埋地输气管道杂散电流干扰分析与防治措施

2021-10-23李刚川

全面腐蚀控制 2021年9期

李刚川

（湖南省华湘天然气有限责任公司，湖南长沙 410000）

0 引言

随着我国经济的飞速发展，国内各种高压输电网、电气化交通轨道、变电站等设施大规模建设，埋地钢质管道的数量也在持续增长[1]。管道的铺设中经常不可避免的与高压输电线路或电气化铁路并行或交叉，从而对管道产生杂散电流干扰，甚至形成管道腐蚀穿孔[2]，严重威胁着管道的运行安全。因此，及时检测管道受杂散电流的干扰程度和影响范围，对避免管道事故的发生具有重要的意义[3-5]。

湖南某天然气管道采用3PE防腐层和强制电流阴极保护结合的方式实施外腐蚀防护，管道途经区域多次与电气化铁路并行、交叉，且管道周边范围内存在较为密集的厂矿企业分布，环境复杂。在日常运营过程中，发现管道通电电位波动较大且存在多处管段交流干扰电压超标，但对于管道沿线断电电位和整体交流干扰腐蚀情况未能全面掌握，严重威胁到管道的安全使用。因此，对管道进行杂散电流的系统检测并开展排流整改对保障管道安全运行具有重要意义。

1 管线概况

邵东市输气管线全长22.87km，该线路全线设置3座站场，其中场站1到场站2为SA线，场站2到场站3为SC线，管线设置一座阴极保护站，阴保站位于站场2内，预置电位为-1.25V，此段管线阴保系统自2018年投运以来，由于受到杂散电流干扰，恒电位仪输出电流整体较小，输出电流分布在0.1～0.2A之间。该管道与怀邵衡铁路（交流电气化高速铁路）存在近距离并行、交叉，具体走向如图1所示。

图1 邵东线与怀邵衡铁路位置关系示意图

2 管道杂散电流干扰检测方法

针对管道存在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6.5cm2的极化试片，按照每秒采集一组数据，通断周期设置为通12s/断3s，对管道沿线进行通/断电电位和交流干扰电压测试，根据测试数据分析管道沿线干扰情况，杂散电流干扰测量接线如图2所示[6]。

图2 杂散电流干扰测量接线图

3 交流干扰评价分析

3.1 交流干扰现场检测

为评价该段管道交流杂散电流的影响程度，全线选择8处（测量间距2～3km）进行24h连续监测，监测结果表明管道的交流电压都存在明显的波动。在8处测试点中，2处管段的交流电压波动较大（超过15V），为SA04#和SA015#测试桩，交流电压的最大值为分别为15.92V和17.23V，其管道交流电压24h监测结果如图3和图4所示。

图3 SA04#测试桩处管道交流电压-时间曲线

图4 SA015#测试桩处管道交流电压-时间曲线

管道交流电压与时间关系分布图表明，2处监测点交流电压均呈现白天交流电压波动幅度较大，晚上交流电压稳定的规律，且平均每 5～10min 出现一次尖峰电压，尖峰值整体均在4V以上，之后迅速回落至0.2V左右，为典型的间歇性干扰，测量时间段管道交流电压最高达17.23V。另外，需要注意的是，2处测量点的测试时间分别为在6月26日和6月28日，但其交流电压-时间波形图具有较大的相似性，即不同位置和时间下管道交流电压的波动幅度和波动规律具有一定重复性。

现场勘查结果显示，该管道与怀邵衡高速铁路存在多处交叉与并行，交叉点有2处（SA023和SC016），并行段长度接近10km（SC029至SC081），平均间距为500m，最近间距为200m（SC042），最远间距约为1300m（SC029），根据现场对列车通行情况与管道交流电压变化的对照可知，测试点处在无火车通过时，管道交流电压稳定，在列车经过前后呈现瞬间增大并回落的变化，形成一个电压尖峰。电气化铁路对管道交流干扰类型主要为电阻耦合式干扰，其特点是管道附近无电力机车时，管道无明显交流干扰，列车在管段区间运行并靠近测试点时，管道受到干扰，交流干扰电压迅速上升并达到峰值；当列车驶离管段区间时，管道交流干扰消失[7,8]，表明该管道的交流干扰是由于怀邵衡铁路与管道交叉并行造成的。

