某天然气长输埋地管线长沙段杂散电流干扰检测及排流实践

2022-12-07李德明刘宇翔惠海军郑智勇

材料保护 2022年8期

李德明，郑策，刘宇翔，王钻，惠海军，郑智勇，李志

(1. 国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司，湖南长沙 410199；2. 武汉远西防腐科技有限责任公司，湖北武汉 430040)

0 前言

随着我国能源及交通基础设施建设的快速发展，越来越多的长输埋地钢质管线与高压输电线路、地铁及高速铁路产生交叉或并行，这些大容量用电设施不可避免地会对埋地钢质管线产生不同程度的交直流杂散电流干扰，特别是近年来长输管线行业普遍采用的三层聚烯烃(3PE)防腐层外防腐体系，在提高防腐层绝缘性能及机械强度的同时，当其出现相对较小的缺陷时，由于大阴极小阳极的效应，也导致埋地管线杂散电流干扰危害影响程度加剧，对长输埋地管线的防腐蚀安全及运行造成一定的威胁[1-3]，须采取措施予以防范。

某天然气长输压力管线长沙区域段于2004 年建成投入使用。该段管线长度约80 km，管道埋设深度1.2 m，管线敷设土壤环境以红壤和水稻土为主，该输气管线管径 610 mm，壁厚 7.9 mm，为直缝钢管，管道设计压力 6.3 MPa，运行压力5.0 MPa，管道采用3PE 防腐层与强制电流阴极保护联合防护方式进行保护。该长输管道位于长沙市近郊以东区域，与多条地铁、电气化铁路以及高压输电线路临近、交叉或伴行，特别是新建的轨道交通A线于2021年底开始试运行后，该区域段天然气长输管线受到杂散电流干扰影响，导致CS分输站阴极保护电源恒电位仪电位波动明显，无法采用恒电位模式正常操作保护运行，阴极保护系统的运行受到干扰，对管道的防腐蚀安全造成威胁。

1 管线杂散电流干扰测试分析

对长沙区域段轨道交通A号线两侧共约20 km管道沿线杂散电流干扰源分布进行了调查，见图1，管线沿线杂散电流干扰源测试点位见表1。

表1 管线沿线杂散电流干扰源测试点位

其中地铁轨道交通供电均采用750 V直流轨道供电，高速铁路采用单项工频25 kV交流供电模式。在新建地铁轨道交通A线试运行期间，对与地铁交叉点两侧各约10 km范围的13处测试桩(图1)采用YH - DL2数据记录仪分2批进行了24 h同步测试，测试数据包括管道通断电电位、自然电位及交流干扰电压。测试主要依据AS2832.1[4]，按照24 h监测的阴极保护断电电位满足≤-0.85 V的测试结果占全部测试数据的比例计算断电电位合格率，即：

其中，η为断电电位合格率，%；Un为24 h监测数据中断电电位≤-0.85 V(vs CES)测试值记录数；UT为24 h监测数据断电电位测试值记录总数。

断电电位合格率≥95%为低风险干扰程度。测试时阴极站运行参数为：恒电位模式运行，控制电位为-1 400 mV(vs CSE)，输出电流范围约4～10 A。测试结果见表2及图2、图3。

表2 管道沿线杂散电流干扰数据

根据1号、12号测试桩的测试结果，轨道交通A线交叉两侧的长输管道受到的杂散电流干扰呈现出交直流混合干扰的形式，北端的1～4号测试桩附近管道则受到交流电气化铁路的瞬间交流干扰及地铁的直流杂散电流干扰(图2)，其交流干扰电压呈现出与高铁运行时瞬间冲击以及夜间平稳的波动规律；而与轨道交通A线交叉点相临近的从5号桩起至南端的13号桩处的管道，主要受到临近的交流高压输电线路稳态交流持续干扰以及地铁直流杂散电流干扰(图3)，各测试点管道阴极保护电位均呈现出不同程度的波动状态，断电电位波动幅度范围为189～411 mV(见表2)，且波动周期与地铁运行时间一致，具有明显的平稳期(地铁停运时间0：30～5：00)，为典型的轨道交通动态直流杂散电流干扰，这将导致附近管道阴极站恒电位仪难以控制电位而无法正常工作；同时，共有6处测试点的断电电位波动最大值不满足最小保护电位的要求，其中13号测试点的断电电位合格率不满足AS 2832.1标准要求的断电电位合格率须≥95%的要求。另外，13处测试点中共有10处交流干扰电压最大值>4 V，其中8处交流干扰电流密度值>30 A/m2，按照GB/T 50991“埋地钢质管道直流干扰防护技术标准”和GB/T 50698“埋地钢质管道交流干扰防护技术标准”的评价指标[5，6]，已投运阴极保护系统受到直流杂散电流干扰导致管道不满足最小保护电位要求，且管道交流干扰程度属于中等，因此，应及时采取交直流干扰的防护措施。

2 缓解技术方案的设计

针对本工作中杂散电流干扰特点，设计采用极性强制排流法+负电位接地排流法联合保护方案，其中强制排流法依据GB/T 50991-2014推荐的方法，适当提供阴极保护系统的输出以抑制线路上动态直流杂散电流的干扰，将轨道交通A线与长输燃气管道交叉点附近的CS阴极站恒电位仪由日常运行的控制通电电位从-1 400 mV调节至-1 780 mV，以恒电位法运行；根据GB/T 50698-2011，在与轨道交通A线交叉点两侧共约20 km的13处管道测试桩位置各设计安装1套负电位接地排流保护装置，接地体采用带状锌阳极，主要用于对管道上的交流杂散电流进行排流。

