葉青

中國(guó)石化銷售有限公司華中分公司

摘要：隨著能源交通基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，土壤電磁環(huán)境日益惡化，埋地金屬管道交流干擾問題日益突出。介紹了目前國(guó)內(nèi)外交流干擾緩解技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，以安亳成品油管道為例分析了交流干擾緩解工程，展望了交流干擾治理發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：交流干擾；緩解技術(shù)；安亳成品油管道

油氣管道與電力線路、電氣化鐵路等線性工程常常共用一條走廊，因此對(duì)管道產(chǎn)生了交流干擾，甚至造成管道腐蝕穿孔（即交流腐蝕）[1-3]，嚴(yán)重威脅管道及其相關(guān)設(shè)備的安全。

針對(duì)交流干擾問題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究仍難以確定統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和合理有效的緩解方案[4-5]。

1 交流干擾危害及緩解防護(hù)目標(biāo)

1.1 人身安全危害

穩(wěn)態(tài)交流干擾危害，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中人身安全電壓的限值見表 1 [6] 。其中美國(guó)NACE標(biāo)準(zhǔn)考慮比較全面，而且一般情況下15 V的穩(wěn)態(tài)安全電壓容易緩解達(dá)到，因此推薦使用。特殊情況下，可設(shè)置防觸碰裝置或均壓墊等措施進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

暫態(tài)交流干擾情況下，由于出現(xiàn)概率低而且持續(xù)時(shí)間較短（一般小于0.1 s），主要考慮的是保護(hù)生命安全不引起心室顫動(dòng)的安全限值�？蓞⒄瘴覈�(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》計(jì)算即可。

1.2 管道損傷

穩(wěn)態(tài)的交流干擾可能導(dǎo)致管道發(fā)生交流腐蝕。目前，對(duì)于交流腐蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)國(guó)際上尚未統(tǒng)一。GB/T 50698―2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》吸取了歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4 V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)交流電流密度在30 A/m2以下時(shí)，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較弱（表 2）。

暫態(tài)交流干擾下管道上會(huì)產(chǎn)生很高的交流電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿管道涂層。Dabkowski[7]給出了各種不同涂層的安全耐受電壓(表 3)。

2 交流干擾緩解技術(shù)的發(fā)展

2.1緩解設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)主要針對(duì)單點(diǎn)排流，采用幅值處緩解方針，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和檢測(cè)結(jié)果，初步確定緩解方式和地床大小，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)模擬緩解試驗(yàn)確定緩解點(diǎn)和緩解量。對(duì)于不具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的地段，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）和（2）計(jì)算緩解量和緩解線長(zhǎng)度。對(duì)于穩(wěn)態(tài)交流干擾而言，緩解效果主要依賴于緩解地床的接地電阻[8]。由于緩解的本質(zhì)基于平均管地電位差，所以一味地增加緩解線長(zhǎng)度以期降低接地電阻從而達(dá)到更好的緩解效果是不現(xiàn)實(shí)的。有學(xué)者提出存在緩解線長(zhǎng)度極值，當(dāng)緩解線長(zhǎng)度大于該值時(shí)，增加緩解線長(zhǎng)度并不能再有效地降低管道交流干擾電壓，該長(zhǎng)度極值可根據(jù)公式（3）大致確定[9]。傳統(tǒng)方法操作簡(jiǎn)單，適用于干擾程度和范圍較小的情況，是一種單點(diǎn)設(shè)計(jì)法，無法對(duì)管道全線進(jìn)行綜合考慮，存在一定的局限性。

數(shù)值模擬（也稱計(jì)算機(jī)仿真模擬）設(shè)計(jì)法是近年來興起的管道交流干擾主流設(shè)計(jì)方法[10-11]。利用數(shù)值模擬軟件對(duì)“公共走廊”內(nèi)管道和高壓輸電線路進(jìn)行整體建模，通過麥克斯韋方程計(jì)算區(qū)域內(nèi)電學(xué)參量分布情況。數(shù)值模擬綜合設(shè)計(jì)法適用范圍廣，可針對(duì)各種干擾狀況設(shè)計(jì)不同的緩解方案，參考價(jià)值較高。但需要大量的干擾源、被干擾物、土壤及地理信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，工作量大，且目前主要集中于處理穩(wěn)態(tài)交流干擾，對(duì)于高速鐵路等引起的暫態(tài)高頻率交流干擾還未建立有效的計(jì)算模型和模塊，有待進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

