土壤环境对埋地金属管道所受高压直流干扰的影响

2020-05-23超1张钰暄2李永发王修云姜子涛

腐蚀与防护 2020年4期

吕超1,张钰暄2,李永发,王修云,姜子涛

(1. 中石油管道有限责任公司西气东输分公司，上海 200122; 2. 中国石油管道局工程有限公司上海分公司，上海 200122；3. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

近年来，我国远距离、大容量直流输电(HVDC)工程和输气、输油管道工程迅猛发展[1-3]，电力输送网和油气管网日趋稠密。我国DL/T 5224-2005标准规定接地极与埋地管道距离应大于管道长度或大于10 km[4]，而加拿大相关标准指出在一定的土壤条件下，直流接地极可对70 km外的管道产生干扰[5]。但是由于输送目的地高度一致，导致直流输电工程与油气管道不可避免地相互靠近。直流输电线路在故障、调试或检修时常采用单极大地回路方式运行，此时大量电流通过直流接地极流入大地形成杂散电流，对附近的埋地管道产生干扰，导致管体加速腐蚀，引发安全事故[6-7]。我国多地报道了高压直流干扰案例[8]，但是各地高压直流干扰水平相去甚远。例如：云广特高压直流输电工程受端接地极单极大地运行时，导致广东某天然气管道阀室引压管发生打火放电，现场测得管地电位高达175 V(相对于饱和铜/硫酸铜参比电极CSE)；而三峡至上海地直流输电工程受端接地极单极大地运行时，虽然也造成了附近管道电位的偏移，但是偏移量仅为1.4 V(相对于CSE)。

我国幅员辽阔、土壤结构复杂多变，而国内外对于高压直流干扰的研究尚处于起步阶段，土壤环境对高压直流干扰的影响规律还不明确[9-12]。鉴于此，本工作利用数值模拟技术研究了在不同土壤结构中高压直流接地极对埋地管道的干扰规律，为我国其他接地极设计选址及相关模拟计算提供参考和建议。

1 模型绘制

本工作采用CDEGS软件的MALZ模块对不同土壤环境中高压直流干扰的规律进行数值模拟。MALZ模块主要利用边界元方法求解电场方程，获得主要计算区域内的各电学参数[13-14]。为了去除其他因素的影响，设计建立了高压直流对埋地管道干扰的简化模型，如图1所示。管道为水平直管道，长度50 km。高压直流接地极为双圆环结构，位于管道中间位置距离管道3 km。其他参数如表1所示，计算时采用电流由大地流入接地极的方式进行计算，文中电位均相对于CSE。

图1 高压直流对埋地管道干扰的简化模型Fig. 1 Simplified model of HVDC interference to buried pipeline

表1 用于数值模拟的管道参数
Tab. 1 Parameters of pipeline for numerical simulation

参数取值管径/mm457管道壁厚/mm16管道埋深/m1.5管材X80钢防腐层面电阻率/(Ω·m2)105直流接地极的入地电流/A5 000直流接地极埋深/m4

2 模拟结果与分析

2.1 表层土壤厚度的影响

为了研究表层土壤厚度对干扰影响的规律，设计构建了水平双层土壤结构，如图2所示。表层土壤电阻率较低，为100 Ω·m，厚度为0.1～9 km。底层土壤电阻率较高，为1 000 Ω·m，厚度无穷大。作为对照，在整体土壤电阻率100 Ω·m(表层厚度为无穷大时)和1 000 Ω·m(表层厚度为0 km时)两种情况下，计算了管地电位。

图2 水平双层土壤结构Fig. 2 Horizontal double-layer soil structure

管地电位是管道管体与正上方土壤电位差，用P/S表示。由于管地电位与管道腐蚀、氢脆等风险息息相关，因此常作为管道受干扰的评价指标。计算各种土壤结构下管地电位分布，结果如图3所示。由图3可见：当接地极阴极放电时，靠近接地极位置的管道吸收电流，管地电位正向偏移；而远离接地极位置的管道释放电流，管地电位负向偏移。对比整体土壤电阻率为100 Ω·m(表层厚度为无穷大)和1 000 Ω·m(表层厚度为0 km)两种情况可知，整体土壤电阻率越高，管道所受的干扰越大。这是由于在入地电流相同的情况下，低土壤电阻率中形成的电势梯度较小，穿越电势梯度场时管道两端的电压差较小，因此管地电位变化较小。对比不同表层土壤厚度情况下的计算结果可见，随着表层土壤厚度的增加，管道受到的干扰降低，这是由于表层土壤越厚，整体土壤电阻率越小。

以最大管地电位与表层土壤厚度为坐标作图，结果见图4。由图4可见，当表层土壤厚度为0时，最大管地电位为163.6 V，当表层土壤厚度为无穷大时，最大管地电位为16.9 V。由以上分析可知：当表层土壤厚度小于0.15 km时,管道所受干扰主要由深层土壤电阻率决定；当表层土壤厚度大于9 km后，管道所受干扰主要由表层土壤电阻率决定；当表层土壤厚度为0.15～9 km时，管道所受干扰由表层土壤电阻率和深层土壤电阻率共同决定。

