油气管道交直流混合干扰的监测及分析

2023-08-05李强林钱文振闫茂成李春奇高博文

材料保护 2023年7期

李强林，钱文振，闫茂成，徐姗，李春奇，高博文

(1.山东省天然气管道有限责任公司，山东济南 250000；2.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳 110016；3.国家管网集团北方管道有限责任公司济南输油气分公司，山东济南 250101)

0 前言

近年来，我国经济高速发展，大量的城际高速铁路、城市轨道交通、特高压电力枢纽、风电和光伏发电场等基础设施建成并投入运行，这些基础设施常与埋地油气管道交叉、平行敷设，对油气管道造成的杂散电流干扰问题越来越普遍，由此引发的管体腐蚀及运行安全问题日益突出[1]。进入管道的杂散电流从防腐层破损点处流出，管体局部腐蚀速率极大，数月即可造成穿孔，导致管道泄漏甚至发生爆炸的风险大大提升，对管道运行安全构成严重威胁。目前杂散电流对管线的干扰具有多种干扰源并存以及交流/直流、动态/静态混杂等特点，高绝缘防腐层管道的影响范围广；高电压影响人身和站场设备安全。杂散电流干扰已成为管道腐蚀泄露事故的主要原因，国内外出现了杂散电流干扰导致的安全事故[2，3]。

最常见的杂散电流干扰源为高压输电线路、交流电气化高速铁路和直流电气化牵引系统(如地铁)。这些干扰源通过容性耦合、阻性耦合和感性耦合等方式对管道造成不同类型的电干扰[4，5]。例如，高压交流输电线路通过电流产生交变磁场，对与之平行的管道产生感性耦合干扰[6]；高铁采用交流电接触网-钢轨(大地)方式组成电力牵引供电回路，这种不平衡的供电系统，将对周围产生变化的电场和磁场产生电磁干扰[7]；地铁牵引电流通过运行轨道返回牵引变电所，运行轨道泄漏电流引起周围土壤地电位梯度改变，由大地通过阻性耦合流入或流出金属管道[8]。

相比于国外，我国的油气管道面临的杂散电流干扰问题具有多源性、干扰水平高等特点，而且出现了较多交流混合干扰、动静态混合干扰、甚至交流-直流干扰、静态-动态干扰同时存在的复杂干扰情况。针对这些复杂干扰，监测手段与评估标准等方面都与国外还有较大差距，亟需开展相关研究工作，为复杂干扰防控措施优化提供指导，确保管道的安全可靠运行。

本工作针对与地铁、高铁和高压交流输电线路(HVAC)等多种干扰源相邻或伴行，受杂散电流干扰复杂严重的某原油管道，通过通电电位、断电电位、交流电压等干扰参数的24 h 监测，评估干扰程度，分析了不同干扰源下管道电位的波动情况和干扰的规律。

1 管道概况及现场监测方法

1.1 管道概况

所测试原油管道全长185 km，干线规格为D 508 mm×7.1 mm，材质为L390 螺旋缝埋弧焊钢管，管道采用3PE 外防腐层和强制电流阴极保护联合防护。管道全线设工艺站场4 座，阀室6 座，进出站均设有绝缘接头。

经现场调研，该管道沿线与多条地铁、高铁线路及HVAC 输电线路交叉或并行，受交直流杂散电流干扰严重。如图1 所示，管道沿线干扰源分布密集:管道与青岛地铁8 号线和13 号线、青浙铁路、胶济铁路等4 条电气化铁路及3 条220 kV HVAC 输电线路交叉并行，同时途径多个风电场。

图1 管道沿线地铁、高铁及高压输电线路等干扰源分布示意Fig.1 Distribution of interference sources along the pipeline，metro lines，high-speed railway and high-voltage transmission lines

1.2 监测方法

参照GB/T 21246-2020 标准，对该管道受干扰严重的5～152 号桩154 km 管段进行杂散电流干扰调查和测试。使用Cortalk uDL2 数据记录仪对管道通电电位、断电电位、交流干扰电压、交流电流密度等参数进行24 h 监测。数据记录仪连接管道、饱和铜/硫酸铜参比电极和试片，接线方式如图2 所示。试片材质与管道相同，埋深与管道埋深一致，暴露面朝向管道，试片通过数据记录仪与管道相连，参比电极置于管道上方。交流干扰采用面积1 cm2试片，直流干扰采用面积6.5 cm2试片。数据记录仪电位和电流密度测试采样频率1 Hz。断电电位测试采用通断周期15 s，其中每个周期通电12 s，断电3 s，断电后100 ms 测试断电电位。

