会对金属管道产生不同程度的腐蚀，长时间运行会导致管道发生穿孔泄露.当线路发生单相接地短路或雷击等故障时，强电流冲击可能将管道附近的土壤电离，形成脉冲电弧.该电弧尽管持续时间极短，但情况严重时遇泄露的油气可能发生管道燃爆的危险[3-5].2007年中石化西南某输油管道工程发生一起管道穿孔泄露事故，事故原因是由于雷电击中管道附近的微波基站，导致高幅值的雷电流通过其接地系统入地将7 m外的输油管道击穿[5].
目前，高压交流输电线路对邻近敷设的埋地金属油气管道的电磁干扰腐蚀问题越来越被重视，国内外学者针对此问题正在开展相关的研究，虽然已取得一定的成果，但由于交流输电线路对埋地油气管道的电磁干扰腐蚀影响机理复杂，目前国际上仍难以对此问题制定合理的评价标准[1,4].本文系统地阐述了目前国内外学者在高压交流输电线路对埋地金属油气管道的电磁干扰腐蚀及其防护措施方面取得的最新进展，并给出了具体的分析，结果可供相关领域的工作人员参考.
1 交流干扰的产生机理及影响因素
由于法拉第电磁感应效应，高压交流输电线路、交流电气化铁路及地铁等在运行时会在邻近敷设的埋地金属管道上感应出纵向电动势，这种感应电压即为交流干扰电压[6-7].交流输电线路对埋地金属油气管道的电磁干扰源于系统的3种耦合：感性耦合、阻性耦合与容性耦合[8].感性耦合是指输电线路周围周期性交变的电磁场在埋地管道中感应出电动势，构成管道—大地之间的回路.在线路正常运行的稳态情况下，感性耦合是线路对管道的主要干扰形式，在线路换位处与管道拐点处，由感性耦合产生的管道干扰电压可达数百伏，当线路发生单相接地故障或雷击故障时，感性耦合将大大增强.阻性耦合是管道与高压输电线路的杆塔接地极、变电站接地极接近时，由于接地体的入地泄放电流或接地体附近的杂散电流通过管道与接地体之间的电阻进行耦合，把交流电流直接耦合到管道上.正常运行时，阻性耦合一般较小，但当线路发生单相接地故障或雷击故障时，高幅值的故障电流将通过杆塔接地极泄放入地，导致接地极与附近土壤的电位升高，管道上的干扰电压增大，此时阻性耦合大大增强.容性耦合是管道施工期间放置于地面上或架设在绝缘垫上时与输电线路之间存在分布电容，由于其容抗大，造成管道上的感应电压也大，但考虑到油气管道在施工完成后分段接地且埋设于地下，因此容性耦合很小，几乎可以忽略[3,7,9-10].
影响埋地金属油气管道上感应电压大小的因素有很多，包括管道与输电线路杆塔接地极的距离、故障电流或雷电流大小、杆塔接地电阻大小、土壤电阻率大小、管道绝缘涂层的电气强度、管道参数(管径壁厚)、线路与管道的交叉跨越角、管道与输电线路的并行长度、系统频率等，且这些因素的影响程度各不相同[7,11].Christoforidis[12]等研究了输电线路附近埋设的金属管道上的干扰电压，得出管道上干扰电压大小与管道泄露电阻呈正相关的结论.蒋俊[13]等研究了交流输电线路单相接地故障时线路参数与油气管道上干扰电压的关系，发现管道干扰电压随着杆塔接地电阻的增大而减小，与导线高度和相间距无关.万保全[14]等研究了雷击杆塔时线路参数对油气管道上干扰电压的影响规律，研究结果表明管道干扰电压与雷电流幅值成正相关关系，其值随土壤电阻率的增大而增大，随线路与管道交叉角度的增大而减小.
2 交流干扰的危害及安全限值
虽然Mcintosh的研究发现在60 Hz下交流腐蚀强度大约是相同幅值大小的直流输电线路干扰的1%[15]，但当高压输电线路与管道近距离并行架设时，线路周围周期性交替变化的电磁场将会在管道上持续感应出电压，当存在交直流干扰时，极易导致电极表面的去极化作用，最终造成管道腐蚀穿孔等[7].交流电磁干扰的危害包括对人身安全的影响、对管道阴极保护设备的影响、对管道安全的影响及对管道的交流腐蚀影响[1,3,9,16-17].
