郭磊 王磊磊 丁疆強

國家管網集團西氣東輸公司

 

摘要：管道雜散電流干擾主要涉及管道與土壤、其他設施之間的電位差和電流流動，通過總結西氣東輸管道雜散電流干擾防護實踐經驗，提出高壓直流電區域管道風險防控、動態直流干擾規律及腐蝕防護、交直流交互干擾規律及腐蝕防護等安全邊界，以問題為導向，實施有效的干擾防護措施，消減管道腐蝕風險，保證管道安全平穩運行。

關鍵詞：雜散電流；安全邊界；腐蝕防護

 

西氣東輸管道途經西部資源聚集區域和東部經濟發達區域，受明顯交直流雜散電流干擾影響。其中高壓直流輸電線路接地極、地鐵、有軌電車等直流干擾源占8.5%，高壓交流輸電線路等交流干擾源占85.7%，地磁場、潮汐等其他干擾源占5.8%。

1  高壓直流電區域管道風險防控安全邊界

在全國建立了18個高壓直流干擾加速實驗點，覆蓋我國典型的地區，獲得了高壓直流干擾在不同地區干擾風險特點。針對高壓直流接地極放電干擾對管道的氫脆、斷裂控制、腐蝕、設備設施安全的影響，從理論、試驗及現場測試等不同維度進行了系統的研究，并建立了西氣東輸公司范圍內設備設施運行安全邊界、腐蝕防護安全邊界、X80鋼管道氫脆風險判定指標及綜合安全邊界條件。

1.1  高壓直流干擾規律

高壓直流輸電系統主要干擾源為高壓直流接地極，在輸電系統故障或檢修時，通常采用單極大地方式運行。數千安的電流通過接地極泄放到大地中，造成接地極附近的管道受到明顯的穩態直流干擾。接地極陽極放電時，電流從接地極入地，靠近接地極的管段吸收雜散電流，使近端管道電位負向偏移，雜散電流從遠端管道流出，造成遠端管道電位正向偏移；接地極陰極放電時，雜散電流從近端管道流出回到接地極，使近端管道電位正向偏移，遠端管道吸收電流，造成遠端管道電位負向偏移。

1.2  設備設施可靠運行安全邊界

對于自控儀表設備，主要風險為引壓管絕緣卡套/絕緣墊片發生燒蝕；對于電力設備，主要風險為高壓直流接地極放電期間管道操作人員觸電、電驅壓氣站變壓器直流偏磁。相應的安全邊界如下。

閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒蝕安全條件，引壓管上、絕緣卡套兩側電壓差限制條件：①小于4 V時，可不采取措施；②4 V～10 V時，應保證閥室相鄰的引壓管間間距不小于10 mm；③大于10 V，應采取排流防護措施將引壓管上絕緣卡套兩側電壓差降至10 V之內。

陰極保護設備、電涌保護裝置損毀安全條件：陰極保護設備、浪涌保護裝置不發生損毀，不影響正常工況下陰極保護的保護范圍，接地網不泄漏陰極保護電流。

直流偏磁安全條件：降低直流偏磁，直流電流不超過常用的三相三柱變壓器額定電流0.7%。

1.3  腐蝕防護安全邊界

高壓直流放電期間，管道的干擾電壓基本不變，即高壓直流干擾為恒電壓干擾。在高壓直流干擾下，防腐層破損點電流密度與腐蝕速率基本符合法拉第定律。在大的恒定干擾電壓下，電流密度曲線變化較大，呈現隨時間大幅降低，然后趨于穩定的過程。這主要是由于局部土壤干燥導致接地電阻升高，電流密度下降。根據實驗結果以及現場測試結果，結合腐蝕速率0.1 mm/a和0.01 mm/a的限制條件，形成高壓直流干擾腐蝕防護安全邊界（表 1、圖 1）。