图2 数据记录仪进行交直流混合干扰测试接线示意Fig.2 Electrodes connection of data logger for the AC/DC mixed interference measurement

2 直流干扰

2.1 直流干扰监测结果

现场调研发现，管道全线管地电位存在不同程度的动态波动，特别是68～115 号桩管段电位波动较大。以93 号桩为例，其与13 号线地铁线间距6.8 km，监测管道的24 h 电位如图3 所示。可见，管道主要受直流干扰，干扰具有动态波动特征，列车运行期间(6:00～23:00)干扰严重，管地电位呈现动态波动，波动范围达5 V，通电电位最大值2.00 V，最小值-3.03 V，平均值-0.62 V，夜间列车停运时(23:00～6:00)干扰基本消失，管地电位相对平稳，通电电位均值-1.18 V，断电电位均值-0.83 V。干扰时段和城市地铁线路运行时间相吻合，表明这种动态直流干扰源自地铁线路。从图3b 局部放大图可见，列车运行期间管地电位动态波动，电位每8 min 出现上升，而后2 min 下降，管道电位波动与地铁通过时间吻合，2 min 波动较小时对应于地铁到站停车区间，电位波动可能是由于列车的加减速、轨道上列车的数量和位置等因素的影响。

图3 93 号测试桩处管地通电电位、断电电位监测结果Fig.3 Monitoring results of ON-potential and OFF potential of the pipeline at No.93 test pile

2.2 直流干扰规律分析

管道24 h 监测通电电位、断电电位的最大值、最小值和平均值汇总于表1。可见，31～152 号桩管段白天存在动态直流干扰。31～76 号桩约35 km 管段管地电位均值在-1.51～-1.12 V；77～115 号桩约40 km 管段电位均值-0.89～-0.46 V；116～154 号桩约40 km 管段电位均值在-1.17～-0.93 V 间；其中45 号、76 号、89～139 号桩白天断电电位正于-0.85 V(vs CSE)。

表1 管道管地通电电位、断电电位24 h 监测结果Table 1 24 h monitoring results of the pipe /soil potential of the pipeline

图4 为管道白天的通电电位和断电电位。可见，68～115 号桩管道通电电位和断电电位波动剧烈，其中89 号桩和93 号桩波动最大。

图4 列车运行期间管道通电电位、断电电位分布图Fig.4 Distribution of ON potential and OFF potential of the pipeline during the train operation time

夜间地铁停运期间管道通电电位、断电电位如图5所示。可见，一些白天电位正于-0.85 V(vs CSE)的测试点夜间无干扰时断电电位负于-0.85 V(vs CSE)；但45，76，93，105，129，139，152 号桩等7 处即使夜间地铁停运时段断电电位仍不满足GB/T 21448-2017 规定的最小保护电位-0.85 V(vs CSE)要求，管段没有有效阴极保护作用。129 ～ 152 号桩管段夜间通电电位正于-0.85 V(vs CSE)，表明此处除地铁干扰外还存在其他直流干扰。

图5 夜间列车停运时管道全线通电电位、断电电位分布图Fig.5 Distribution of nighttime ON potential and OFF potential along the pipeline during train shutdown

AS 2832.1-2015“Cathodic protection of metals —Pipes and cables”推荐采用断电电位正于-0.85 V 的时间与总测试时间占比评估动态直流干扰。据此分析管道断电电位正于-0.85 V 的时间占比，如图6 所示。可见，该管道有15 处动态直流干扰超出AS 2832.1-2015标准要求。

图6 断电电位偏正于-0.85 V(vs CSE)的时间占比Fig.6 The time percentage of the OFF potential positive to -0.85 V(vs CSE)

管道通电电位白天和夜间的差异由地铁运行引起，防腐层破损点处管道干扰电流流向可通过管道白天通电电位均值减去夜间通电电位均值(即通电电位偏移量)判断:通电电位偏移量为正，说明杂散电流由管道流出进入土壤；通电电位偏移量为负，说明杂散电流由土壤流入管道[9]。图7 为管道沿线通电电位偏移量分布。可见，76～115 号桩管段通电电位偏移量为正值，为杂散电流流出区，偏移量峰值在89～93 号桩位置；68 号桩和129～152 号桩管段通电电位偏移量为负值，为直流杂散电流流入区，偏移量峰值出现在68 号、152 号桩位置。杂散电流流入流出分界点位于68～76号桩和115～129 号桩之间。管道沿线断电电位偏移量(白天断电电位与夜间断电电位的差值)变化与通电电位偏移量类似，也是89 号桩电位偏移量最大。

