西南山地油气管道交流干扰的检测及防护

胡绍磊 王啟和 何峥艳 刘 念 万运华 陈彬源 于 帅 陆学杰

1. 中国石油天然气股份有限公司西南管道昆明输油气分公司, 云南 昆明 650500;2. 中国石油西南油气田公司, 四川 成都 610051;3. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;4. 中国石油天然气股份有限公司西南管道兰成渝输油分公司， 四川 成都 610041

0 前言

随着国民经济的不断发展,中国对能源的需求越来越大,特别是对石油、天然气的需求更是与日俱增。这几年中国西南地区的油气管道里程剧烈增长,这些管道大部分敷设在山区地带,所处地形以山地为主,被称为山地管道[1]。本文研究的山地油气管道途经地区的地形地貌为山涧沟谷,地势起伏大,管道穿越地区大部分地段都是山高谷深、河流纵横、地质灾害频发,部分区域地质活动强烈、地震发育密集[2]。与此同时,管道周边高压输电线路的建设规模也在日益加大,由于地方城镇规划要求和路径择优选择原则,山地油气管道经常与高压输电线路长距离并行或多次交叉,形成长距离的共用走廊带[3]。国内外大量案例表明,与埋地金属管道并行的高压输电线路会通过电磁感应、电阻耦合等方式在埋地金属管道上感应出电压和电流,可能会对管道造成严重的交流干扰[4],从而对管道产生不可忽视的危害,如引起交流腐蚀,导致管道穿孔泄漏,加速防腐层的剥离,影响阴极保护系统的正常运行,造成保护电位不满足保护要求等问题,同时还会对工作人员产生电击危害,严重威胁工作人员的人身安全,因此成为山地油气管道管理的重要关注点[5]。

通过对西南地区某段山地天然气管道交流干扰情况的检测和评估,发现该段管道存在较严重的交流干扰,通过对不同缓解措施在经济性、适用性方面的分析和比较,最终研究得出适合于缓解山地油气管道交流干扰的措施,该措施的成功应用[6]为类似条件的山地油气管道交流干扰治理提供了借鉴措施,具有一定参考意义。

1 现场检测

西南地区的山地油气管道部分位于云贵高原,这里大部分为红土地区,土壤电阻率差异性较大[7],部分地区土壤电阻率很高,而部分地区土壤电阻率又较低。现场对西南地区两段山地天然气管道进行现场测试,A段管道的桩号为K 0607～K 0612,管道长度约6 km,管径为D 1 016 mm,管道钢级为X 80,设计压力10 MPa,运行压力6.8 MPa,管道壁厚有12.8、15.3和18.4 mm三种规格,管道外防腐层采用三层PE,管道阴极保护方式为强制电流阴极保护[8]。B段管道的桩号为K 0839～K 0872,管道长度约为34 km,管径为D 1 016 mm,管道钢级为X 80,设计压力10 MPa,运行压力6.8 MPa,壁厚有12.8、15.3、18.4 mm三种规格,管道外防腐层采用三层PE,管道阴极保护方式为强制电流阴极保护。

以上两段管道多处与高压输电线路长距离并行,局部地段距离高压输电线的铁塔较近,为保障管道的安全运行,特针对这两段管道开展交流干扰专项检测。

1.1 干扰源分布

通过现场调查,A、B两段管道的干扰分布情况见表1。由表1可见,A、B两段管道多次与高压交流输电线交叉并存在有不同程度的并行,其中与A段管道的K 0609～K 0612段管道并行或交叉的高压交流输电线电压等级较高,为500 kV/220 kV,同时还是两回高压交流输电线与管道并行和交叉,且管道与高压交流输电线间距较近,最近为 20 m 左右,并行长度也很长,约5 km,该段管道受到交流干扰的风险较高。

1.2 干扰数据测试

现场在A段管道上的测试桩安装位置处进行了管道交流干扰电压测试和管道附近土壤电阻率测试,并根据GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》[9]的规定进行交流干扰电流密度计算,A段管道交流干扰电压测量结果及交流干扰电流密度详细计算结果见表2。

由表2可知,A段管道的K 0607到K 0612号桩之间的线路管道所受交流干扰较大,交流电流密度为5.36～238.42 A/m2之间,其中K 0607、K 608和K 610测试桩处管道交流电流密度均超过100 A/m2,不满足GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》要求,需要安装排流缓解措施[10]。

现场也在B段管道上的测试桩安装位置处进行了管道交流干扰电压测试和管道附近土壤电阻率测试,并根据GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》[9]的规定进行交流干扰电流密度计算,B段管道交流干扰电压测量结果及交流干扰电流密度详细计算结果见表3。

