永唐秦输气管道交流干扰腐蚀及防控研究

胡善炜 李 磊 梅 安 李祥琦 孙大明 孟祥岩

国家管网集团北京管道有限公司, 河北 秦皇岛 066000

0 前言

近年来,随着中国经济的持续迅速增长,各行业对石油、天然气等能源的需求日益增加,能源结构的调整使埋地油气长输管道的铺设量显著增加[1]。由于受空间、地理环境限制,高压交流输电线路和交流电气化铁路与油气管道接近并行或交叉跨越的情况经常出现,在局部区域形成了所谓的“公共走廊”[2],导致埋地管道出现交流干扰问题。在较高的交流干扰电压和交流干扰电流密度长期持续作用下,管道会发生交流腐蚀甚至穿孔[3-6],严重威胁管道的安全运行,个别地区的长期交流干扰还会造成管道沿线站场和阀室绝缘件烧蚀,产生燃烧爆炸的风险,对管道的安全运行造成危害[7-8]。交流干扰问题以及如何有效缓解管道交流干扰是油气储运实际生产中亟待解决的问题[9-11]。交流干扰主要来源于交流输配电线路系统和交流电气化铁路在相邻的管道或金属体中产生交流杂散电流[12-13]。

永唐秦输气管道全长312 km,管径1 016 mm,采用X70钢,管道壁厚17.5 mm、21 mm、26.2 mm,设计压力10 MPa。该管道采用外加电流阴极保护和外防腐涂层联合方式进行腐蚀防护,外防腐涂层采用3LPE防腐层。该管道与高压交流输电线路存在多处平行或交叉,造成了管道出现较高、长期持续的交流干扰影响,主要以感性耦合干扰为主。交流干扰排流措施可分为直接排流、负电位排流和隔直排流三种[14-16]。在安装排流器之前,永唐秦输气管道唐山—秦皇岛段交流干扰基本超过15 V,前期已安装40个固态去耦合器进行交流排流,但仍有个别地区交流干扰在 30 V 以上。本文以永唐秦输气管道YQP-928至YQP-1120为例,测试了不同位置处电流密度、腐蚀速率等参数,分析了不同干扰因素对管道交流干扰的影响规律,基于实际管道分布位置及参数、高压输电线路参数等基础数据,建立符合现场实际的交流干扰模型,并结合现场杂散电流干扰检测情况检验模型的准确性,按照现行标准中相关的腐蚀限值和安全要求判断管道排流缓解效果,为后续在役管道排流设施效果检验及新建管道交流干扰防护设计提供借鉴。

1 现场测试试验及模拟方法

1.1 现场测试方法

1.1.1 土壤电阻率测试

基于四极法,采用接地电阻测量仪测试管道沿线土壤电阻率,将测量仪4个电极以等间距布置,土壤电阻率按式(1)[17]计算:

ρ=2πaR

(1)

1.1.2 交流干扰电位测试

测试时使用钢棒电极,插入土壤深度大于 100 mm,与管道之间的距离大于10 m,并将数字万用表调至交流档进行读数。

1.1.3 阴极保护通/断电电位测试

采用与被测管道相同材质(X70钢)、裸露面积 6.5 cm2的试片模拟管道防腐层缺陷,试片背面焊接导线用环氧树脂进行封装,将未封装面打磨至光亮。将试片埋于管道上方,通过测试桩与管道相连,见图1。试片充分极化后,设置中断器通断频率并启用瞬时电位记录仪记录数据,读取通/断电电位。

图1 通/断电电位测试连线示意图

1.1.4 管道交流电流密度和直流电流密度的测定

采用与被测管道相同材质(X70钢)、裸露面积 1 cm2的试片模拟管道防腐层缺陷,将试片埋于管道上方,通过管道连接线与管道相连,并在试片与管道之间串联标准电阻(1 Ω)。试片充分极化后,测试标准电阻两端的交流电压和直流电压,连线见图2。电压除以标准电阻的阻值和试片面积即为当前条件下流入管道的电流密度,按式(2)计算:

