特高压直流入地电流对埋地钢管阴极保护的干扰影响

2023-01-12张文艳

腐蚀与防护 2022年11期

钟雪,张文艳,但涛

(1.西南油气田分公司集输工程技术研究所，成都 610000； 2.西南油气田分公司蜀南气矿，泸州 646000)

在特高压输电系统单极放电情况下，因直流电压、放电时间、接地极放电电流等因素的影响，接地极入地电流对附近埋地钢管和阴极保护系统造成的干扰程度、影响范围、腐蚀风险会有所不同[5-9]。近些年来，国内关于高压/特高压直流输电系统对埋地钢质管道干扰的研究较多[10-15]。程明等[13]在测试±500 kV高压直流输电系统的鱼龙岭接地极对广东省天然气管网一期工程的影响时发现，鱼龙岭接地极单极放电电流为3 000 A时，对一期管网的影响范围大于7 km，管道侧直流电位偏移为-12.5～49 V。张良等[14]开展了800 kV特高压直流入地电流对埋地钢管影响的研究，结果表明特高压直流接地极放电对管道造成了较大的影响：电流流入区域管中最大电流为4.84 A，管地电位最大负向偏移-4 853 mV，最大正向偏移+568 mV，管壁最大腐蚀速率为0.049 mm/a，超过了管道设计控制目标。

本工作以川渝地区某集输管道和共乐接地极为研究对象，通过监测特高压直流接地极单极放电过程中管道阴极保护参数，分析了入地电流对管道阴极保护的干扰范围及影响程度。

1 概述

1.1 管道情况

川渝某集输管道全长110.4 km，采用L485M螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管，外防腐蚀层采用工作温度不超过50 ℃的常温型三层PE。管道沿线耕地以山坡旱地和坡地梯水田为主，区内土壤电阻率在11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蚀性等级以中等腐蚀性为主，强腐蚀性次之，少量基岩地区为弱腐蚀性。

集输管道沿线设置5座截断阀室，管道阴极保护系统包括2#、3#和5#阀室处的3座阴极保护站，120个普通测试桩，18个智能测试桩，47处直流排流设施(远端排流点2处、局部接地锌带排流点45处)；在首站、末站以及距首站38.6 km(35#桩)和86 km(84#桩)处设置有绝缘接头；同时在进、出阀室两侧管道的合适位置(距离阀室50～100 m)各设置一处过电位保护点，各过电位保护点安装了防浪涌保护装置对阀室进行排流保护，防止管道线路上的电涌对阀室内设备的冲击和干扰。

1.2 接地极情况

该管道途经共乐接地极。该接地极为向家坝-上海800 kV特高压直流输电线复龙换流站和宜宾-金华800 kV特高压直流输电线宜宾换流站共用，管道与接地极的最近距离约14.8 km，其位置关系如图1所示。共乐接地极极环采用同心双圆环布置：内环半径为240m，埋深为3.5m，焦碳填充截面为0.6 m×0.6 m；外环半径为315 m，埋深为4 m，焦碳填充截面为0.6 m×0.6 m。共乐接地极设计性能如下：额定电流4 540 A，暂态电流6 045 A(3 s)，最大电流8 500 A(20 min)。

图1 管道与接地极位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of position relationship between pipeline and grounding electrode

2 结果与讨论

2.1 管道阴极保护有效性

共乐接地极放电期间(电流2 900 A)，对管道沿线通电电位/断电电位进行监测，结果如图2所示。由图2可知：在共乐接地极放电期间，管道87#桩断电电位最正,为-0.556 V，35#桩上游位置断电电位最负,为-1.168 V；管道断电电位正于-0.85 V即极化电位不达标的测试桩共有11处，分别为20#、50#、52#、62#、65#、78#、82#、83#、84#上游、84#下游、87#；靠近接地极最近的测试桩电位正向移动，入地电流由近端流出管道，判断此次接地极放电为阴极放电。