表1 干扰源分布统计表

Tab.1 Distribution statistics of interference sources

管道名称桩号位置输电线电压等级/kV干扰情况描述A段管道K 0607～K 0609220交叉3次,并行长度约1 km,间距多为20～500 mA段管道K 0609～K 0612500/220交叉1次,并行长度4 km,间距多为80～1 000 mB段管道K 0839～K 0844500交叉3次B段管道K 0844～K 085135、15交叉1次,与35 kV输电线并行长度10 km,并行间距多为20～300 m,与15 kV输电线并行长度8 km,并行间距多为400～1 000 mB段管道K 0851～K 0855110交叉3次,并行长度3 km,并行间距多为100～500 mB段管道K 0855～K 0873110、220交叉2次

表2 A段管道交流干扰电压测量结果及交流干扰电流密度计算表

Tab.2 AC voltage measurement statistics and AC density calculation of A pipeline

管道名称桩号位置管道交流干扰电压/V管道埋深/m土壤电阻率/(Ω·m)交流电流密度/(A·m-2)A段管道K 060712.672.028.52100.11A段管道K 060813.491.122.18137.06A段管道K 060911.891.5499.505.36A段管道K 061016.051.415.17238.42A段管道K 061112.922.7121.5723.95A段管道K 061211.301.334.6373.53

表3 B段管道交流干扰电压测量结果及交流干扰电流密度计算表

Tab.3 AC voltage measurement statistics and AC density calculation of B pipeline

管道名称桩号位置管道交流干扰电压/V管道埋深/m土壤电阻率/(Ω·m)交流电流密度/(A·m-2)B段管道K 08395.381.3078.6515.42B段管道K 08416.151.40169.608.17B段管道K 08445.721.0221.1760.89B段管道K 08455.951.0022.8058.81B段管道K 085111.671.2020.28129.68B段管道K 085314.001.20301.5010.46B段管道K 085514.431.70477.406.81B段管道K 085614.251.10189.9014.70B段管道K 085713.801.43220.7012.25B段管道K 085814.321.5097.5033.10B段管道K 085913.931.0025.13124.92B段管道K 086213.231.00217.3013.72B段管道K 086412.431.4579.7335.13B段管道K 086511.751.20359.607.36B段管道K 086610.901.25133.5018.40B段管道K 08679.581.00654.003.30B段管道K 08708.601.00481.204.03B段管道K 08717.301.0098.0716.77B段管道K 08726.661.0055.9126.84B段管道K 08736.232.00290.504.83

由表3可知,B段管道的K 0839～K 0873号桩之间的线路管道所受交流杂散电流干扰比A段管道所受干扰小,管道上的交流电流密度为1.41～129.68 A/m2之间,其中K 0851和K 859测试桩处管道上的交流干扰电流密度均超过100 A/m2,不满足GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》的安全要求,需要安装排流缓解设施。

2 检测结果分析

1)由表2～3可以看出,A段管道K 0607到K 0612和B段管道K 0839到K 0872,均受到高压交流输电线路的交流干扰影响,其中A段管道最高干扰电压16.05 V,最大干扰电流密度238.42 A/m2,B段管道最高干扰电压14.32 V,最大干扰电流密度129.68 A/m2。根据测试数据可知，高压交流输电线的输电电压等级及其与管道的并行间距对管道交流干扰影响十分显著[11]。B段管道虽与高压交流输电线路并行距离较长,但是该高压交流输电线的电压等级比与A段管道并行的高压交流输电线的电压等级低,因此其所受交流干扰程度也较A段管道受干扰程度低[12]。

2)A段管道大部分地区的土壤电阻率小于25 Ω·m,持续干扰交流电压大于4 V,交流电流密度为5.36～238.42 A/m2之间,其中K 0607、K 608和K 610测试装交流电流密度均超过100 A/m2,不满足GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》的安全要求,需要安装排流缓解设施[13]。

3)B段管道受高压交流输电线的干扰范围广,从 K 0839 号桩～K 0873号桩,长度超过10 km,管道沿线大部分地段的土壤电阻率较高,很多地段的土壤电阻率超过100 Ω·m,根据交流干扰电流密度计算结果可以看出B段管道所受交流干扰程度比A段管道受干扰程度小,其中仅有K 0851和K 0859测试桩交流电流密度超过100 A/m2,不满足GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》的安全要求,需要安装排流缓解设施[14]。

3 交流干扰防护措施

管道遭受严重的交流杂散电流干扰后,亟需解决的问题就是交流杂散干扰电流的排流和缓解。交流杂散干扰电流排流缓解技术的相关研究已有近30年的历史[15]。目前国内外常用的交流缓解措施主要包括增大管道与干扰源之间距离、集中接地、安装排流井及缓解线等[16]。其中,交流排流装置和缓解线相结合的方法由于具有施工方便、排流效果显著的特点,得到了国内外同行的一致肯定,获得了大量推广应用[17],也是目前使用最广泛的交流杂散干扰电流排流方法。该种措施是在管道和高压电线之间,与管道平行敷设缓解线,缓解线通过交流排流装置与管道相连接。排流井也是采用缓解线和交流排流装置相结合的方式,这种方式特别适合于西南山地管道,因为西南山地油气管道沿线坡高山陡,林密水深,沟壑纵横,沿管道平行敷设缓解线存在很多困难,不易实施,采用将缓解线竖直安装在排流井中,缓解线另一端通过交流排流装置与管道连接的方式,简单方便,在受地形限制的山地管道上可大量推广应用[18]。

