直流杂散电流对天然气管道干扰影响案例分析

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(1. 中石油管道有限责任公司 西气东输管道分公司，广州 510000； 2. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

随着广东经济的迅速发展，高压直流输电系统和城市轨道交通系统等基础设施不断建设，埋地钢制管道受直流杂散电流干扰的问题日益突出[1-6]。本工作对广东地区某天然气管道进行检测，明确其受到了高压直流输电系统和地铁交通系统的直流杂散电流干扰；通过数据分析，得到管道受杂散电流干扰的规律；对照干扰期间管道的运行情况，分析了管道受高压直流输电系统和地铁交通系统的直流杂散电流干扰影响而存在的几点危害，以期为预防直流杂散电流干扰提供借鉴。

1 管道电位的检测和监测方法

针对管道存在直流杂散电流干扰的工况，采用试片断电法，进行管道全线的通/断电电位测试。通过检测24 h内试片断电电位的最大值、最小值和平均值，评价管道受直流杂散电流干扰的情况。按照SY/T 0029-2012《埋地钢质检查片应用技术规范》,测试采用数据记录仪uDL2和工作面积为6.5 cm2的极化试片，数据记录仪设置每秒采集一组数据，通断周期设置为通4 s/断1 s，测试接线如图1所示。本次测试的管道防腐蚀层类型为3PE，管道的阴极保护方式为外加电流法。

图1 数据记录仪接线示意图Fig. 1 Wiring diagram of data logger

本工作还采用极化探头法和电位监测系统，长期监测管道电位，以明确管道受高压直流输电工程单极大地回路运行方式的影响。极化探头是由和管道相同材质的极化试片和长效硫酸铜参比电极(CSE)构成的，试片面积为6.5 cm2。电位监测系统由电位监测终端、传输网络和服务器构成，见图2。电位监测终端与极化探头和管道进行连接，通过自动采集试片的通电电位和断电电位，来测试管道在受到高压直流接地极入地电流影响时的通/断电电位，再通过无线网络传输，将测试数据传输到远程服务器内。测试人员通过专业软件读取数据。电位监测系统设置10 min采集1组通/断电电位。

图2 电位监测系统架构和电位监测终端Fig. 2 Potential monitoring system architecture and potential monitoring terminal

2 管道电位的检测结果

此段管道共有3座阴极保护站,分别设置在阀室2、阀室6和站场2位置(见图3)。其中，阀室2和阀室6处的恒电位仪采用恒电位模式运行，站场2处恒电位仪采用恒电流模式运行。由于直流杂散电流干扰，阀室2处恒电位仪(控制电位为-1.5 V)输出电流波动较大；阀室6处恒电位仪(控制电位为-1.3 V)的保护电位波动较大，且保护电位较控制电位更负，无输出电流；站场2处恒电位仪的保护电位波动大，恒电位仪无法采用恒电位模式运行，只能采用恒电流模式运行,控制输出电流为0.55 A。3个恒电位仪的输出情况见表1。

图3 站场阀室和阴保站分布示意图Fig. 3 Layout diagram of the station valve chamber and cathodic protection station

序号阴保站名称恒电位仪输出情况工作模式保护电位/V输出电流/A输出电压/V1阀室2恒位-1.47～-1.550.95～0.222.75～4.652阀室6恒位-1.56～-1.7200.30～0.823站场2恒流-0.41～-1.350.551.86～7.91

由于直流杂散电流干扰造成管道电位波动严重，无法采用瞬间断电法进行管道的阴极保护电位检测，因此采用试片断电法进行检测。采用数据记录仪测量管道24 h的通/断电电位，发现管道全线的通电电位都存在明显的波动，波动范围为-3.98～+2.42 V，见图4。其中，两个管段的通电电位波动比较大，分别为kp4708测试桩附近管段和靠近站场2的管段；kp4708附近管段的通电电位波动幅度最大达到2.37 V，靠近站场2的管段通电电位波动幅度最大达到6.40 V。

管道全线的断电电位波动范围为-0.16～-1.30 V。管道全线断电电位最正值正于-0.85 V的共27处，断电电位平均值正于-0.85 V的共有10处，见图5。按照GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》，已投运阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施，因此，该管段共有27处需要采取防护措施。管道24 h的电位检测结果显示，管道受到动态直流杂散电流干扰，电位持续波动。

图4 管道全线通电电位最大值、最小值和平均值分布图Fig. 4 Maximum, minimum and average values of the power-on potential of the pipeline