在目前的技術(shù)水平下，為得到經(jīng)濟(jì)有效的緩解方案，應(yīng)綜合考慮傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬綜合設(shè)計(jì)兩種方法。首先根據(jù)單點(diǎn)法確定所需的緩解線長(zhǎng)度，再利用數(shù)值模擬軟件對(duì)其進(jìn)行修正和調(diào)整，從而達(dá)到事半功倍的效果。

2.2 緩解防護(hù)技術(shù)發(fā)展

為防止埋地管道受到交流干擾，最有效的辦法就是盡可能的增大管道與干擾源的距離。GB/T 21447－2008《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》中給出在路徑受限地區(qū)，220 kV、330 kV、500 kV高壓輸電等級(jí)時(shí)埋地管道與桿塔接地極的水平距離應(yīng)分別不小于5.0 m、6.0 m和7.5 m；CAN/CSA-C22.3 NO.6-M91《管道與電力供應(yīng)線之間協(xié)調(diào)性原則及作法》建議管道與桿塔接地體之間的距離應(yīng)大于10 m；Dawalibi等[12]則認(rèn)為埋地管道的安全距離應(yīng)不小于300 m。這些間距設(shè)定的出發(fā)點(diǎn)主要是考慮故障情況下電弧放電對(duì)管道防腐層以及人觸電的危害。而對(duì)于電磁感應(yīng)干擾，GB/T 50698－2011中規(guī)定當(dāng)管道與高壓交流輸電線路、交流電氣化鐵路的間隔距離大于1 000 m時(shí)，不需要進(jìn)行干擾調(diào)查測(cè)試。

實(shí)際情況下很難使管道與干擾源保持足夠的安全距離，可采用集中接地、梯度控制墊、絕緣接頭和緩解線等方法實(shí)施緩解。其中，緩解線+固態(tài)直流去耦合器是目前最主要的交流干擾緩解措施。該方法通過沿埋地管道近距離鋪設(shè)裸露的導(dǎo)體帶或者地床，并通過固態(tài)直流去耦合器將緩解線策略性的與管道電連接，可有效的平均管道電位和地電位，降低管地電位差。目前，該方法在西氣東輸、蘭鄭長(zhǎng)成品油、川氣東送、安亳成品油、洛駐成品油等管道上得到了很好的應(yīng)用。其中，陜京三線采用該方法后全線交流干擾緩解率為65%[13]；北京燃?xì)獯胃邏汗芫�阜石路段實(shí)施排流后，平均緩解率達(dá)到72%，效果明顯。

3 安亳成品油管道交流干擾緩解工程

3.1 交流干擾情況

安亳成品油管道淮南―蚌埠段分別與220 kV洛爐線、500 kV懷店線、500 kV懷孔線、220 kV洛燕線、220 kV田秦線、500 kV懷蕪I/II線、高速鐵路軌道和通訊信號(hào)發(fā)射塔存在并行或交叉穿越，“公共走廊”長(zhǎng)度達(dá)27 km。

3.2現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)試

對(duì)淮南―蚌埠管線0～43 km里程管段開展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)試，內(nèi)容包括：輸電線路塔腳與管道距離、交流干擾電壓、交流電流密度（根據(jù)GB/T 50698-2011中提供的公式和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得土壤電阻率計(jì)算得到）。結(jié)果顯示公共走廊區(qū)內(nèi)輸電線路塔腳與管道距離滿足7.5 m的安全距離，電弧燒蝕風(fēng)險(xiǎn)較小。其他測(cè)試結(jié)果如圖 1所示，管道沿線交流干擾風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的區(qū)域可達(dá)31 km，最大干擾電壓為22.1 V，位于28 km處，大部分受干擾區(qū)域交流電流密度大于100 A/m2，受到強(qiáng)交流雜散電流干擾，最大干擾位于23 km+897 m處，交流電流密度高達(dá)488.07 A/m2。