图2 电流密度测试连线图

(2)

1.1.5 腐蚀速率测试

选取典型地区,埋设与管道连接的模拟不同防腐层破损面积的试片以及自腐蚀试样。12个月后取出,进行三维腐蚀形貌测试及腐蚀速率计算。

腐蚀速率测试使用失重法,即采用单位时间内单位面积上的重量变化表征平均腐蚀速率。

(3)

将失重法表示的腐蚀速率换算为腐蚀深度表示的平均腐蚀速率。

(4)

1.2 模拟方法

1.2.1 理论基础

使用数值模拟技术建立管道交流干扰模型,旨在预测管道交流干扰电位的分布以及排流措施的效果[18-21]。这一研究的工程理论基础是麦克斯韦方程组,该方程组以积分或微积分形式描述了电磁场的行为。在数值模拟中,采用矩量法对麦克斯韦方程组进行求解,通过给定边界条件,求解整个系统的电磁场分布[22]。

(5)

在边界条件已知的情况下可以确定麦克斯韦方程组的唯一解,2种不同介质的界面上存在以下3组边界条件[22]。

1)磁介质界面上的边界条件。由高斯定理式(6)可以推导出磁感应强度法向分量连续性条件式(7)[22]。

(6)

n(B2-B1)=0或B=B

(7)

由安培环路定理式(8)可以推导出磁场强度切向分量连续性条件式(9)[22]。

(8)

n(H2-H1)=0或H=H

(9)

2)电介质界面上的边界条件。若电介质界面上没有自由电荷,电位连续性条件如下。

n(D2-D1)=0或D=D

(10)

由环路定理式(11),可以推导出电场强度切向分量连续性条件式(12)。

∮E·dl=0

(11)

n(E2-E1)=0或E=E

(12)

3)导体界面上的边界条件。导体表面一般会有自由电荷积累,那么电位移矢量法线分量的边界条件[22]如式(13)。

n(D2-D1)=0或D-D=σ

(13)

通过采用矩量法,将干扰系统进行离散化处理,并进行迭代数值计算,以获取在特定目标边界条件下麦克斯韦方程的数值解。这一过程可获得整个系统的电磁场分布,进而可以用于计算高压输电线路对管道的电磁干扰。

1.2.2 不同因素对管道干扰的影响

高压输电线路对邻近管道的电磁干扰,主要受高压交流输电线路与管道的特性参数及其相对位置关系和周围环境参数等影响,但并非所有参数都是决定高压交流输电线路对埋地管道干扰电压大小的重要因素。比较各因素对管道交流干扰的影响规律,为以后工程建设及室内实验研究提供依据。根据现场调研所得信息,分别模拟了不同管道特性、高压交流输电线路特性以及土壤特性等参数对管道的交流干扰影响情况。其中管道外径Φ457 mm、Φ508 mm、Φ559 mm、Φ610 mm、Φ813 mm、Φ1 219 mm,壁厚选择了7.0 mm、7.9 mm、9.5 mm、11 mm、12.5 mm,管道防腐层绝缘电阻率选取范围0.1～107kΩ·m2,高压交流输电线路运行电流选取范围800～2 000 A,土壤电阻率选取范围20～800 Ω·m。

1.2.3 现场管道交流干扰模拟

为有效评估永唐秦输气管道受交流干扰状况,建立了符合现场实际的交流干扰模型,模拟高压交流输电线路对埋地管道产生的电磁干扰。

通过现场调研及GPS定位,形成管道与高压交流输电线路相对位置,永唐秦输气管道与邻近3条220 kV(天肖线、天平一线、天平二线)和4条500 kV(天乐一线、天乐二线、高天二线、高天三线)高压交流输电线路存在并行与交叉,并行段长度约33.3 km,并行间距为10～500 m,交叉点13处,位于YQP-1073、YQP-1074、YQP-1078、YQP-1100、YQP-1101和YQP-1115附近。建模所需高压交流输电线路电压等级及与管道位置关系信息见表1,建模所需220 kV和500 kV高压交流输电线路的塔型见图3,220 kV和500 kV高压交流输电线路导/地线型号及相关参数见表2。

