李昆

國家管網(wǎng)集團(tuán)東部儲運公司徐州輸油處

摘要：沿海長輸管道因潮汐地磁干擾引起的地電場變化會影響其陰極保護(hù)系統(tǒng)。簡述了潮汐地磁干擾產(chǎn)生原理及對沿海管道的作用機(jī)理及干擾特點，并通過相關(guān)案例對我國東部沿海長輸管道因潮汐地磁干擾引起的管地電位波動異常及波動規(guī)律特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了受潮汐地磁干擾管道的緩解、監(jiān)測及日常管理維護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：潮汐感應(yīng)；地磁干擾；陰極保護(hù)；管地電位；長輸管道

腐蝕是引起埋地管道破壞和失效的主要原因之一。目前我國沿海管道遭受潮汐地磁干擾引起地電場變化導(dǎo)致其陰極保護(hù)系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象越來越多，地磁感應(yīng)電流（GIC）對管道的干擾腐蝕影響與檢測應(yīng)得到行業(yè)重視，并采取針對性防護(hù)措施。

1  潮汐地磁干擾機(jī)理及特點

太陽黑子的活動引起太陽風(fēng)強度的變化，使地球磁場發(fā)生相應(yīng)的變形。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在閉合導(dǎo)體回路中，磁通量變化時，就會在該回路上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電勢，在埋地長輸油氣管道及其涂層與大地所構(gòu)成的分布式閉合導(dǎo)體回路內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，即地磁感應(yīng)電流（GIC）[1]。

沿海埋地管道除了受到GIC影響之外，還受潮汐感應(yīng)作用影響。潮汐感應(yīng)是由于太陽和月亮引力作用的結(jié)果，潮汐運動在海里產(chǎn)生的二次電場以及在沿海附近陸地地區(qū)產(chǎn)生電勢，當(dāng)海岸兩側(cè)電位升高之后，附近埋地油氣管道的電位也會隨之上升，如圖 1、圖 2所示。管道上感應(yīng)電流的大小與土壤電位梯度大小及水的流速、海水電導(dǎo)率有關(guān)[2]。

圖 1 潮汐地磁感應(yīng)作用于沿海管線

圖 2 潮汐感應(yīng)、電離層電流作用于沿海管道

潮汐地磁干擾的特點。潮汐24小時內(nèi)呈現(xiàn)“兩峰兩谷”特性，相鄰兩波峰或波谷間隔約12 h（波動周期）。高潮時，地電位梯度是管道側(cè)大于海岸線側(cè)，管道電位正向偏移，低潮時則相反。地電位梯度隨著靠近高潮時間的不斷累積，也隨之增大，低潮時則相反。受干擾管道電位隨著時間緩慢變化（逐漸正向或負(fù)向偏移），且各管段波動規(guī)律一致。沿海岸線或距海岸線較近敷設(shè)的管道均受潮汐能干擾可能性大，而且管道越長，防腐層越好，所感應(yīng)的電壓（VP，g）就越大[3]。如圖 3所示。

圖 3 較差防腐層與良好防腐層管道典型的地磁感應(yīng)電位分布曲線

2  案例分析

日照—儀征原油管道（簡稱日儀線）全長390 km，近海岸線敷設(shè)，選用直徑914 mm螺旋縫和直縫埋弧焊鋼管，采用外加電流陰極保護(hù)和環(huán)氧粉末防腐涂層相結(jié)合的保護(hù)方式。

2020年，日儀線雜散電流專項調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該管道整體受東部沿海潮汐產(chǎn)生的地電流干擾特征較明顯，連云港境內(nèi)靠近海岸線16#樁～80#樁管段干擾最為嚴(yán)重，管道電位波動區(qū)間在+1000 mVCSE～ ﹣3500 m VCSE（圖 4）。

圖 4 日儀線16#樁～ 80#樁管段管地電位24 h監(jiān)測曲線

在日儀線16#樁、62#樁位置各設(shè)置1臺DL-1靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀對管道管地電位進(jìn)行長周期監(jiān)測，采集頻率為1次/30 s。發(fā)現(xiàn)2處監(jiān)測點的管地電位正偏移波峰、負(fù)偏移波谷時間節(jié)點與江蘇新洋港附近海域潮汐高潮、低潮時間節(jié)點吻合，規(guī)律一致，呈現(xiàn)24 h周期內(nèi)“兩峰—兩谷”特征，且相鄰2次管地電位正向（漲潮）或負(fù)向（低潮）偏移時間間隔均為12 h，兩處監(jiān)測點管道管地電位波動情況一致，均為典型的潮汐地磁干擾特征（圖 5）。