图7 受干扰管道沿线电位偏移量分布Fig.7 Distribution of the potential offset along the pipeline

3 交流干扰

3.1 交流干扰监测结果

管道在39 号桩处与220 kV HVAC 输电线路相交，附近管道受交流干扰明显，交流电压监测结果示于图8。

图8 39 号测试桩处测得管道交流干扰电压和电流密度波动数据Fig.8 AC interference data of the pipeline tested by test pile of No.39

可见，该测试点受持续的静态交流干扰，干扰电压白天维持在5.0～7.1 V，17 点后逐渐降低，19 点后保持在较低的1.1～2.3 V，从清晨6 点开始又上升；昼间交流电流密度为20～40 A/m2，夜间交流电流密度保持在10 A/m2左右。白天交流干扰较高、夜间干扰较低，干扰规律与乡镇用电量规律吻合[10]。

93 号桩距高铁线路390 m，该处监测的24 h 交流干扰电压和电流密度波动如图9 所示。可见，该处干扰为动态交流干扰，6:00～22:00 交流干扰电压剧烈波动，交流电压波动幅度在0～25 V 间，交流干扰电压最大值为25 V，交流电流密度最大达到31 A/m2；夜间22:00～5:00 交流干扰电压低于1 V，偶尔出现干扰脉冲。由时间局部放大图9b 可见，交流干扰脉冲表现为交流电压和交流电流均快速上升后下降，形成交流电压/电流脉冲，脉冲持续时长15 s～10 min 不等。交流干扰与列车驶过管道测试桩过程相对应，杂散电流通过轨道传导入地面并被埋地管道收集，列车靠近管道时干扰幅值上升，驶离时干扰快速下降，列车经过1 次就出现1 个交流脉冲峰[11，12]。

图9 93 号测试桩管道交流干扰电压和电流密度波动Fig.9 AC interference data of the pipeline at No.93 test pile

3.2 交流干扰规律分析

管道交流干扰电压和交流电流密度24 h 监测结果汇总于表2，管道沿线主要干扰类型示于图10。可见，5～45 号桩管段主要受HVAC 输电线路干扰；45～152号桩管段主要受高铁线路影响，其中45～56 号和105～129 号桩管段同时受HVAC 输电线路和高铁线路干扰。65～105 号桩交流电压较高，均值高于4 V，最大值＞15 V，特别是68 号桩、81 号桩和93 号桩位置，交流电压分别为26，23，25 V。试片交流干扰电流密度结果表明，65 号、68 号、105 号、115 号和152 号桩5 处交流电流密度＞30 A/m2。5～45 号桩管段受高压交流输电线路干扰、高压交流输电线路和电气化铁路混合干扰，但该段管道已埋设排流装置，交流电流密度测量值与计算值均小于30 A/m2。

表2 管道交流干扰24 h 监测结果Table2 24-hour monitoring results of pipeline AC interference

图10 管道沿线不同干扰源类型干扰的分区Fig.10 Zoning diagram of different interference sources along the pipeline

根据管道通、断电电位和交流电压的波动，5～45号桩管段主要受源自高压交流输电线路的交流干扰，交流电压表现为静态交流电压；45～56 号桩管段主要受高压交流输电线路和高铁线路干扰，交流电压为静态交流和动态交流的叠加；56～105 号桩和129～152号桩管段受地铁和高铁线路干扰，管地电位表现为动态直流和动态交流电压的叠加；105～129 号桩管段同时受地铁、高铁线路和高压交流输电线路混合干扰，管地电位表现为动态直流、动态交流和静态交流的叠加。

对于杂散电流干扰问题，应从源头考虑治理措施，减少干扰源电流排放。对直流干扰，可以采用在管段电流流出区埋设牺牲阳极或增加阴极保护站，使干扰电流从阳极或阴极保护站流出；对于交流干扰，通常通过固态去耦合器+排流地床方法进行交流排流，固态去耦合器有“隔直流通交流”作用，可减缓交流干扰对管道的影响；对于交直流混合干扰，可采用埋设牺牲阳极并安装极性排流器方式保护管段。