某油田海底管道抗电磁干扰腐蚀研究

胡 江

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

海底管道担负着输送石油、天然气等的重要任务，可以说是海上油田的动脉。通常在海底管道布置时，与海底电缆的最小间距控制在20 m左右，这样可以有效避免电流干扰的影响。但是在一些特殊情况下，海底管、缆的布置间距会比较小。由于交流干扰的作用，管道会感应交流电流，这些感应的交流电流会在管道涂层破损处(或者涂层质量较差的地方)流出管道，从而造成管道涂层破损处的交流腐蚀。根据《埋地钢制管道交流干扰防护技术标准》的要求，采用加拿大CDEGS软件仿真计算线路正常负载运行和接地工况下管道的干扰分布情况，评估对管道腐蚀影响。本文以渤海油田某油气混输海底管道在穿越航道区域与海底电缆交叉并近距离并行布置的情况为例，考虑到电磁干扰可能加速海底管道的腐蚀，为避免此类事情发生，在工程前期进行专题研究。

1 海底管道与海底电缆设计参数

海底管道总长约28.9 km，管材为API5L×65，涂层类型为3LPE。管道埋深，非航道区1.5 m，航道区3.5 m；管道直径，457 mm；管道壁厚，12.7 mm；涂层电阻率，1×105Ω·m2。

海底电缆规格为35 kV/110 kV 三芯海底电缆，其中35 kV电缆额定载流量为422 A，电流不平衡度为4%，单相短路故障电流为0.75 kA；110 kV电缆额定载流量为698 A，电流不平衡度为4%，在航道处单相短路故障电流为7.65 kA，其余位置单相短路故障电流为9.06 kA。海底电缆在海上平台处接地，接地方式为铠装、铅套三相互联接地，接地电阻为0.5 Ω。

海底电缆埋设在海床以下3.5 m，管道在非航道区埋深1.5 m，在航道区埋深3.5 m。在航道区海床以上约有26 m的海水层，非航道区海床以上约有20 m的海水层，海水层电阻率为0.25 Ω·m，海泥层电阻率为1.0～3.5 Ω·m。

福克兰群岛战役中皇家海军大败德国一支舰队，1914年12月，从而剥夺了德国进入世界各贸易中心的权利。不过，双方舰队只有一次大交锋，即1916年5月21日的日德兰海战。此次海战从战术上讲，德国成功地避开了陷阱，取得了胜利。但从战略上讲，英国人才是胜利者。因为他们从开始直到战争结束始终控制着北海，并迫使德国舰队困于本土基地无法出动。

2 稳态运行和故障情况时的交流干扰风险评判指标

当海底电缆发生单相短接时，即35 kV、110 kV海缆内部铅套和缆芯均发生短接。通过电缆发生故障的状况进行模拟计算，包括35 kV海缆起点处、海缆与原有管道开始并行位置、KP0位置(航道起点处)、KP1.085位置(跨接点处)、KP1.5位置(航道拐点第一处)、KP2.0位置(航道拐点第二处)、KP2.996位置(航道终点处)、35 kV、110 kV海缆终点处，海缆单相故障位置示意图如图5所示。

表1 稳态运行下交流干扰风险评价指标

根据前述的数据，建立了跨接点位于KP-7处和跨接点位于KP1.085处2种模型，根据计算结果可知，当跨接点位于KP1.085(航道起点处)时，管道的交流干扰水平更低，建议选择KP1.085处为跨接点(如图3所示)。

表2 故障时避免电弧放电的安全距离

3 建立模型及仿真

根据前期调研及查阅资料，构建跨接点位于KP1.085处的数值模拟计算模型，对海缆常态运行下对管道干扰的影响进行模拟计算。根据构建的计算模型，管道干扰水平出现了3个峰值点和1个低谷点，其中第1个小峰值尖点位于管道与2条电缆初次交汇处，即KP-7处，管道路由约为12 344 m；第二个峰值点位于跨接处，即KP1.085处，管道路由约为20 459 m；低谷点位于航道中点处，即KP1.797处，管道路由约为21 300 m；最高点位于穿越航道后海缆与管道分离处，即KP2.996处，管道路由约为22 412 m。管道的最大交流干扰电压为1.28 V，最大交流电流密度为288.92 A/m2，最小交流电流密度为98 A/m2，管道整体的交流电流密度基本都高于严重交流腐蚀风险所规定的100 A/m2，存在很高的交流腐蚀风险，需要采取相应的防护措施减小干扰。

图1 建模及干扰评估流程图

在故障工况下，考虑海管涂层材料为3LPE，其耐受电压评价指标依据IEE Std 80-2013 《交流变电站接地安全设计导则》(以下简称《导则》)，面电阻率为1×105Ω·m2的涂层，其安全耐受电压为10 kV。故障时避免电弧放电的安全距离见表2，已知35 kV的单相故障电流0.75 kA，110 kV在航道区的单相故障电流7.65 kA，在其余位置处的单相故障电流9.06 kA，电阻率按最保守估计取1 Ω·m。

图2 海底电缆、管道及航道模型图

4 稳态运行时，海缆对管道干扰评估

前期通过收集和调研获得相关资料，并根据所得资料进行建模计算，建模及干扰评估流程图见图1。海底电缆、管道及航道模型图如图2所示，交流干扰位置与电压关系图如图3所示，交流干扰位置与电流关系图如图4所示。跨接点位置于KP1.085处。由于海泥层电阻率是一个范围，因此采取最保守的值1 Ω·m。其中航道处管道与电缆间距约为0.3 m，其余并行段间距约为30 m。