圖 1  管道沿線交流干擾電壓和交流電流密度分布

使用ER腐蝕探頭對(duì)強(qiáng)交流干擾下管道腐蝕速率進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2個(gè)月，將ER腐蝕探頭取出后，發(fā)現(xiàn)探頭存在較為嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象（圖 2）。采用DDC-II型點(diǎn)腐蝕探測(cè)儀對(duì)探頭表面3個(gè)位置處的局部腐蝕速率進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表 4，遠(yuǎn)超ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的10 μm/a限值。管道交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高，亟需對(duì)其進(jìn)行緩解。此外，通過ER探頭測(cè)試結(jié)果可知試片的平均腐蝕速率為360 μm/a，這相當(dāng)于0.31 A/m2的直流電流的腐蝕量。而此處的交流電流密度為488.07 A/m2，表明約0.06%的交流電流密度產(chǎn)生了腐蝕。

圖 2  探頭表面腐蝕（清洗后）

3.3 緩解防護(hù)措施及效果

采用目前國(guó)際上主流的緩解線+固態(tài)直流去耦合器方式進(jìn)行緩解。緩解目標(biāo)采用GB/T 50698－2011要求，結(jié)合受干擾區(qū)域土壤電阻率分布情況，選用“管線沿線交流干擾電壓低于4 V”作為緩解目標(biāo)。

采用“現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)+傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)+數(shù)值模擬綜合設(shè)計(jì)”方式對(duì)該管線交流干擾進(jìn)行緩解設(shè)計(jì)，根據(jù)公式（1）和（2），以交流干擾電壓最高的22.1 V作為首要緩解對(duì)象，初步計(jì)算得到需要60 m長(zhǎng)鍍鋅扁鋼，再利用數(shù)值模擬軟件對(duì)管道全線進(jìn)行建模，對(duì)初步計(jì)算得到的緩解方案進(jìn)行校核比對(duì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，最終確定采用“40 m鍍鋅扁鋼+40 m鍍鋅角鋼”的“水平接地極+垂直接地極”的方式進(jìn)行緩解，緩解地床安裝位置分別位于：005 km、012 km+089 m、016 km+823 m、019 km、022 km+735m、024 km+389m、027 km、030 km+168 m、033 km+064 m、036 km、038 km、044 km+221m、008 km+677 m、010 km+828 m、024 km+907 m、028 km+640 m、029 km+206 m，共17處，緩解地床通過Rustrol固態(tài)直流去耦合器連接至管道。

對(duì)緩解后管道沿線的交流干擾狀況檢測(cè)結(jié)果(圖 3)可知，實(shí)施緩解后，管道沿線交流干擾電壓均小于4 V，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，緩解效果良好。

圖 3  緩解后管道沿線交流干擾分布

4 交流干擾緩解技術(shù)未來發(fā)展方向

（1）雜散電流干擾實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的普及化和多元化。推動(dòng)雜散電流干擾實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的普及化，有利于隨時(shí)掌握管道干擾狀態(tài)，了解轄區(qū)電流干擾的變化規(guī)律，指導(dǎo)防治工作。采用腐蝕速率監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多元化監(jiān)測(cè)手段，能夠更好地了解雜散電流對(duì)管道腐蝕及其他方面的影響。

（2）管道方與電網(wǎng)、鐵路等干擾源方合作開展治理。目前所采取的措施只是暫時(shí)緩解，無法真正徹底解決雜散電流問題，排出的電流依舊存在于土壤中，治標(biāo)不治本。理想的治理方式是使其“從哪來回哪去”，需要各方相互協(xié)調(diào)配合完成。

（3）數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的普及化和軟件的國(guó)產(chǎn)化。目前我國(guó)亟需提高相關(guān)技術(shù)能力和普及程度。相關(guān)軟件的國(guó)產(chǎn)化是未來發(fā)展的主流方向。

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作者：葉青，中國(guó)石化銷售有限公司華中分公司管道油庫(kù)處技術(shù)科科長(zhǎng)。

《管道保護(hù)》2018年第2期（總第39期）