图3 表层土壤厚度对管地电位分布的影响Fig. 3 Effect of top soil thickness on P/S potential distribution

图4 表层土壤厚度与最大管地电位的关系Fig. 4 Relationship between top soil thickness and maximum P/S potential

2.2 管道沿线土壤的影响

我国油气管道跨度大，沿线土壤复杂多变。由于管道沿线土壤电阻率变化，管道所受干扰也随之变化，为研究管道沿线局部土壤电阻率的影响，建立如图5所示的土壤结构。土壤结构由两部分组成：整体环境土壤(电阻率较高，为1 000 Ω·m)和局部土壤块(电阻率较低，为100 Ω·m)，土壤块尺寸为10 km×2 km×6 km(长×宽×深)。将土壤块由位置Ⅰ(土壤块左边缘与管道左端对齐，土壤块中心位于管道里程5 km处)逐渐移动至位置Ⅱ(土壤块中心与管道中心对齐，土壤块中心位于管道里程25 km处)。计算土壤块位于不同位置时，接地极系统放电对附近埋地管道的干扰。

图5 管道沿线土壤结构Fig. 5 Soil structure along pipeline

由图6(a)可见，当土壤电阻率为100 Ω·m的土壤块由位置Ⅰ移动至位置Ⅱ时，埋地管道受直流干扰程度逐渐减弱。由图6(b)可见，随土壤块的移动，最大管地电位呈现先缓慢降低，然后快速降低，最后缓慢降低的趋势。当土壤块在位置Ⅰ时，最大管地电位最大，为164.2 V，当土壤块移动至位置Ⅱ时，最大管地电位下降至85.6 V，干扰明显降低。由以上分析可知：土壤块中心位于管道里程5～17 km即土壤块中心距管道中心超过8 km时，土壤块对直流干扰基本无影响。

由于高压直流接地极附近管道所处土壤的电阻率对直流干扰的影响很大。因此，如果直流接地极选址在埋地管道附近时，管道应尽量埋设在土壤电阻率相对较低的海洋、地上和地下水系、盐矿、金属矿等区域。

(a) 管地电位分布

(b) 最大管地电位图6 管道沿线土壤块的影响Fig. 6 Effects of soil block along pipeline: (a) P/S potential distribution; (b) maximum P/S potential

2.3 接地极附近土壤的影响

通常情况下高压直流接地极与埋地管道相距几公里到几十公里，而接地极处土壤往往与管道埋设处差别很大，因此设计了图7所示的土壤结构模型。该土壤结构由两部分组成：整体环境土壤电阻率较高，为1 000 Ω·m；接地极附近土壤块电阻率较低，为100 Ω·m。土壤块尺寸为10 km×2 km×6 km，将土壤块由位置Ⅰ(土壤块左边缘与管道左端对齐，土壤块中心位于管道里程5 km处)逐渐移动至位置Ⅱ(土壤块中心与接地极系统中心对齐，管道中心位于管道里程25 km处)。计算土壤块位于不同位置时，接地极系统放电对附近埋地管道干扰的情况。

图7 高压直流接地极附近土壤结构Fig. 7 Soil structure near HVDC ground electrode

由图8(a)可见，当土壤块由位置Ⅰ移动至位置Ⅱ时，埋地管道受直流接地极系统干扰的程度逐渐减弱。由图8(b)可见，当土壤块从位置Ⅰ移动至位置Ⅱ时，最大管道电位呈现先缓慢降低，然后快速降低，最后缓慢降低的趋势。当土壤块在位置Ⅰ时，最大管道电位最大，为163.5 V，但当土壤块移动至位置Ⅱ时，最大管地电位下降至82.7 V，干扰明显降低。由此可见：土壤块中心位于管道里程5～17 km即土壤块中心距离接地极中心超过8 km时，土壤块对干扰基本无影响。

(a) 管地电位分布

(b) 最大管地电位图8 高压直流接地极附近土壤的影响Fig. 8 Effects of soil near HVDC ground electrode: (a) P/S potential distribution; (b) maximum P/S potential

由于管道受干扰的程度受直流接地极所处土壤电阻率影响较大。因此，直流接地极应尽可能选在土壤电阻率较低的海洋、地上和地下水系、盐矿、金属矿等区域。

2.4 接地极与管道沿线土壤影响对比

由以上计算可见，管道沿线和高压直流接地极附近土壤对干扰影响都比较明显。为了明确这些位置的特殊性，设计如图9所示土壤结构。土壤结构由两部分组成：整体环境土壤电阻率较高，为1 000 Ω·m；局部土壤块电阻率较低为100 Ω·m。土壤块尺寸为10 km×2 km×6 km，分别计算土壤块在位置Ⅰ(土壤块中心与接地极中心重合)、位置Ⅱ(土壤块在管线与接地极之间)、位置Ⅲ(土壤块中心与管线中心重合)、位置Ⅳ(接地极与土壤块距离等于接地极与位置Ⅲ时土壤块的距离)4种不同位置时接地极系统放电对附近埋地管道干扰的情况。