表 1 高壓直流電區域管道腐蝕防護安全邊界

圖 1 高壓直流電區域管道腐蝕防護安全邊界評估

1.4  氫脆控制安全邊界

獲得高壓直流干擾電參數、環境因素等對氫脆的影響規律，確定放電時不同電流密度下，接地極年放電時間的限制，形成高壓直流干擾氫脆控制安全邊界（表 2、圖 2），當干擾時長和干擾電流位于圖譜紅色區間時，X80鋼具有氫脆風險。

表 2 高壓直流電區域管道氫脆控制安全邊界

圖 2 X80鋼氫脆控制安全邊界

2  動態直流干擾規律及腐蝕防護安全邊界

研究西氣東輸公司范圍內地鐵及現代有軌電車對埋地管道的干擾機理、干擾規律、干擾形態、損傷機理，確定動態直流干擾的評價指標。

2.1  地鐵動態直流干擾規律

白天地鐵運行時間段（5:00～00:30），管道電位以未受干擾時的夜間電位為中心值正負波動。干擾周期均在秒到分鐘的數量級，一般為20 s到3 min之間。越靠近地鐵段，管道電位波動幅值越大，西氣東輸管道電位正向波動最大值超過﹢10 V，負向波動最大值超過﹣12 V。隨管道距離地鐵越來越遠，管道電位波動幅值逐漸降低。

2.2  現代有軌電車動態直流干擾規律

僅電車進站充電時產生干擾。站臺附近鐵軌與其他走行軌通過絕緣節進行電隔離，雜散電流主要在電車充電時，通過站臺處走行軌擴散到外界土壤中，對附近管道造成動態直流干擾。

有軌電車干擾特性為脈沖式干擾。干擾時間一般為5:00～21:00，干擾周期均在秒到分鐘的數量級，電車進站充電平均時間為15 s，干擾脈沖時間一般為13 s～22 s，正向波動最大值可達﹢2 V，負向波動最大值可達﹣4 V。

2.3  動態直流干擾腐蝕防護安全邊界

確定動態直流干擾評價方法。在動態直流雜散電流干擾下的腐蝕風險采用管道極化電位相對于在該環境中管道陰極保護電位準則偏移量及時間比例進行判斷。

劃分動態直流干擾腐蝕風險等級。進一步細化評價指標，將評價等級分為高、中、低三級（表 3）。

表 3 動態直流干擾腐蝕防護安全邊界

3  交直流交互干擾規律及腐蝕防護安全邊界

開展了交直流交互作用下管道腐蝕行為及規律研究，系統分析了交直流交互作用對X80鋼電化學特性參數、擴散電阻、陰極保護參數、腐蝕形貌、腐蝕產物成分和腐蝕速率的影響，分別構建了西氣東輸公司范圍內交直流交互作用下基于極化電位及基于電流密度的腐蝕評判指標。

3.1  交直流交互干擾規律

交流電明顯加速了試樣的腐蝕速率，同一極化電位下，腐蝕速率隨交流電流密度增大而增大，而增幅則存在逐漸放緩的趨勢；同一交流電流密度下，腐蝕速率隨極化電位負移而減小。

當交流電流密度小于100 A/m²時，試樣極化電位位于﹣0.95 V～﹣1.10 V（相對于飽和硫酸銅參比電極）區間時，可將腐蝕速率控制在0.1 mm/a以下。

交流電使X80鋼的自腐蝕電位負向偏移，增大了自腐蝕電流密度、陰極和陽極電流密度，對陰極陽極的反應過程均有一定的促進作用，且對陽極反應過程的影響大于對陰極，促進了X80鋼的自腐蝕，其腐蝕形貌發生均勻腐蝕→點腐蝕→局部腐蝕的轉變；高的交流電流密度下，腐蝕產物中出現γ-FeOOH。