2.1 对人身安全的影响及安全限值
当输电线路正常运行时，由于感性耦合在油气管道上产生纵向感应电动势，使管道对地存在电压，该电压一般不会对施工维修人员的人身安全造成威胁.当输电线路发生单相接地短路故障或雷击故障时，线路上的故障电流幅值是平时的数倍，通过杆塔入地泄放的电流也大大增强，导致输电线路通过感性耦合和阻性耦合在油气管道上感应出的干扰电压迅速增大，若此时有工作人员接触管道的裸露金属部分，该电压将加载在工作人员身上，使其人身安全受到威胁[1-3,16].
因此为确保管道工作人员的人身安全，有必要针对此交流干扰制定安全限值标准.各国家和IEC等国际组织目前已对该人身安全电压限值作了具体的规定，见表1[1].
表1 人身安全电压限值相关标准
输电线路发生短路故障时，国内电力行业标准建议采用式 (1) 计算人体短时安全电压[1,3,16,18]：
(1)
式中ρ表示土壤电阻率，t表示人体触电时间.
CCITT、芬兰等国家机构经过长期实践，则建议将交流输电线路短路故障时对管道的允许感应电压安全限值提高到1kV[1].
2.2 对管道阴极保护设备的影响及安全限值
由于恒电位仪的强制阴极保护作用，正常情况下管道的电位维持在-0.85～-1.2V.当交流输电线路对管道的交流干扰电压过大时，将会影响恒电位仪的正常工作，可能使其牺牲阳极极性发生逆转[1,19].我国石油行业标准推荐恒电位仪的抗交流干扰能力需≥12V[20]，当交流干扰电压超过限值时，恒电位仪将会启动报警程序.
2.3 对管道安全的影响及安全限值
为减小管道的电化学腐蚀，埋地油气管道的金属表面一般都有电阻率较大的绝缘防腐层.当交流输电线路发生单相接地故障或雷击故障时，在管道靠近杆塔接地极处，高幅值的故障电流或雷电流通过杆塔泄放入地引起附近土壤电位升高，甚至产生电弧瞬间冲击管道，造成管道防腐层、金属本体、管道附属设备及阴极保护设备损坏[1,11].德国Afk第3号标准对没有防护措施的管道推荐其短期干扰电压限值可达1kV，而对于有沥青防腐层等防护措施的管道，其干扰电压限值则提高到1.5kV[1,21].
2.4 对管道的交流腐蚀影响及安全限值
线路正常运行时，由于三相系统的不平衡性产生的电流通过感性耦合在油气管道上产生干扰电压，构成金属本体层与大地之间的回路，从而对管道产生腐蚀.同时，线路附近的杂散电流也会对管道产生不同程度的腐蚀，如在阴极保护系统中，保护电流由管道防腐层破损处流出，然后流入其周围的管道，并在管道末端流出后又流入被保护的管道，最终在管道电流流出的所有部位发生杂散电流腐蚀[22-23].
目前管道防腐层材料一般为3PE，而针对防腐层为沥青的管道，我国石油行业标准规定不同土壤性质的管道腐蚀安全电压限值分别为：酸性土壤为6V、中性土壤为8V及弱碱性土壤为10V[1].国内新制定的埋地钢质管道交流干扰防护技术标准[24]增加了用交流电流密度来评价交流腐蚀的大小的内容，并推荐交流电流密度按式 (2) 计算[10]：
(2)
式中J表示待评价的交流电流密度，单位A/m2；U表示交流干扰电压的平均值，单位V；ρ表示土壤电阻率，单位·m；d表示管道破损点直径，单位m.规定ρ值取与管道具有相同埋深处的实测值，而d值取腐蚀最严重的情况，为0.0113m.判定交流电流密度J<3mA/cm2时表示交流干扰较弱，3mA/cm2
3 管道杂散电流腐蚀机理及测量
3.1 杂散电流腐蚀机理
电流泄露和金属结构物附近的电位梯度是造成油气管道发生杂散电流腐蚀的两个根本原因[27].而腐蚀又分为直流电流腐蚀、交流电流腐蚀以及地电流杂散电流腐蚀[28]，不同的干扰源会产生不同的腐蚀，如交流输电线路、交流电气化铁道等会产生交流腐蚀，直流电气化铁路、阴极保护系统等则会产生直流腐蚀，而地中杂散电流腐蚀则是由于大气中离子移动和地磁场变化导致的[22].