3.2 交流干扰评价

为进一步评价该段管道所受交流杂散电流的干扰程度，对测量范围内管道交流电压的最大值、最小值和平均值及交流电流密度进行了统计分析，统计结果如表1所示。

通过表1可知，8处测试点中，SA04、SA015、SA023、SC026和 SC081共计5处管道的最大交流电压均大于4V，但最大交流电流密度仅SA04和SA015处大于30A/m2，根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》相关规定，当管道的交流干扰电压不大于4V时，交流干扰程度为弱，可不采取交流干扰防护措施。当交流干扰电压大于4V且30A/m2＜交流电流密度＜100A/m2时，交流干扰程度为中，应排查干扰来源，采取措施或提出建议消除干扰。同时根据NACE SP0177—2014《减缓交流输电线路和雷击对钢质管道及其腐蚀防护影响的做法》中规定交流电压最大不应超过15V。在本案例中，仅在靠近管道与怀邵衡铁路交叉段的SA04和SA015处交流杂散电流干扰程度中且最大电压超过15V。此外，交流干扰还明显影响该管道恒电位仪的正常运行，使管道得不到有效的阴极保护。因此为保证管道检测、维护人员的人身安全，建议对上述二处管段进行交流排流处理，其余6处测试点管道整体交流干扰程度较为微弱，可以不采取防护措施。

表1 管道交流电压分布范围与评价统计表

3.3 交流干扰排流整改措施的建议

一般对于已投产管道来说，交流杂散电流的排流通常采取接地的防护措施，而接地排流方式分为直接接地、负电位接地和固态去耦合器接地三种方式，针对本案例，前两种方式都会对管道阴极保护系统造成影响，而固态去耦合器接地能实现隔直通交，在排除交流杂散电流的同时能有效隔离阴极保护电流[7-9]。因此，在本案例中，选择交流电压最大的2处（SA04和SA015）左右的位置采用固态去耦合器 + 排流地床的形式进行排流处置。

排流地床的设置原则是使其接地电阻小于管道接地电阻，为杂散电流提供一个低电阻通道，将杂散电流通过排流地床排出。本方案排流地床采用镀锌角钢与接地扁铁联合布置，接地网参数：总尺寸10m×10m，网格大小2m×2m；水平网采用镀锌扁铁50×4mm；垂直接地极为50×50×4mm镀锌角钢，长2m，具体连接如图5和图6所示。

图5 排流接地网示意图

图6 排流地床结构示意图

4 直流杂散电流评价分析

4.1 管道直流干扰现场检测数据

采用试片断电法对存在明显直流干扰的管段进行管道通/断电电位的24h连续监测，监测结果表明，管道通电电位均存在明显的波动，其中在SC026-SC051段管道通/断电电位整体呈现负向偏移，在SC061-SC081段管道通/断电电位整体呈现正向偏移，如图7和图8所示。

图7 SC026和SC051处管道通断电位24h变化图

通过图7和图8可以看出，在SC51#测试桩处，管道电位呈现多次较长时间段内的电位负向偏移，最负通电电位达到-1.62V，其最长偏移时间持续约52min，在SC061-SC081段管道电位则呈现正向偏移，有2处管道通电电位正向偏移较大，在SC061#测试桩处，最正通电电位达到0.4V，最正断电电位达到-0.56V，其通电电位的波动幅度为1.35V，最长偏移时间持续约95min，在SC069#测试桩处，最正通电电位0.37V，最正断电电位-0.62V，最长偏移时间持续约115min，表明管道存在明显的直流杂散电流干扰，SC026-SC051段为管道杂散电流干扰的阴极区（流入电流），SC061-SC081段为管道杂散电流干扰的阳极区（流出电流）。

图8 SC061至SC081段3处管道通断电位24h变化图

直流杂散电流的来源一般有直流高压输电（ HVDC）系统、直流牵引运输系统及其他直流系统如直流电解系统、直流电焊系统、管道的外加电流保护系统等。该管道电位的变化趋势类似于直流高压输电（ HVDC）系统接地极放电所引起管道电位的变化[10,11]，即一段时间内管道电位呈现正向或负向的变化趋势。因此本管道干扰源可能为某接地装置工作放电所导致，通过现场调查与资料查阅，该管道附近无直流接地极或其他大型电镀工厂，具体干扰源还需进一步测试分析。