图9 管道沿线和高压直流接地极附近土壤结构Fig. 9 Soil structure along pipeline and near HVDC ground electrode

由图10可见，在4种不同位置时，管道受直流接地极系统干扰程度的顺序为：位置Ⅰ<位置Ⅲ<位置Ⅱ<位置Ⅳ。由前面计算可知，土壤块距离直流接地极越近，对管道的干扰越小。但是，本算例中位置Ⅱ比位置Ⅲ更靠近高压直流接地极，而位置Ⅲ干扰却较小。另外，在位置Ⅲ和位置Ⅳ时，土壤块距高压直流接地极的距离相等，但是位置Ⅲ的最大管地电位比位置Ⅳ的小很多。由此可见，高压直流接地极附近土壤和管道附近土壤对高压直流干扰影响最大，且土壤电阻率越低干扰越小。因此，进行模拟计算或者选址时，应该重点考察这些位置的土壤结构。

3 现场验证

为考察数值模拟方法计算的土壤环境对高压直流干扰影响的准确性，利用西北及华南两个典型土壤环境中高压直流接地极放电时管地电位波动的监测数据进行验证。

西北地区某输气管线A站场至B站场约300 km长管道受到距离其44 km处高压直流接地极干扰。在该管道沿线设置远程监测系统14套，用于监测附近接地极放电时管道沿线管地电位的波动情况，其中距离A站场157 km处为该管道与接地极最近位置点。当接地极5 000 A阴极放电时，现场监测到管道沿线的管地电位如表2所示。其中，在管道与接地极最近位置点，电流流出，管地电位正向偏移最大，达到10.33 V，在距离接地极最远的位置，电流流入，管地电位负向偏移最大，达到-6.30 V。

(a) 管地电位分布

(b) 最大管地电位图10 不同位置土壤的影响Fig. 10 Effects of soil in various locations: (a) P/S potentials distribution; (b) maximum P/S potential

表2 西北地区某管道的管地电位Tab. 2 P/S potentials of a pipeline in Northwest China

华南地区某输气管线C站场至D站场约180 km长管道受到距离其7 km处高压直流接地极干扰。在该管道沿线设置远程监测系统16套，用于监测附近接地极放电时管道沿线管地电位的波动情况，其中距离C站场56.808 km处为该管道与接地极最近位置点。当接地极3 200 A阴极放电时，现场监测到管道沿线的管地电位如表3所示。其中，在管道与接地极最近的位置点，电流流出，管地电位正向偏移最大，达到304.7 V，在距离接地极最远的位置，电流流入，管地电位负向偏移最大，达到-76.0 V。

表3 华南地区某管道的管地电位Tab. 3 P/S potentials of a pipeline in Southern China

表4为上述西北及华南两高压直流接地极区域土壤电阻率。由表4可知：西北地区接地极处土壤电阻率较小，最大也不超过890 Ω·m，华南地区接地极处土壤电阻率较大，最大可达到2 500～4 000 Ω·m。两地高压直流接地极处土壤电阻率差别较大，因此当高压直流接地极放电时现场监测到管地电位波动情况差别较大。

利用CDEGS软件对上述两处接地极干扰进行模型绘制及模拟计算，将模拟计算结果与现场监测数据对比如图11所示。由图11可知，模拟计算所得管道沿线管地电位分布情况与现场多个位置监测的管地电位数据基本一致，现场环境土壤电阻率对高压直流接地极干扰影响较大，因此该数值模拟方法可以较为准确地预测土壤环境对埋地金属管道受高压直流接地极干扰的影响。

表4 西北及华南两地土壤电阻率Tab. 4 Soil resistivity in Northwest China and Southern China

4 结论

(1) 表层电阻率的降低使得整体土壤电阻率降低，导致直流接地极对长输管道的干扰也降低。表层土壤对干扰的影响与其厚度密切相关。对于双层土壤结构，当表层土壤厚度小于0.15 km时，管道所受干扰主要由深层土壤电阻率决定；当表层土壤厚度大于9 km时，管道所受干扰主要由表层土壤电阻率决定；当表层土壤厚度为0.15～9 km时，管道所受干扰由表层电阻率和深层电阻率共同决定。

(2) 高压直流接地极附近管道所处土壤的电阻率对直流干扰的影响很大。当土壤块中心与管道中心距离超过8 km时，土壤块对直流干扰的影响较小。

(3) 管道所受干扰程度受高压直流接地极附近土壤电阻率影响很大。当土壤块中心距离接地极中心超过8 km时，土壤块对干扰影响较小。

(4) 高压直流接地极附近土壤和管道附近土壤对高压直流干扰影响最大，且土壤电阻率越低干扰越小。因此对于新建系统应尽量将高压直流接地极和管道埋设在土壤电阻率较低的区域如海洋、地上和地下水系、盐矿、金属矿等，以降低管道所受干扰。