浅谈长输天然气管道交流杂散电流的防护与治理

2024-01-08延旭博

全面腐蚀控制 2023年12期

延旭博

（河北省天然气有限责任公司，河北石家庄 050000）

0 引言

目前，随着基础设施建设的不断发展，高压输电线路等设施与油气管道的交叉、平行现象越来越普遍，油气管道受到高压输电线路杂散电流干扰已成为常态。围绕交流杂散电流的成因、腐蚀机理、测试及缓解措施等，国内外已开展了大量的研究。但在实际工程中，仍然存在一些亟待解决的问题，如新建电力线路对管道的交流干扰预判、交流干扰的时变特性与其规律研究及干扰缓解的措施优化等。本文结合高压输电线路对天然气管道交流杂散电流干扰的防护和治理中的实际问题进行了探讨，并提出了相关对策。

1 概述

1.1 交流输电线路的电磁特性

高压交流输电线路运行后，由于电流流经导线，将产生强烈的交变电磁场。类似变压器的电磁感应，当管道与输电线路临近、伴行时，会在金属管道产生感应电动势，进而产生交流杂散电流[1]。电力线路中电流（负荷）大小、输电线路与管道距离及伴行长度、管道对地电阻等情况均会影响管道交流杂散电流的强度。

早期管道采用环氧粉末防腐，防腐层容易出现破损点，导致管道对地电阻减小，交流杂散电流在破损点可以向大地排放，在一定程度上降低了交流杂散电流的干扰强度[2]。近年来3PE防腐层的普遍应用，管道对地电阻有了明显提高，管道上交流杂散电流难以排放，且随着与输电线路伴行距离的增加而不断增强。

1.2 交流杂散电流的危害

（1）交流杂散电流通过电化学腐蚀作用危害管道，使管道发生减薄、穿孔等事故。对于处于交流电场中的管道，交流电场下电位的取向将导致阳极的氧化、腐蚀，阴极端的还原反应和产生氢气。这些反应将加速管道表面金属的溶解和离子析出，使管道产生腐蚀、防腐层破坏。特别是在交变电场中，管道表面的行为将变得复杂、难以预测，并可能导致均匀腐蚀和局部腐蚀的发生。国内外案例表明，受交流杂散电流干扰的管道，即使管道断电电位合格，仍然存在腐蚀的发生可能[3]；

（2）管道交流干扰危害人身安全和设备安全。如某管道在实施排流前，管道上交流电压最高达到了80V，远超安全作业电压的要求，对运行管理人员的日常检查、参数测量等都存在安全隐患。美国腐蚀工程师协会NACE要求：管道交流电压不得超过

15V；

（3）危害阴极保护系统设备。频繁变化的交流电流会干扰恒电位仪运行。如某管道临近高铁线路，受其动力交流电的干扰，恒电位仪无法在给定的控制电位的范围内正常输出，启动后即出现报警信息，后经加装抗干扰模块，才得以正常运行。

2 交流杂散电流的预防和治理

2.1 交流干扰的预防

因交流杂散电流干扰主要由电磁感应引起，因此在空间足够的条件下，要避免管道与输电线路的临近，特别是长距离平行方向的伴行。在管道和输电线路不可避免的临近时，应该注意布置管道的方向与高压输电线路的方向尽量垂直，尽量减少两者的伴行距离。

2.2 交流杂散电流的检测

当管道周边存在变电站、交流输电线路、电气化铁路等干扰源，需要对管道受交流干扰的程度进行测试。

（1）通过参比电极和万用表的交流档，当管道可以测得交流电压时，可以初步确定交流干扰的存在；

（2）在已初步确定交流干扰的管段上进行管地交流电位及其分布（包括管地电位按管道里程分布及其随时间变化的分布）的测试，连续测量时间40～60min，必要时，使用udl2等设备进行24h连续测试[4]；

（3）土壤电阻率测试。为了计算交流电流密度，还应该对管道沿线土壤进行电阻率测试，采用温纳四线法，测量从地表到管道埋深的平均土壤电阻率；

（4）对于交流电流密度，除采用计算方法外，还可以埋设与测试桩连接的试片进行直接测试。

2.3 交流杂散电流的治理实例

2.3.1 基本情况

某管道有近60余公里与2条500kV、2条110kV高压交流输电线并行交叉，受交流干扰严重，管道交流电压最高达80V左右。

2.3.2 干扰强度检测

为了掌握管道受交流干扰的强度和分布情况，对管道的99处电位测试桩、10处绝缘接头测试桩、4处固态去耦合器进行测试，共计113处。

经检测，管道有2 9 处交流干扰程度判定为“强”（即超过GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中的交流电流密度的100A/m2限值），如图1所示，应采取交流干扰防护措施。