图5 管道全线断电电位最大值、最小值和平均值分布图Fig. 5 The maximum, minimum and average distribution of the power-off potential of the pipeline

澳大利亚标准《AS 2832.1:2015 Cathodic protection of metals Part1:Pipes and cables》规定，对于动态杂散电流干扰的评价，需进行20 h以上的管道断电电位持续监测；对于防腐蚀层性能良好的构筑物或已证实对杂散电流的响应为快速极化和去极化的构筑物，应遵循以下准则：电位正于保护准则(对钢铁构筑物电位为-850 mV)的时间不应超过测试时间的5%，电位正于保护准则+50 mV(对钢铁构筑物电位为-800 mV)的时间不应超过测试时间的2%，电位正于保护准则+100 mV(对钢铁构筑物电位为-750 mV)的时间不应超过测试时间的1%；电位正于保护准则+850 mV(对钢铁构筑物电位为0 mV)的时间不应超过测试时间的0.2%。根据此标准，对全线管道上27处进行进一步阴极保护效果评价，其中有14处电位正于保护准则的比例不满足标准要求，均分布在靠近站场2的区域，见表2。

表2 正于保护准则的管道断电电位的统计结果Tab. 2 Statistical results of power-off potential grater than the protection criteria

3 直流杂散电流干扰源的调查结果

通过现场勘查，发现此段管道附近共有3个可能的直流杂散电流干扰源，分别为两个高压直流输电系统的接地极和广州地铁。干扰源和管道的相对位置见图6。

高压直流输电系统接地极对管道造成的干扰有两种形式：一种是在输电线路双极运行时，接地极有不平衡电流对管道的影响，不平衡电流的影响持续存在，不平衡电流一般小于额定运行电流的1%；另一种是输电线路单极大地回路运行，接地极流入流出的电流为直流输电系统的额定运行电流，入地电流可达几千安培，对管道的影响发生在单极大地回路运行期间。在白天地铁运行期间，管道受地铁直流杂散电流干扰，夜间地铁停运之后，地铁对管道无影响。24 h电位检测结果显示，此段管道电位共有3种波动规律，见图7。

图6 管道走向及与干扰源的相对位置FIg. 6 Pipeline orientation and relative position to sources of interference

由图7(a)可见：测试桩kp4650为距离站场1最近的测试桩，距离高压直流输电系统接地极和地铁均最远，受到的干扰最小。白天时间段的电位波动幅度明显大于夜间时间段的，白天时间段通电电位为-0.84～-1.51 V，波动幅度约为0.67 V，夜间时间段波动幅度较小，约为0.15 V。

由图7(b)可见：测试桩kp4707为距离高压直流接地极1最近的测试桩，白天时间段电位波动幅度和夜间时间段的接近，白天时间段通电电位为-0.23～-2.06 V，波动幅度约为1.82 V，表明管道受到的高压直流输电系统不平衡电流干扰大于地铁杂散干扰。

(a) 测试桩kp4650处(b) 测试桩4707处(c) 测试桩kp4830处图 7 三种通-断电电位波动规律图Fig. 7 Fluctuation patterns of three kinds of on/off potential

由图7(c)可见：测试桩kp4830为距离高压直流接地极2和地铁较近的测试桩，在高压直接接地极采用双极运行模式时，白天时间段和夜间时间段的通电电位波动剧烈，整体的波动幅度远高于kp4707和kp4650测试桩的，同时白天时间段的波动幅度大于夜间时间段的。白天时间段通电电位波动范围为+2.011～-3.94 V，夜间时间段通电电位波动范围为+0.75～-2.13 V，表明此部分管道受到高压直流接地极2不平衡电流和地铁杂散电流干扰最为明显，造成该管段持续处于欠保护状态。

对比3种管道电位的波动规律发现，本次测试的管道同时存在高压直流输电系统的不平衡电流和地铁杂散电流的综合干扰。

4 高压直流输电系统单极大地回路运行影响管道的监测结果

高压直流输电系统单极大地回路运行时，其中一个高压接地极为流出电流，称为“阳极放电”，相对应的另外一个高压接地极为流入电流，称为“阴极放电”。文中的接地极1和接地极2分别为两个高压直流输电系统中的一个接地极。