图2 共乐接地极放电期间管道沿线电位分布Fig.2 Potential distribution along the pipeline during discharge of Gongle ground electrode

2.2 管道电位偏移

2处绝缘接头将管道分成3段，共乐接地极放电期间每段绝缘管道都存在电流流入、流出管段。在共乐接地极放电期间(电流2 900 A)，在各测试桩处对管道通电电位/断电电位进行连续监测，管道沿线电位偏移量及不同时刻管道通电电位分布如图3、4所示。

图3 共乐接地极放电期间管道沿线电位偏移量Fig.3 Potential offset along the pipeline during discharge of Gongle ground electrode

图4 共乐接地极放电期间不同时刻管道通电电位分布Fig.4 Pipeline power-on potential distribution at different time during discharge of Gongle ground electrode

结果表明：在首站至35#桩、35#桩至48#桩、72#桩至84#桩、87#桩至末站，管道电位负向偏移，这些管段为本次放电期间的阴极区，接地极放电形成的杂散电流由此区域流入管道，管道表面无腐蚀风险；在50#桩至72#桩、84#桩至87#桩，管道电位正向偏移，这些管段为本次放电期间的阳极区，杂散电流由此区域流出管道，管道表面漏损点位置有腐蚀风险；在管道阴极区，管道通电电位最负达到-3 347 mV，负向偏移量为2 332 mV；在管道阳极区，管道通电电位最正达到+189 mV，正向偏移量为1 381 mV；电位负向偏移管段长度约79 km，电位正向偏移管段长度约28 km，接地极放电对管道全线均造成了干扰影响。

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2.3 绝缘接头两侧电位

绝缘接头作为线路阴极保护系统的防护措施，实现线路分段绝缘：在首站至35#桩，35#桩至84#桩，84#桩至末站。对35#桩处绝缘接头上下游管道电位进行分析，如图5所示。

由图5可知：在1∶17左右，绝缘接头两侧电位出现分化，呈相反趋势，1∶25-1∶57两侧电位差值达到极值，巨大的电位差导致此处绝缘接头腐蚀风险较高；此次接地极放电干扰影响时间为1∶17-1∶57，管道受到约40 min持续放电干扰，放电结束后管道电位基本恢复至干扰前水平。

图5 不同时刻35号桩上下游管道通电电位Fig.5 Power-on potentials of pipeline before and behind 35# pile at different time

2.4 锌带排流量

线路上共设置28处锌带，其中21处锌带与管道未连接，放电前通过管道阴极保护测试发现41#和61#测试桩处锌带开路电位分别为-0.99 V和-0.94 V；放电期间对5处锌带进行了排流量监测，分析锌带排流效果，监测结果见表1。

表1 共乐接地极放电期间锌带排流量Tab.1 Current drainage through zinc belts during discharge of Gongle ground electrode

结果表明：共乐接地极放电时，通过锌带流入流出的电流量明显增大，锌带能起到良好的排流作用；但接地极放电量较大时，由于锌带自身排流的局限性，无法完全抑制干扰。

2.5 恒电位仪输出电流

由图6可见：共乐接地极放电前，3台恒电位仪输出电流平稳；此次接地极为阴极放电，干扰电流从管道远端流入近端流出，为抑制杂散电流干扰，靠近接地极的2#和3#阀室处阴极保护站的恒电位仪输出电流增大，2#阀室处恒电位仪输出电流由0.8 A增大至5.2 A；3#阀室处恒电位仪输出电流由3.2 A增大至7.3 A后，由于无法抵抗外部干扰，电位仪出现故障，自动启动保护功能，无法正常工作，接地极放电结束后，依旧处于故障状态；5#阀室处管道两端电位负向偏移，恒电位仪输出降低，由1.2 A降低至0.1 A；在接地极放电结束后，2#和5#阀室处恒电位仪输出电流瞬间恢复至正常状态，对杂散电流干扰响应迅速，自动调整时间基本无迟滞现象。