表1 高压交流输电线路信息表

表2 高压线路导/地线型号及参数表

a)220 kV高压交流输电线路

由于管道交流干扰基本超过美国国际腐蚀工程师协会规定的15 V安全电压规范,安装排流器排流共8处,分布在YQP-1072、YQP-1078、YQP-1096、YQP-1097、YQP-1103、YQP-1112、YQP-1113和YQP-1118附近。排流点土壤电阻率、固态去耦合器参数、接地电阻等相应建模过程所需参数见表3。

表3 管道交流干扰排流站信息表

由于土壤电阻率差异较大,将管线按照不同土壤电阻率划分为12个区域,每一区域内土壤电阻率相同。测量管道沿线垂直方向的土壤电阻率和与高压输电线路的相对高程变化,各区域垂直分层土壤电阻率及管道埋深见表4。

表4 各区域垂直分层土壤电阻率及管道埋深表

依据搜集到的周边高压输电线路信息、管道参数、排流设施参数、管道与高压输电线路的三维相对位置关系和管道沿线三维土壤参数等基础数据,建立了三维交流干扰模型。为了获得更好的计算精度,将每一区域进行分段,1段表示高压交流输电线的1个档距,每段架空地线的分路阻抗为高压交流输电线路的杆塔接地阻抗,以此建立符合现场实际地形的三维交流干扰模型。

2 结果与讨论

2.1 现场测试结果

模拟不同面积防腐层破损的试样自腐蚀试样平均腐蚀速率和最大点蚀速率见表5,试片埋设处测试参数及模拟防腐层破损试样点蚀速率见表6。

表5 自腐蚀试样平均腐蚀速率和最大点蚀速率表

表6 试片埋设处测试参数及模拟防腐层破损试样点蚀速率表

由表5～6可知,YQP-1074通电电位为-1.31 V,断电电位为-1.19 V,管道阴极保护断电电位位于-850～-1 200 mV,管道处于受保护状态,自腐蚀试样最大点蚀速率为 0.281 mm/a,模拟防腐层破损试样最大点蚀速率为0.068 mm/a,未加阴极保护的自腐蚀试样最大点蚀速率远大于模拟防腐层破损试样的最大点蚀速率。YQP-1077的断电电位为-0.95 V,管道处于受保护状态,自腐蚀试样最大点蚀速率为0.234 mm/a,模拟防腐层破损试样的最大点蚀速率为0.074 mm/a。由此可见,阴极保护可以为管道提供良好的保护,大幅度降低腐蚀速率。交流电流密度计算值与实测值存在较大差异,是由于计算时采用周围土壤的平均电阻率,可能由于与管道表面的土壤特性差异,导致扩散电阻变化而存在差异,在实际评价中以测试值为准。

2.2 不同因素对管道交流干扰的影响规律

2.2.1 管道特性参数的影响

通过模拟得到,随着管道外径增大,最大防腐层电压及感应电势略有减小;壁厚对最大防腐层电压与管道感应电势基本无影响。管道外径和壁厚对管道所受稳态干扰电压影响非常小。

随着防腐层电阻率增大,管道感应电势明显增大,但当防腐层电阻率增大到一定程度时,管道感应电势与纵向电流变化不大。

2.2.2 输电线路参数对干扰电压的影响

管径 1 016 mm,壁厚17.5 mm,土壤电阻率60 Ω·m,当高压交流输电线路运行电流在800～2 000 A变化时,最大管道感应电势从7.0 V增加到17.5 V,最大纵向电流从1.7 A增加到4.2 A,高压交流输电线路稳态运行电流严重影响管道所受稳态干扰电压。随着高压交流输电线路运行电流增大,管道感应电势与最大纵向电流均增大。