4.2 直流干扰的危害与评价

在5处测试点中，管道通/断电电位明显正向偏移，且在受干扰和未受干扰的时间段内，管道断电电位均不满足-850mV阴保准则，这可能是由于该段管道处于恒电位仪的末端，阴极保护效果逐渐减弱和杂散电流干扰的综合效果所导致。同时在SC061-SC081段管道主要为杂散电流的流出端（阳极区），杂散电流排出点集中在界面电阻小、易放电的局部位置，导致破坏性极强，在长时间段的电流流出下，管道运行短时间内即可导致管线发生腐蚀穿孔[12]。

为进一步明确阴保不达标段与杂散电流流出段管道的腐蚀风险，按照GB/T21246-2020提出在杂散电流干扰的区域需要采用试片法对阴极保护效果及干扰程度进行评判的原则，选取与管道材质相同（X45）的极化试片（试片面积6.5cm2）于SC026#和SC069#测试桩处与管道进行连接后进行了埋设，埋设时间共计6个月。开挖检测结果如图9所示，从图中可以看出，试片均出现了较为严重的腐蚀，在SC026处，试片表面整体呈现絮状的腐蚀结构，腐蚀面为较大创面的均匀腐蚀，腐蚀产物主要为红褐色及少量的黑色沉积物，与基体结合较为松散，判断腐蚀产物绝大部分为铁的氧化物以及含有少量的铁的硫化物[13]；在SC069处，试片表面出现了明显的点蚀，点蚀坑呈现为蜂窝状的散点分布，创面光滑、并伴随有金属光泽，局部腐蚀较为严重，最大的腐蚀坑深度约1.1mm，由此可知，在管道阴极保护不达标且存在直流杂散电流干扰时，管道存在严重的腐蚀风险。因此，按照 GB50991-2014《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。

图9 SC026和SC069处试片腐蚀形貌图

4.3 直流杂散电流干扰治理建议

管道通/断电电位的监测结果表明，本段管道受到不同程度的直流干扰且管道本体存在较为严重的腐蚀风险，为确保管道的运行安全，应进行直流杂散电流排流。直流杂散电流排流有直接排流、极性排流、强制排流和接地排流四种方式。根据本管道受干扰情况调查，基本确定为某接地体装置放电所导致，但未能准确确定干扰源位置，同时管道正向偏移段主要出现在该管道的末端，因此，排流方式建议在管道的末端增设强制排流的方式，给予管道施加阴极保护电流，从而抑制管道电位的正向偏移，降低管道的腐蚀风险。另外，SC061-SC069段为杂散电流流出严重段，在阴保站启用后进行24h电位监测，并根据监测结果对部分不达标段补设镁合金牺牲阳极作为阴极保护补充措施。

5 排流效果评价

5.1 交流排流效果评价

为进一步明确该排流措施的效果，在对SA04和SA015测试桩处采取固态去耦合器加接地网的排流措施后，进行24h管道交流电压的监测，监测结果如图10所示。从图中可以看出，2处排流整改点交流电压较排流前均大幅降低，其中SA04#测试桩处最大交流电压由15.92V降低至4.15V，SA015#测试桩处最大交流电压由17.23V降低至6.59V。同时，排流后最大交流电流密度均小于30A/m2，交流干扰程度均为“弱”，均满足管道交流干扰防护效果评价指标。

图10 SA04和SA015#测试桩处整改后管道交流电压-时间变化图

5.2 直流整改效果评价

为明确在距离SC081#测试桩约1.2km的管道末端新增阴保站后管道沿线阴保电位分布情况和保护范围，初步采用馈电法进行排流效果的模拟试验，在末端恒电位仪开启后（设置预置电位-1.4VCSE），对管道杂散电流流出段SC061-SC081段管道通/断电电位进行24h监测。监测结果表明，该段管道断电电位基本都能达到-850mV的标准要求，仅在SC061#测试桩处仍有部分时间点管道电位处于不达标状态，可能是由于该处干扰较大且距离末站阴保站较远所导致，因此在SC61#测试桩建议进一步采用镁阳极极性排流的方法进行热点保护。