图1 管道交流电压及电流密度分布图

对于交流干扰较强的位置，进行24小时电位参数监测。如图2所示，某测试桩AD28交流干扰在一天内随时间变化，最大交流干扰电压为36V，最小交流干扰电压为22V。现场实测土壤电阻率为21.35Ω·m，计算得到的最大交流干扰电流密度为230.8A/m2，因此交流干扰程度为强，应采取交流干扰防护措施。

图2 测试桩AD28交流干扰变化曲线

2.3.3 治理措施

基于检测结果，选取了交流干扰较大14处安装固态去耦合器+200m锌带进行排流。

2.3.4 基本情况

排流后，管道交流电压大幅度降低，如图3所示，绝大部分测试桩处交流电流密度低于30A/m2，排流效果良好。

图3 排流前后管道测试桩处交流电流密度图

3 交流干扰预防和治理中的问题

3.1 交流干扰的预测问题

在实际工作，经常遇到电力部门规划新建输电线路，路由与油气管道并行、交差，来函征求油气管道运行企业意见。虽然已知了拟建设电力线路的相关参数、与管道的距离、走向等参数，但是管道运行企业无法根据这些参数得出电力线路是否会对管道产生交流干扰，一般只能根据经验做出大概的判断。此外，尽管新规划的电力输电线路与管道的距离、交叉角度等均是满足相关规范的，但这并不意味着不会对管道产生交流杂散电流干扰。相关的规范大部分是从安全、检修维护便利等需求而提出的输电线路与管道间距的最低要求，因此不能作为电力规划部门不考虑管道交流杂散电流防护措施的理由。当前一些研究人员采用数值模拟仿真计算的方法，计算交流干扰的强度和规律，以此指导和优化管道杂散电流防护措施设计。这种方法经实践验证具有较高的准确度，但是需要大量的现场调研工作[5]。同时，数值模拟仿真的费用较高，且需要较为专业的技术人员进行，该方法对于小型电力工程并不经济。

3.2 交流干扰的变化复杂

从交流干扰形成的机理来说，交流干扰的强度主要与邻近电力线路的负荷有关。当电力线路满负荷较高时，管道交流电压也较高。而要想实现对交流杂散电流的治理，需要准确掌握交流干扰的规律和最高值。但是在实践中这是非常有难度的。电网的负荷波动受到多种因素的影响，包括季节变化、时间变化以及特定事件的发生。例如在夏季，由于农业灌溉用电增加，电网的负荷通常较高；又如在一天之内，电网的负荷也会发生显著的波动。通常情况下，电网的负荷在白天相对较高，因为人们在工作期间使用各种电器设备；而在晚上睡眠时间段，电网负荷会逐渐降低。此外，还存在一些小时级别的峰谷差异，如早晚高峰。

显然，人工测量具有随机性和偶然性，无法全面反映当天的电力负荷情况。即使采用类似udl2的数据记录仪进行24小时测试，也只能反映当天的情况，如果恰巧遇到电力检修或故障，就会对测试数据和结果解读造成误导。

3.3 交流干扰判断准则应用

在GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中，明确提出了管道交流电压在不高于4V时无需采取治理措施；在高于4V时，采用交流电流密度进行评估的方法。但是，在土壤电阻率较低的地区，即使较低的交流电压也可能引起较高的交流电流密度。例如管道途径某养殖场区域，在附近测得交流干扰电压在3.5V左右，但智能测试桩的试片法测得交流杂散电流密度达到了116A/m2，属于强干扰，必须采取防护措施。现场调查发现该区域经常有养殖场排放的污水等，污水中的有机物质以及高浓度的盐类导致土壤电阻率显著降低，实测土壤电阻率在8Ω·m左右，计算得到交流电流密度达到了98A/m2。此类交流杂散电流干扰点如果仅按国标GBT 50698-2011考虑，无需进行排流处理。但多数研究认为应该以电流密度作为判断依据。德国标准DIN 50925提出了交流电流密度为30A/m2的限值作为管道的交流腐蚀是否超标的评价标准[6]。贝克曼等研究人员在其著作《阴极保护手册》中采用了20A/m2的限值[7]。欧洲标准 CEN/TS 15280的相关规定为交流电流密度低于30A/m2可以认为管道免于交流腐蚀[8]。

3.4 交流杂散电流防护措施的经济性

采用固态去耦合器和接地极（如锌带、接地网）排流的方法已较为通用和成熟。显然，接地体规模越大，其与大地的电阻越小，对于交流杂散电流的排流效果也越好，但也会相应增加工程施工、征地和材料费用。为了保证防护措施的有效性和一次成功，在设计中接地体的规模往往富裕量较大，在一定程度上造成了投资浪费。如何综合考虑接地效果、投资、使用寿命，合理进行经济的防护措施设计，当前相关的研究较少，仍然还是困扰管道运行企业的难题。