兰郑长YZ段管道交流干扰防护实践

2021-10-23李军龙代小兵

全面腐蚀控制 2021年9期

李军龙徐雷代小兵

（1. 陕西宇阳石油科技工程有限公司，陕西西安 710018；2. 中石油云南石化有限公司，云南安宁 650300）

0 引言

兰郑长管道YZ段管径为D610mm，管线壁厚（7～9）mm，管道材质X60钢，采取三层PE+强制电流阴极保护的联合防腐措施。YZ段管道沿线地下水丰富，植被较少，土层厚实，土壤类型为砂砾土，平均埋深2.5m，最深6m。750kV高压交流输电线路为干扰源，与兰郑长管道YZ段长距离并行（伴有交叉），并行间距在50～1000m。

根据《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》（GB/T 50698-2011）[1]及国内已有排流工程经验，持续干扰防护常用的接地方式有：直接接地、固态去耦合器接地和负电位接地[2,3]。其中，直接接地具有减轻干扰效果好、简单经济的优点，接地体可采用钢质材料，缺点是漏失阴极保护电流，会对管道的阴极保护产生不利影响，适用于阴极保护站保护范围小的被干扰管道。固态去耦合器接地具有隔直流、通交流、防雷、防故障电流的特性，确保阴极保护效果不受排流接地的影响，启动电压低，额定故障电流及雷电电流排流额定值大，缺点是价格高，断电瞬间，固态去耦合器电容放电，很难捕捉到真正的断电电位。负电位接地在采用锌阳极接地体时，具有向管道提供阴极保护、减轻干扰效果好的优点，但接地体与管道直接连通，使得管道进行瞬间断电测量与评价阴极保护有效性实施困难，倘若受干扰区域管道与强制电流保护段没有电隔离，则测试时影响范围将扩大，有一定的局限性。

1 交流杂散电流的危害

交流干扰形式分为正常运行状态下的持续干扰和电力故障或雷电情况下的瞬间干扰。持续干扰有阻性耦合、电容耦合、感性耦合3种形式[4]。容性耦合发生在管道施工期间，采取临时接地即可避免，因此当管道入地后，强电线路对输油管道只存在一定程度的阻性耦合干扰和感性耦合干扰。

1.1 阻性耦合的产生

阻性耦合主要是发生在管道临近强电线路的接地体，由于故障电流大，几百安培或几千安培通过接地体入地，在其周围形成强大的一个电场，它可能产生电弧击毁管道防腐层，烧穿管壁，损坏跨接线、绝缘装置、恒电位仪及管道上的其他仪器仪表。当高压场强作用在管道防腐层层的破损部位时，便会导致电弧的形成，在足够电流量和长时间流通时便会造成钢管熔化。如果接地体与管道之间的间距不足，可能会直接引起相当于高电流的电弧击穿，而管道外包覆的防腐层又限制了电弧的转移，这样，电弧作用集中在微小的一块面积上，增加了熔化的危险。避免瞬时高压破坏管道设施最有效的方法是增大管道与输电杆塔接地体的距离。

1.2 感性耦合的产生

电流在高压输电线路中流动时，其周围会产生交变磁场，当管道和交流输电线路接近时，交变磁场通过电磁感应，将在管道上产生纵向电动势。由于三相输电线路和管道轴线间距不同，三相输电线路负荷不同，电流不平衡，所产生的磁场不能抵消，就会在附近的管道上感应出纵向电动势。无论输电线路正常运行还是在短路故障状态下，均存在交流线路对管道的感性耦合影响。感应纵电动势的大小主要和管道与输电线路的接近情况、输电线路电流的大小、输电系统的频率、管道防腐层的电阻率、大地电阻率和管道的纵线电阻等有关。

交流输电线路对埋地钢质管道的干扰影响主要有两个方面：一是长期存在着的交流电压的交流腐蚀影响；二是故障状态下瞬间感应电压的危险影响，造成的瞬间高感应电压可能击穿防腐层，击穿绝缘装置，甚至击穿恒电位仪，并对操作人员的人身安全造成威胁。一般认为交流感应电压的存在可引起管道表面的去极化作用，加剧管道腐蚀[5-7]，交流干扰可加速防腐层的老化，引起防腐层的剥离，干扰阴极保护系统的正常运行，使牺牲阳极系统发生极性逆转，降低牺牲阳极的电流效率，致使管道得不到有效的防腐保护。

2 交流干扰判据

《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》（GB/T 50698-2011）提出利用交流电压和交流电流密度结合的准则用于判断管道是否存在交流干扰：

当管道存在不大于4V的持续交流干扰电压时，可不采取交流干扰防护措施；高于4V时，应采用交流电流密度判断交流电流是否引起腐蚀，如果能够测量到交流电压和缺陷面积，可通过下式计算出交流电流密度：

式中：

Jac为交流电流密度计算值，（A/m2）；

Vac为交流电压有效值的平均值，（V）；

ρ 为土壤电阻率，（Ω·m）；

Iac为交流电流，（A）；

S为防腐层漏点面积，（m2）；

d为防腐层漏点直径，取0.0113m（破损点面积在1～3cm2时易发生腐蚀）。

交流干扰的程度表1进行判定。

表1 交流干扰程度的判断指标

当交流干扰程度判定为“强”时，应采取交流干扰防护措施；判定为“中”时，宜采取交流干扰防护措施；判定为“弱”时，可不采取交流干扰防护措施。

3 交流干扰现场测试

管道公司于2019年8月组织检测公司对兰郑长YZ段33个测试桩进行了交流干扰测试，检测数据详如表2所示，干扰曲线详如图1所示。

图1 兰郑长YZ段管道交流干扰曲线

表2 （续）

表2 兰郑长YZ段管道交流干扰测试数据

由表2及图1可知，检测公司对33个测试桩进行了交流干扰测试，共检测出强干扰11处，交流电流密度为103A/m2～294A/m2，中度干扰10处，交流电流密度为35A/m2～64A/m2，弱干扰12处。

对交流干扰的判别，采取以电压先行判别，并综合电流密度指标评估的指导原则。12处“强干扰”应采取交流干扰防护措施，10处“中等干扰”宜采取交流干扰防护措施。结合交流干扰参数测试结果，YZ段管道共设19个排流点。

4 防护系统和排流效果

在所检测的33处位置中，有66%即22处位置存在交流腐蚀风险，为确保管道及人身安全，必须对上述管段采取防护措施以降低管道的受干扰程度。结合现有干扰测试数据，借助CDEGS软件包进行降低交流干扰问题分析设计。

本工程使用带状锌合金阳极（15.88×22.22mm）作接地材料，锌阳极和管道之间串接具有隔直通交功能的固态去耦合器。锌阳极周围填包回填料，回填料为石膏粉75%+膨润土20%+硫酸钠5%（质量分数）的混合物。交流干扰的主要目的是降低管道上的交流电压，主要措施是降低管道的接地电阻，根据排流地床目标接地电阻值计算得到所需锌阳极长度在17～185m之间。