故障工况下，通过构建数值模拟计算模型，获得海底电缆在不同位置发生单相短接时，管道遭受的干扰情况、管道的接触电压及涂层耐受电压数据。根据计算模型显示，管道的接触电压及涂层耐受电压呈现的规律相同，并且数值相差无几，管道遭受的干扰整体呈现先上升再下降，最后上升到峰值，并基本稳定的规律。其中第一个峰值点的位置大约在KP0处，低谷点大约在KP1.8处，最高的峰值点则位于KP2.996。而且当海缆在A位置和H位置发生故障时，管道遭受的干扰水平最大，接触电压与耐受电压最大值为287.85 V；当海缆在KP1.085位置和KP1.5位置发生故障时，管道整体遭受的干扰水平最小，其接触电压与涂层耐受电压最大值为232.78V。整体来看，海缆在KP1.085～KP2.996位置(航道区)发生单相短接故障时，管道遭受的干扰整体小于在其余位置发生单相短接故障时对管道造成的干扰。由此可见，当发生单相短接故障时，管道的接触电压数值较高，存在一定的安全风险。而涂层耐受电压对比规定的安全耐受电压限值，可以判断基本没有涂层击穿的风险。

当海底电缆发生单相接地故障，即海缆内部铅套和缆芯发生短接然后接地时，由于该区域在进出航道的2个位置(即KP1.085和KP2.996)的海缆埋深比较浅(1.5 m)，海缆发生单相接地故障的风险很高，故需要在相应的位置进行单相接地短路故障评估。

图3 交流干扰位置与电压关系图

图4 交流干扰位置与电流关系图

5 单相短接故障时，海缆对管道干扰评估

根据海底管道和海底电缆的实际运行环境，参考BS EN 15280-2013 《应用于阴极保护埋地管道的交流腐蚀可能性评价》(以下简称《评价》)及BS ISO 18086-2015 《金属与合金的腐蚀AC腐蚀的测定保护标准》(以下简称《标准》)，稳态运行下交流干扰风险评价指标如表1所示。

图5 海缆单相故障位置示意图

港口需求与投资能力是有上限的，不同港口城市投资港口的回报也不同，因此，合理确定港口需求、预测投资回报、分析相互竞争的港口城市的投资行为以及应有的均衡状态是必要的。本文分两种投资主体，研究多港口地区的港口投资均衡问题，找出港口企业以自身利润最大化为原则投资和港口城市以城市经济发展为导向投资时的策略空间，分析在两种投资行为下的港口规模的均衡状态。

Kentar Y, Zastrow R, Bradley H, et Al. Prevalence of Upper Extremity Pain in a Population of People with Paraplegia. Spinal Cord, 2018, 56(7): 695-703.

6 单相接地故障时，海缆对管道干扰情况

学生是课本剧的主体，教师却是课本剧的引领者。教师对课本剧的评价可以从学生的表演、剧情的开展、学生的表达、场边情况、道具准备情况多方面对课本剧进行整体分析，让学生从大方向正确理解每一次课本剧的真实情况，从而让学生查缺补漏，在课本剧中全面成长。

故障工况下，通过构建数值模拟计算模型，获得海底电缆在2个位置发生单相接地故障时，管道遭受的干扰情况以及管道的接触电压及涂层耐受电压。结果显示，管道的接触电压及涂层耐受电压呈现的规律相同，并且数值相差无几，管道遭受的干扰整体呈现先上升再下降最后上升到峰值并基本稳定的规律。从图3可以看出，在KP1.085处(即跨接点)发生故障时，对管道的干扰整体高于在KP2.996处(即海缆远离管道点)。其中，在KP1.085位置发生故障的接触电压与涂层耐受电压最大值为271.47 V，而在KP2.996处发生故障的接触电压与涂层耐受电压最大值为250.38 V；另外针对3种工况进行了模拟，其中35 kV单相接地故障对管道产生的干扰远小于110 kV单相接地故障与35 kV、110 kV同时单相接地故障2种工况下对管道产生的干扰，而35 kV、110 kV同时单相接地故障相比于110 kV单相接地故障对管道的干扰更严重；所有工况下管道的峰值处均在KP2.996处产生。单相接地故障电压峰值如表5所示。

表5 单相接地故障电压峰值

7 结束语

通过对35 kV、110 kV海底电缆与附近的管道以及所处环境资料收集，并利用数值模拟软件建立数值模拟计算模型对海底管道进行电磁干扰计算分析。对在不同工况条件下海底电缆对海底管道电磁干扰风险进行评估，重点对穿越段海底管道面临的交流干扰风险进行分析，得到如下结论。

3）出现085故障时，检查EBV控制节点上黄灯。如果稳定或者闪烁，重装程序或者更换EBV；如果断电恢复后红灯仍亮，更换EBV。

1)构建2种不同跨接位置模型，计算分析了35 kV、110 kV 2条电缆在稳态运行条件下对海底管道交流干扰风险。结果显示当跨接点位于KP1.085(航道起点处)时，管道的交流干扰水平比跨接点位于KP-7(海缆与管道初次并行处)时低，建议选择KP1.085处为跨接点。

2)构建模型计算分析了35 kV、110 kV 2条电缆在稳态运行条件下对海底管道交流干扰风险。结果显示，管道在稳态运行时干扰最大点出现在KP2.996，即穿越航道后海缆与管道分离处。根据《评价》和《标准》，在海缆稳态运行下，海底管道全线的交流电流密度均高于30 A/m2，有85%的管线高于100 A/m2，交流腐蚀风险判定为高，需要采取相应的防护措施减小干扰。

3)故障工况下，模拟计算的结果显示最大涂层耐受电压仅为287.85 V，根据《导则》中的规定，涂层面电阻率为1×105Ω·m2时，其涂层耐受电压为10 kV，本项目中，不存在在故障工况下涂层被击穿的风险。