3.2  交直流交互干擾腐蝕防護安全邊界

基于極化電位的評判指標：交流電流密度低于30 A/m²時，電位應為﹣0.85 V～﹣1.10 V之間；交流電流密度在30 A/m²～100 A/m²時，電位應在﹣0.95 V～﹣1.10 V之間。

基于電流密度的評判指標：管道平均交流電流密度低于30 A/m²時，平均直流電流密度應在0.15 A/m²～0.95 A/m²之間；管道平均交流電流密度為30 A/m²～100 A/m²之間時，平均直流電流密度應在0.79 A/m²～0.95 A/m²之間。

4  風險防范和消減措施

針對管道面臨的雜散電流干擾腐蝕風險，以問題為導向，采取有效的干擾防護措施，消減管道腐蝕風險，保證管道安全平穩運行。

4.1  高壓直流干擾消減防護措施

線路管道采取絕緣接頭分段和鋅帶排流的防護方案，有效降低了管道沿線干擾電壓和腐蝕速率。在站場閥室研發了大功率排流器，實現了管地間高電壓等電位處理。排流器最大排流量可達240 A，并具備管地電壓自動監測和超壓時等電位連接功能，可消除站場閥室放電燒蝕風險。現場實施后有效降低了站場閥室燒蝕和線路管道腐蝕風險（圖 3～圖 5）。

圖 3 鋅帶排流效果

圖 4 絕緣接頭分段效果

圖 5 站場閥室大功率排流器效果

4.2  地鐵等動態直流干擾消減防護措施

對地鐵等動態直流干擾采用強制電流陰極保護和極性排流聯合防護方式，有效減少雜散電流流入，全線電位水平均得到改善。陰保系統在恒位、恒流工作模式下，通電電位波動幅值減小，斷電電位明顯負向偏移，陰極保護有效（圖 6）。

圖 6 強制電流陰極保護＋極性排流效果

4.3  交直流交互作用下管道腐蝕風險綜合防護措施

采用現場排流試驗測試研究了不同排流地床和排流器組合下的排流效果，明確了交直流交互作用工況下有效的緩解措施及其作用范圍，強制電流陰極保護排流可在較長距離范圍內有效抑制動態直流干擾，對于動態直流干擾治理效果最佳，但對于交流干擾改善不理想。犧牲陽極接地排流不適合動態正向干擾強度高的情況下，犧牲陽極接地排流可在有限的范圍內對交流和直流干擾有一定程度的緩解。其中鋅帶直接排流時管道保護效果較差，而采用鎂帶直接排流時管道陰極保護全時刻達標。排流地床不同連接方式時，直接排流的效果優于極性排流，極性排流優于固態去耦合器排流。三種連接方式下，遠端管道電位均無正向偏移。基于獲得的防護措施適用性和有效作用范圍研究成果，明確了單一的排流方式均存在一定的弊端，在實際的工程應用中應根據實際需求針對性選用綜合控制措施，確保排流效果（表 4）。

表 4 交直流交互干擾防護措施和效果

5  結語

隨著管道沿線交直流雜散電流干擾源不斷增多，管道雜散電流干擾防護工作面臨嚴峻的挑戰。西氣東輸管道主要位于經濟發達的長三角地區，雜散電流干擾問題尤為突出，是可能造成管道本體腐蝕失效的主要因素。通過針對性地開展高壓直流、地鐵動態直流以及交直流交互干擾相關研究，并基于研究成果開展相應的防護和治理工作，雜散電流干擾腐蝕問題得到較好的抑制，西氣東輸管道腐蝕風險整體可控。我們也將繼續基于轄區內管道雜散電流干擾實際情況，更加深入地推進雜散電流干擾防護工作，保障能源大動脈長效、安全、平穩運行。

作者簡介：郭磊，1985年生，高級工程師，上海市青年崗位能手。2011年碩士畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業，現任公司科技數字中心完整性所所長，主要從事管道完整性科研與技術支持工作。聯系方式：021-50958702，guolei04@pipechina.com.cn。