3.1 A段管道排流设施安装

A段管道长度约5 km,管道上的最高干扰电压16.05 V,该段管道设置排流设施2处,分别位于K 0607和K 0610号桩处。两处排流地点均位于半山坡位置,附近没有连续地段适合敷设缓解线,只有根据现场情况安装排流井。其中K 0607附近土壤电阻率约28.5 Ω·m,K 0610附近土壤电阻率约15.2 Ω·m,根据GB/T 21448-2017 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的计算方法进行计算后确定在K 0607附近安装排流井3口,每口深度20.5 m,在K 0610附近安装排流井2口,每口深度20.5 m,井口位置根据附近地形确定。每口井内安装排流缓解线20 m。现场施工完成后,K 0607附近3口井并联后接地电阻约1.8 Ω,K 0610附近2口井并联后接地电阻约1.6 Ω。最后将排流井通过排流设施与管道进行连接,安装完成后测试管道上交流干扰电压,详细测试结果见表4。

表4 A段管道安装排流设施后的交流干扰电压测试数据统计表

Tab.4 Test data statistics of AC interference voltage of A pipeline after installation of drainage facilities

序号管道名称桩号位置管道上的交流干扰电压/V1A段管道K 06071.82A段管道K 06082.03A段管道K 06092.14A段管道K 06102.05A段管道K 06112.06A段管道K 06122.5

根据表4所示测试情况,安装排流井后,管道上交流干扰电压均降至GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》规定的4 V以下[19],最高交流干扰电压约2.5 V,符合标准要求,证明A段管道所选用的排流方式的排流效果较好。

3.2 B段管道排流设施安装

B段管道长度约34 km,管道上的最高干扰电压14.32 V,该段管道中地理条件适合水平敷设缓解线的地段,就采取安装缓解线加排流设施的方案进行排流,地理条件不合适的位置还是采取A段管道所采取的排流井的排流方案进行排流。

B段管道共设置排流设施10处,其中有2处采用安装排流缓解线的方式进行排流,分别位于K 0851到 K 0859 号桩附近的管道上,剩余8处全部采用排流井的排流方案进行排流。B段管道的沿线土壤电阻率均较高,因此根据GB/T 21448-2017 《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的计算方法进行计算后,为方便现场施工管理,确定采用排流井方式的8处排流点,每处均设置排流井4口,每口深度20.5 m,间距大于10 m,井口位置根据排流点附近地形确定,最好采用“一”字型布置。每口井内安装排流缓解线20 m。现场施工完成后,要求每口排流井的接地电阻低于4Ω。10处排流设施安装完成后,对B段管道上的交流干扰电压进行了测试,测试结果见表5。

表5 B段管道安装排流设施后的交流干扰电压测试数据统计表

Tab.5 Test data statistics of AC interference voltage of B pipeline after installation of drainage facilities

序号管道名称桩号位置管道上的交流干扰电压/V排流方式1B段管道K 08412.6排流井2B段管道K 08512.1缓解线3B段管道K 08533.2排流井4B段管道K 08553.4排流井5B段管道K 08582.9排流井6B段管道K 08593.0缓解线7B段管道K 08622.5排流井8B段管道K 08652.6排流井9B段管道K 08671.9排流井10B段管道K 08722.0排流井

根据表5所示测试情况,安装排流设施后,B段管道上交流干扰电压均降至GB/T 50698-2011 《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》规定的4 V以下[20],最高交流干扰电压约3.4 V,从排流效果上看,排流井和缓解线差别不大,都能将管道上的交流干扰电压降至标准规定的范围内。

4 结论与建议

1)通过对西南山地油气管道所受交流杂散电流干扰情况的测试分析可以看出，与管道并行的高压交流输电线路输电电压等级越高,并行距离越长,并行间距越小,管道受到的杂散电流干扰越严重。因此在今后的管道建设中一定要保证管道与高压交流输电线的间距,尽量不要与高压交流输电线路长距离平行敷设。

2)西南地区的山地油气管道由于受地形条件限制,不易采取缓解线加排流装置的方案排流时,可采取排流井的方式排流。两条管道的现场实际应用情况证明该种排流方案占地面积小,现场施工简单可靠,安装方便,排流效果好。当一口排流井不能满足排流效果时,可设置多口排流井,多口排流井之间通过并联进行排流工作,可大大提高排流效果,保障管道的安全运行。