同时，考虑到长输管道阴极保护系统日常维护测试的需要，作为对比，在各排流点位置分别安装1套极性排流器或固态去耦合器(额定隔离电压为0.3 V/-3.0 V)，与锌带接地体共同组成排流装置，用以评估测试3种不同排流方式的排流保护效果。

表3 排流接地体锌带(15.88 mm×22.22 mm)设计长度及接地电阻计算值

3 排流保护效果评价分析

安装排流保护装置后的杂散电流干扰排流保护效果见表4、表5及图4～图9。

表4 3种排流保护条件下对直流杂散电流干扰的缓解效果

表5 3种排流保护条件下对交流杂散电流干扰的缓解效果

图10为3种排流保护方式的交流干扰缓解率分布曲线。分析比较3种排流保护方式的排流保护效果，3种排流保护方法对于交流干扰缓解的差距较明显，其中锌带负电位接地和固态去耦合器的接地排流效果较好，缓解率一般达80%以上，这2种排流方法中均仅有1处测试点的交流干扰电压最大值>4 V，其余测试点的交流干扰电压均<4 V，全部测试点的交流电流密度均<30 A/m2，依据GB/T 21448，交流杂散电流干扰程度属于“弱”；强制极性排流对于交流杂散电流干扰缓解效果较差，13处排流点中仅4处缓解率>50%，8处交流干扰电压>4 V，5处测试点的交流电流密度>30 A/m2，交流干扰程度为“中等”(见表5及图10)。

由于极性排流器通过二极管排放直流干扰电流而没有交流通道，因此其对于交流杂散电流干扰的缓解作用有限，而固态去耦合器的交流通道始终开通，因此具有良好的缓解交流干扰的效果。负电位接地排流则由于其良好的直接接地而对于交流杂散电流排放具有优良的效果。

对于动态直流杂散电流干扰的抑制，3种排流保护方法中负电位接地排流的效果最好(表4)。图11为3种排流保护方式下管道通电电位波动幅度分布曲线。对比各测试点的管道通电电位的波动幅度值，负电位接地排流明显低于极性排流及固态去耦合器接地排流，后二者管道通电电位波动幅度基本相当。

表6为3种排流条件下1号桩断电电位合格率数据。比较3种排流保护条件下对直流杂散电流干扰的缓解程度，发现除个别点外，各测试点管道断电电位合格率均能满足≥95%的要求(AS2832.1-2015)，三者之间由于断电电位波动幅度控制的差异，而导致固态去耦合器接地排流相对于极性排流和负电位接地排流的断电电位合格率略低，且处于交直流混合干扰较强的管段位置甚至出现断电电位合格率<95%的情况。

表6 3种排流条件下1号桩断电电位合格率数据

极性排流、负电位接地排流和固态去耦合器接地排流保护3种模式下，采用数据记录仪及分流器测试了部分代表性的排流点的24 h直流排流量，结果见表7，测试结果表明各测试点直流电流瞬间流入和流出量范围在-3 924～4 000 mA，稳定流出平均值范围约154～2 007 mA，稳定流入平均值范围约-39～-585 mA。测试点中3号、8号及11号测试桩主要为直流杂散电流流入，其余测试点多为直流杂散电流流出。在该区段管线上呈现出一定的直流动态杂散电流分布规律。对比11号桩分别采用3种排流方式条件下的直流排流量测试结果(图12～14)，极性排流完全抑制了直流杂散电流的流入，而另2种排流方式则未能阻止直流电流从锌带接地体的流入。

表7 各排流点直流排流量测试结果

比较3种排流保护方式与强制排流的结合效果，针对本工作中交直流混合干扰的特点，极性排流对交流杂散电流干扰的抑制效果较差，对于动态直流杂散电流干扰的缓解效果尚可，混合交直流干扰时仍显不足，管道电位波动幅度改善不明显，恒电位仪采用恒电位方式操作运行仍不稳定；固态去耦合器对于交流杂散电流的排流效果较好，但对于动态直流杂散电流干扰的排流效果较差，管道电位波动幅度较大，与极性排流器的缓解效果大致相当。负电位接地对于交直流混合干扰的综合抑制效果较好，一方面管道通过直接接地顺畅地排出交流干扰电流，另一方面也可以同时排出直流杂散电流，配合阴极站的恒电位方式控制强制排流时，锌接地体的开路电位为-1 100 mV，有助于管道的总体阴极保护电位保持在一个相对稳定平衡的状况，从而使阴极保护站恒电位仪的输出十分平稳。在此条件下，观察阴极保护站恒电位仪的输出参数如下：-1 783 mV(恒电位模式控制)，输出电流范围0.8～6.7 A，采用数据记录仪24 h实测阴极站汇流点处最小断电电位≤-1.2 V(vs CSE)，管道阴极保护电位符合GB/T 21448要求。负电位接地排流条件下，虽然部分测试点存在动态直流杂散电流的流入，但对动态直流杂散电流干扰的排流效果没有较大的影响，且其优异的交流杂散电流干扰排流效果体现了在交直流混合干扰下的优良的综合效应，虽然采用这种排流方式时由于锌带与管道直接连接会导致难以测试管道上阴极保护断电电位，但通过采用埋地检查片或数据记录仪的方式可以较好地解决该问题。