考虑到永唐秦输气管道周围土壤电阻率条件,当土壤电阻率在20～800 Ω·m变化时,最大管道感应电势从10.2 V增加到22.4 V,最大纵向电流从2.4 A增加到5.1 A,土壤电阻率越大,最大防腐层电压、管道感应电势先迅速增大,后缓慢增大趋于平稳。

2.2.3 输电线路与管道并行接近参数的影响

由于永唐秦输气管道沿线地势高低起伏,高压交流输电线路密布,管道与高压交流输电线路分布关系复杂,并行长度各异。当输电线路与管道并行长度在0.1～100 km变化时,随着与高压输电线路并行长度的增加,管道感应电势最大值先从0.7 V逐渐增加到45.3 V,随后略有减小,最终维持在41.5 V不变。在实际管道设计中,要尽可能减小管道与高压输电线路并行长度。

2.3 永唐秦输气管道交流干扰模拟验证

模拟得到采取排流措施后管道沿线的交流干扰电位分布,并将现场杂散电流干扰检测值与模拟结果进行对比验证,见图4。

图4 模拟值与实测值对比图

由图4可知,模拟所得管道沿线干扰电位值及其变化趋势与现场实测较接近,所建的三维交流干扰模型与现场实际情况具有良好的一致性,可以有效评估管道受交流干扰状况。结合不同因素对管道干扰的影响结果,实际模拟中要确保高压输电线路稳态运行电流、土壤电阻率分布以及高压输电线路与管道间并行接近参数与现场实际情况一致。

在三维交流干扰模型基础上,结合国内外相关标准规范CEN/TS 15280—2006Evaluation of a.c.corrosion likelihood of buried pipelines-Application to cathodically protected pipelines(以下简称CEN/TS 15280—2006)、GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》(以下简称GB/T 50698—2011)、GB/T 40377—2021《金属和合金的腐蚀 交流腐蚀的测定 防护准则》(以下简称GB/T 40377—2021)对管道排流缓解效果进行评价,评价依据的参数见表7,评价结果见表8。根据CEN/TS 15280—2006判断YQP-1074、YQP-1077、YQP-1090、YQP-1103、YQP-1105处发生交流腐蚀的可能性为中,YQP-1113处发生交流腐蚀的可能性为高;结合现场实际杂散电流检测情况,根据GB/T 50698—2011、GB/T 40377—2021和交流腐蚀速率判断各位置交流干扰程度均处于可接受范围内,因此现有排流设施的缓解效果可以满足现行标准相关的腐蚀限值和安全要求。

表7 评价依据的参数表

表8 交流干扰评价结果表

3 结论

1)管道外径和壁厚对管道所受稳态干扰电压影响非常小;随着防腐层电阻率增大,但当防腐层电阻率增大到一定程度时,管道上的感应电势与纵向电流变化不大,随着输电线路运行电流增大,管道感应电势与最大纵向电流均增大;土壤电阻率越大,最大防腐层电压、管道感应电势先迅速增大后趋于平稳;随着与输电线路并行长度的增加,管道上感应电势最大值先增大后略有减小。

2)根据埋地管道、高压交流输电线路、周边环境及排流设施等现场详细调研资料建立了三维交流干扰模型,模拟结果与现场实际具有良好的一致性,可以有效评估管道受交流干扰状况,为后续在役管道排流设施效果检验及新建管道交流干扰防护设计提供借鉴。

3)结合相关国内外标准规范,综合交流干扰电压、交流电流密度和交/直流电流密度比对埋地管道的排流缓解效果进行评价,结果表明管道沿线交流干扰程度处于可接受范围中相关的腐蚀限值和安全要求,现有排流设施排流效果较好,可以满足现行标准要求。