直流杂散电流对埋地油气管道的腐蚀实质是一种电化学腐蚀[29].它从土壤流入管道，在管道表面发生阴极还原反应，构成原电池的阴极，而在离开管道流向土壤的区域发生阳极氧化反应，构成原电池的阳极，具体反应见表2[30].
表2 管道杂散电流腐蚀机理
由于交流电流的大小和方向都是随时间变化的，因此交流腐蚀的机理比直流腐蚀复杂得多.国内外科研人员虽然作了较多的研究，但目前对交流腐蚀的机理认识尚未统一，主要分为法拉第整流效应[31-34]，阳极反应的不可逆性[35-37]、阳极反应的去极化作用[38-39]与交流电压在金属与介质表面的振动作用[40-42]四种方向.认同法拉第整流效应的Bosch[34]等人的研究发现电极腐蚀电位会在交流干扰下发生偏转，其偏转方向与Tafel斜率绝对值相关；认同阳极反应的不可逆性的Ibrahim[37]等人的研究结果表明阳极电流随着交流电压的增大而增大，此过程涉及的电化学反应过程包含Fe、H2、Fe2O3、FeO的转变；Jones[39]的研究结果表明阳极反应的去极化作用是交流电流作用下腐蚀速率增加的主要原因；而Panosslan[41]等人的研究结果表明交流腐蚀发生的根本原因是交流电压在金属与介质表面的振荡作用导致的.
3.2 杂散电流的检测
以往国内对管道交流杂散电流的检测是按照石油行业标准SYT0032-2000[20]实施的.通过实时监测管道对地的电位变化趋势来判断管道受交流杂散电流干扰的大小，但该方法无法确定管道沿线的电位分布规律，也不能确定干扰源.Nielsen[40]等人提出用腐蚀试片法对管道的交流杂散电流进行检测，该方法可直接测出交流杂散电流密度参数，反应管道的受干扰情况.目前，国内通过智能杂散电流测试仪如SCM-200a等同步监测法，实时采集管道沿线各点处的电位来确定其受干扰的大小[10].
4 埋地管道交流腐蚀的防护措施
目前针对交流输电线路对埋地金属油气管道的交流腐蚀防护主要有传统的单点设计方法和数值模拟方法，具体包含缓解方式、缓解点与缓解装置3部分[42-43].国内外采用的缓解措施主要包括集中接地、故障屏蔽、梯度控制垫与交流排流装置相结合的电磁腐蚀防护措施[43].
4.1 缓解线
缓解线是指在埋地管道附近铺设1～2条裸露的导体，导体材料常使用裸铜导线、锌带或镀锌扁钢，并通过固态直流去耦合器等缓解装置与管道直接连接.Markovic[44]等人利用CDEGS模拟软件对缓解线和绝缘接头的缓解效果及耗费的成本进行了比较，结果发现缓解线的交流干扰防护效果明显优于绝缘接头，且从长远来看，其成本要比绝缘接头的方式经济.国内相关工程也采用了缓解线的干扰防护措施，如陕京三线鹿泉段及正定改线段均采用固态直流去耦合器+缓解锌带的措施，其缓解率达到60%[43-45].中石油天然气管道局设计院对晋东南—南阳—荆门的1000kV特高压交流试验示范线路与中石油西气东输管道之间存在的18km长的并行线路也采用固态直流去耦合器+缓解线的防护措施，并取了显著的成果[43].实际上，缓解线可视为管道的接地体，在输电线路发生短路故障或雷击故障时，它通过增大管道电位来抑制阻性耦合，而在感性耦合时则通过抬升地电位来减小管道与土壤的电位差[43].