通过电位监测系统，监测到高压直流输电系统接地极2单极大地回路运行时，管道受到严重的干扰。在接地极阳极放电3 000 A(高压直流接地极流出电流)时，管道受干扰时电位分布出现变化见图8。可以看出，靠近接地极2的管道电位负向偏移，测试桩KP4829+1位置的最负电位达到-174.6 V。受接地极阳极干扰时，此段管道为杂散电流流入区域，远离接地极2的管道电位正向偏移，测试桩KP4717位置的最正电位达到31.6 V，此段管道为杂散电流流出区域。

图8 接地极阳极放电3 000 A时的管道电位分布Fig. 8 Pipeline potential distribution at 3 000 A of grounding anode discharge

在接地极阴极放电1 125 A(高压直流接地极流入电流)时，管道受干扰时电位分布变化如图9所示。靠近接地极2的管道电位正向偏移，测试桩KP4829+1位置的最正电位达到77.2 V。受接地极阴极干扰时，此段管道为杂散电流流出区域，远离接地极2段管道负向偏移，测试桩KP4717位置的最负电位达到-12.5 V，此段管道为杂散电流流入区域。

图9 接地极阴极放电1 125 A时的管道电位分布Fig. 9 Pipeline potential distribution at 1 125 A grounding anode discharge

管道的杂散电流流入和流出区域，随着接地极入地电流极性变换而发生改变，接地极入地电流越大，管道的受干扰程度越大。在此管段上，靠近接地极的管段受干扰程度远大于远离接地极的管段。

5 直流杂散电流干扰对管道造成的危害

此段天然气管道在受到直流杂散电流影响期间，在以下几方面严重影响了管道的安全运行，对管道造成不同形式的危害。

(1) 阀室的绝缘卡套发生放电烧蚀

在对阀室绝缘卡套的完好情况进行检查，发现2个阀室(阀室3和阀室8)内的绝缘卡套内部或外部有放电烧蚀的痕迹。由于高压直流输电系统单极大地回路运行对管道造成干扰，阀室内绝缘卡套两端电压差升高，造成绝缘卡套内部或外部发生放电烧蚀[3]。

(2) 恒电位仪内部元器件烧毁

在一次高压直流接地极单极大地回路运行之后，发现阀室2位置的恒电位仪内部元器件发生了烧毁。

(3) 恒电位仪无法正常运行

由于直流杂散电流干扰造成管道电位波动严重，站场2位置的恒电位仪无法正常采用恒电位模式运行，只能采用恒电流模式；阀室6位置的恒电位仪输出大部分时间为0 A，并且经常会跳转至恒电流模式。

(4) 管道防腐层破损点位置发生严重腐蚀

对本段管道不同位置的12处防腐蚀层破损点开挖检测结果显示，管道破损点位置均有不同程度的腐蚀坑深，腐蚀坑内有明显的黑色腐蚀产物，12处防腐蚀层破损点处管体最大腐蚀深度统计见表3。本段管道由于全线都受到严重的高压直流接地极干扰，因此全线管道的防腐蚀层破损点均有不同程度的腐蚀，其中靠近站场2附近管道KP4827+132 m位置缺陷腐蚀深度最大，达到3.69 mm，占壁厚的13.42%。此段管道受高压直流接地极2单极大地回路运行模式干扰严重，同时由于高压直流接地极不平衡电流和地铁杂散电流干扰，管道长期处于欠保护状态，因此该管段各缺陷点腐蚀深度整体较其他管段的大。

表3 防腐蚀层破损点位置管体腐蚀深度Tab. 3 Corrosion depth of the pipe at the damage points of the anti-corrosion layer

6 结束语

(1) 通过24 h通/断电电位数据检测，发现管道同时存在高压直流输电系统的不平衡电流和地铁杂散电流的干扰，使部分管道长期处于阴极保护欠保护状态。

(2) 通过电位监测系统，监测到高压直流接地极单极大地回路运行时，全线管道受干扰严重，在此运行模式下，管道KP4829+1测试桩持续最正电位达到了77.2 V，持续最负电位达到了-174.6 V。管道的杂散电流流入和流出区域随着接地极入地电流极性变换而发生改变；接地极入地电流越大，管道受干扰程度越大，靠近接地极的管段受干扰程度远大于远离接地极的管段。

(3) 由于直流杂散电流干扰，管道的运行安全面临巨大的风险，会造成阀室绝缘卡套放电烧蚀、恒电位仪内部元器件烧毁、恒电位仪无法正常运行等事故，甚至导致管道发生严重的腐蚀。