（a） 16#樁

（b） 62#樁

圖 5 日儀線管地電位監(jiān)測曲線與對應(yīng)時間段附近海域潮汐曲線對比圖

后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，隨著日儀線往南逐漸遠(yuǎn)離東部海岸線深入內(nèi)陸，管道受到潮汐地磁干擾越來越弱，管地電位波動區(qū)間逐漸收窄，進(jìn)入淮安境內(nèi)管地電位趨于平穩(wěn)。

3  干擾緩解目標(biāo)及措施

3.1  緩解目標(biāo)

目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均未給出專門針對潮汐地電流干擾管道的保護(hù)準(zhǔn)則，行業(yè)內(nèi)普遍使用澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1―2015《金屬的陰極防護(hù). 管道和電纜》中的保護(hù)準(zhǔn)則：

（1）進(jìn)行管道地電流影響測試時，通常必須記錄 20 h的電位。如果采用數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測電位，其采樣頻率應(yīng)不低于1次/min。

（2）受地電流影響的管道電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時間不應(yīng)超過測試時間的10％。確定電位的變化幅度時，應(yīng)對記錄期間電離層擾動的程度進(jìn)行評價。

3.2  緩解措施

（1）在陰極保護(hù)極化電位不超限的情況下，盡可能調(diào)大管道恒電位儀的輸出，以抵消潮汐地磁干擾帶來的管地電位正向波動影響。受干擾管段的陰極保護(hù)極化電位滿足AS 2832.1―2015要求，可以有效抑制潮汐地磁干擾對管道的影響，暫不會對管道產(chǎn)生干擾腐蝕影響。

（2）在干擾嚴(yán)重、陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)管段，采取負(fù)接地極（一般采用鎂合金犧牲陽極）+極性排流器組合方式進(jìn)行排流防護(hù)（圖 6）。

圖 6 排流防護(hù)裝置示意圖

（3）加強干擾管段管道極化電位精確測量及動態(tài)監(jiān)測。潮汐地磁干擾地電流對管道陰保效果測試評價的主要影響在于干擾精準(zhǔn)測量管線極化電位（Ep）的能力，土壤中的地電流活動在參比電極和管道缺陷之間的土壤中產(chǎn)生一個附加的電壓降Vt。通過斷電法測試極化電位可以消除土壤電壓降（Ve），但無法消除地電流附加的電壓降Vt。圖 7所示為一種不需要斷開測試片連接就可以減少IR降誤差的檢測裝置[3]。

圖 7 陰保測試中減少IR降誤差的檢測裝置示意圖

受測試人員經(jīng)驗、測試設(shè)備精度、環(huán)境等因素影響，人工現(xiàn)場測試陰保效果的精準(zhǔn)度不高，建議在潮汐地磁干擾嚴(yán)重或地磁感應(yīng)電壓峰值出現(xiàn)位置設(shè)置智能陰保監(jiān)測樁進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。重點關(guān)注地磁感應(yīng)電壓峰值出現(xiàn)在管道上的位置，如絕緣接頭處、管道方向改變處、在海岸處或其附近、在地質(zhì)條件劇烈轉(zhuǎn)變處或異常處及其附近，以及高電阻率土壤中[3]。

4  結(jié)語

沿海管道管地電位有“雙峰—雙谷”特性，并且與潮汐表變化趨勢一致，干擾特征顯著，應(yīng)采取措施緩解干擾影響。近年來，計算機(jī)仿真模擬技術(shù)突飛猛進(jìn)，CDEGS、BEASY模擬軟件已在管道雜散電流干擾影響評估及排流防護(hù)設(shè)計中得到了很好的應(yīng)用。通過深入研究海岸效應(yīng)，建立管道潮汐地磁干擾理論模型，為管線受潮汐地磁干擾影響的評估、緩解及日常管理維護(hù)提供科學(xué)理論依據(jù)。目前國內(nèi)關(guān)于潮汐地磁干擾對長輸油氣管道影響方面的研究較少，應(yīng)對遭受潮汐地磁干擾管道的腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步做好沿海長輸管線腐蝕防護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]李家龍，胡黎花，王培金. 地磁感應(yīng)電流對管道影響研究現(xiàn)狀[J].天津科技.2016，43(7)：5-8.

[2]熊樹海.潮汐感應(yīng)和地磁海岸效應(yīng)對沿海埋地管線腐蝕機(jī)理的研究[D].北京：中國石油大學(xué)（北京），2017.

[3]NACE International,2005. CP3- Cathodic Protection Technologist. 3:61-3:62.

作者簡介：李昆，1983年生，本科，政工師，2006年畢業(yè)于南通大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)擔(dān)任徐州輸油處管道保衛(wèi)科科長。聯(lián)系方式：18552922110，likun_2008@126.com。