4.2 交流腐蚀排流防护措施
目前国内外一般采用在埋地油气管道与其接地极之间安装交流干扰排流防护措施来防止直流杂散电流的流入及阴极保护电流的流失，主要手段有牺牲阳极接地、直接接地、嵌位式排流装置与固态直流去耦合器[10,43].牺牲阳极接地一般用于受干扰管道与强制电流保护区域之间的电隔离，缺陷是牺牲阳极寿命有限；直接接地适用于强制电流阴极保护区域范围小的存在电磁干扰的埋地管道，该方法操作简单，运行成本低，缺陷是应用范围小，易漏失阴极保护电流.嵌位式排流装置一般适用于稳态电磁干扰的情况下，嵌位式排流装置通过由二极管构成的两臂来控制管道交流干扰电压，它利用二极管的正向导通性来维持管道电压在一定的范围内，可有效防止阴极保护电流的流失.该排流装置在实际使用时要求接地极材料与管道材料相同，在保护过程中可能对阴极保护系统产生一定的影响，且其排流效果在管道不同区域有较明显的差异.固态直流去耦合器具有很好的隔直通交的优点，它采用设置阈电压控制导流方向的电涌自动切换隔直流通交流工作模式，来实现对管道的干扰防护.该装置最大的特点是额定雷电冲击及故障电流通流容量大，抗雷电或故障电流冲击性能好，目前已在国内忠武管道、西气东输二线、陕京三线及兰成原油管道工程中被广泛使用，并取得了良好的排流效果[43,46].固态直流去耦合器的缺点是需要较长的接地极，工程费用高，若去耦合器失效可能发生铜线与管道直接相连的电偶腐蚀危害[10].
5 结束语
高压交流输电线路对邻近埋地金属油气管道的交流干扰腐蚀目前仍有许多待解决的疑难问题，未来相关研究工作可从管道交流干扰的评价、管道交流腐蚀机理、管道交流腐蚀防护措施等几个方面进行开展，具体包含以下内容：
(1)管道交流干扰的评价目前国内外尚无统一的评判依据，未来研究者可参考以往的运行经验通过数值模拟或者现场试验的方式，最终建立一个合理精确的数学模型来评价管道交流干扰的大小.
(2)管道交流腐蚀的机制至今尚未完善，尤其是交流电压对管道腐蚀动力学行为的影响、根据理论或试验对管道腐蚀特征进行合理解释等.考虑到管道交流腐蚀的影响因素较多，未来可通过建立这些影响参数的数据库，从而更加精确地分析管道的交流腐蚀.
(3)当前的管道交流腐蚀防护措施难以预知排流缓解的效果，有时缓解效果并不令人满意.因此，可选用合适的接地材料与设计合理的接地极安全距离等符合现场环境的措施来缓解.
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(编辑：姚佳良)
Electromagnetic interference and corrosion on the buried metal oil and gas pipelines caused by the high voltage AC transmission lines and protection measures
LI Xun, ZHANG Hong-zhao, ZHANG Xin, LIU Shun-gui, YAO Sen-jing
(Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518048, China)
As to the problem that the electromagnetic interference and corrosion on the adjacent buried metal oil and gas pipelines caused by the high voltage AC transmission lines, the mechanisms and factors of AC electromagnetic interference on the oil and gas pipelines are introduced in detail in the paper. The harmfulness and safety limit value recommended by the international organizations of AC electromagnetic interference are analyzed. Secondly, a description of the corrosion mechanism and detection methods of stray current on the buried metal oil and gas pipelines are given. Finally,the protective measures to the AC electromagnetic interference and corrosion on the pipelines are summarized, and the future research frontiers according to the existing difficult problems are proposed, which may be helpful to the researchers involved in the related fields.
transmission line; oil and gas pipeline; AC interference; limit value; stray current; corrosion; protective measures
2016-09-09
中国南方电网公司科技项目(090000KK52150042)
李勋，男，epcman@vip.qq.com
1672-6197(2017)04-0065-06
文献标志码：A
