埋地输气管道的直流杂散电流干扰分析与排流措施

汤 丁 何 鑫 许 捷 蒋华全 刘正雄

1.中国石油西南油气田分公司储气库管理处 2.中国石油西南油气田分公司重庆气矿工艺研究所

埋地钢质管道的直流杂散电流干扰主要来自于其附近的高压/特高压直流输电系统、直流电气化铁路系统、直流采矿设备、直流电焊机等工业电气设备以及外部的阴极保护系统等。

地铁作为城市便利的出行交通工具，采用直流供电系统提供动力，钢轨作为电流的回流通路[1]。由于钢轨自身具有一定的电阻，钢轨和大地之间难以达到完全绝缘，部分电流会离开钢轨进入大地，产生直流杂散电流[2,3]。泄漏到大地中的直流杂散电流会加速埋地管道腐蚀，而直流杂散电流的波动特征给阴极保护电位的测试及准确评价带来很大困难，直接影响阴极保护系统的安全运行[4-8]。重庆相国寺储气库输气管道“铜相线”（铜梁站—相国寺集注站），自建成投运以来一直受到直流杂散电流干扰影响，如何准确检测杂散电流，选择经济高效的排流方式，确保输气管线的安全运营，急需全面深入的调查研究。

1 铜相线受干扰情况

铜相线全长84.2 km，设计压力10 MPa，管线规格为Ø813×14.2 mm，材质为L485，阴极保护方式采用三层PE外防腐层＋强制电流阴极保护。全线设阴极保护站2座，分别位于39.0 km的八塘阀室和管线终点站场，站内设有HPS-2型恒电位仪为管道提供保护电流，额定输出：30 V/5 A。由于投运后输出电流及保护电位一直大幅度的波动，导致恒电位仪无法正常使用。同时，铜相线沿线通电电位波动为＋0.5 ～－3.2 V，其中电位波动上限近1/3是正电位。分析认为此波动主要是由于线路受到外界直流杂散电流引起，导致阴保系统无法正常使用，影响管道本质安全。

用Coetalk公司的UDL-2高精度数据记录仪采用试片断电法[9,10]测得，铜相线50#和58# 2个电位测试桩的断电电位未达到GB50991-2014标准[11]的要求，管道其余的监测点试片断电电位达到了标准的要求。

按照标准 GB/T 21447-2008[12]，根据测试的土壤电阻率对管道所处土壤环境的腐蚀性进行等级划分。土壤电阻率测试结果显示：铜相线土壤电阻率大多在20～50 Ω·m，土壤腐蚀性处于中等强度。

2 干扰源的确定

根据调查，对铜相线产生直流杂散电流干扰的干扰源（图1）包括：1条并行敷设的输气管线——铜水线、2条交流的电气化铁路（兰渝铁路、襄渝铁路）、1条直流牵引系统供电地铁线路（地铁6号线）、天府煤矿和土场工业园区内的电镀厂等。其中地铁6号线与铜相线（西山坪阀室至土场阀室段）距离约为5.0 km，供电电压为1 500 V，牵引电流为2 080 A。最早班车次为 6：30，最晚班车为 22：30。

图1 铜相线干扰源位置关系图

图2 铜相线长时间管道电位监测波动图和管道电位波动频率图

2.1 干扰源工作时间和频率

在断开阴保系统的情况下，对铜相线全线管地电位进行72 h连续测试（图2），根据测试的管地电位波动特征分析，干扰源具有明显的周期特性，干扰时间段主要集中在每天的凌晨6：50到夜间23：30，夜间的23：30到次日的凌晨6：50管地电位处于稳定的自然电位状态下。

采用高精度的数据采集器按照500 ms/次频率对管道电位波动频率进行采集（图2），管道电位波动周期在30 s左右，最长也只有70 s，波动频繁表示是典型的动态直流杂散电流干扰。

2.2 干扰流入流出区间检测

为掌握“铜相线”杂散电流的流入流出的分布规律，根据动态直流杂散电流干扰流入流出位置对管道沿线管地电位波动影响所表现出的特征,在铜相线均匀布置10个点，测试点位置信息如表1所示。在关闭阴保的情况下，采用高精度同步数据采集器分两次对铜相线进行连续24 h同步监测10个点的电位变化情况，并把同步监测的管地电位拟合到一个时间坐标系下，放大干扰期间的曲线（图3）。

表1 铜相线测试点信息统计表

根据动态直流杂散电流干扰存在互为流入流出区间的特征，可通过同步监测拟合后的趋势得知，八塘阀室、50#测试桩电位偏正时，11#测试桩、旧县阀室、31#测试桩3个测试点的电位偏负，反之亦然。以上数据，说明八塘阀室、50#测试桩与11#测试桩、旧县阀室、31#测试桩互为直流杂散电流的流入流出点。

同理，通过图4说明土场阀室与68#测试桩、静观阀室、82#测试桩互为直流杂散电流流入流出点。

根据同步监测与拟合分析，可判断铜相线主要干扰流入流出区间是31#测试桩到静观阀室。铜相线的流入流出分界点有2个，分别是31#测试桩和静观阀室。

图3 11#至50#测试桩管段同步监测电位图及局部放大图

图4 土场阀室至82#测试桩管段同步监测电位图及局部放大图

图5 铜相线管道沿线测试桩电位波动幅度图

2.3 干扰源位置分析

分别在阴保机开启和关闭情况测试管道沿线电位，沿线电位波动幅度在土场阀室附近最大（图5）。根据直流杂散电流干扰导致管道沿线电位波动幅度判断，铜相线的干扰源位于管道的土场阀室附近。

因此根据干扰源工作时间、波动特征、分布区间3方面的分析结果，结合地铁6号线与管线的相对位置、运行时间，可见管道电位的波动呈现出典型的地铁干扰波动的规律，且干扰源工作时间与地铁的运行时间基本吻合。由此判定轨道交通地铁6号线是铜相线的主要干扰源，且干扰流入流出位置位于土场阀室附近。

3 排流措施对比实验研究

国内常用的杂散直流干扰的排流保护方式有接地排流、直接排流、极性排流、强制排流4种，国外还有锌带屏蔽排流保护方式[13-16]。由于“铜相线”的干扰源是地铁，采取直接排流的方式无法实施[13]，因此现场对其他3种排流方式进行了现场试验。

3.1 接地排流试验

在铜相线临时安设13处交流排流接地网，将管道与接地体进行跨接，通过接地网进行排流，并对排流前后的管、地电位进行监测。根据监测的情况，采用接地排流方法，管道的负向电位波动抑制效果较好，正向电位波动抑制效果较差（表2），无法达到良好的排流效果。

3.2 极性排流试验

根据检测情况，在管道通电电位波动较大的TX73#电位测试桩处安装极性排流器，对TX70（距离排流点 2.5 km）和 TX79（距离排流点 5.5 km）进行效果测试。结果表明，TX70#的通电电位的波动范围由－0.2 ～－3.1 V 控制到－0.62 ～－2.1 V，TX79#的通电电位波动范围由－0.3～－2.1 V控制到－0.45 ～－1.45 V，管道的通电电位波动得到了较好抑制，但是随着距离的增加，抑制效果越来越不明显（图6）。另外,与接地排流方法相似，极性排流方法同样存在正向的抑制效果有限的缺点。

表2 接地排流前后管道电位对比表

图6 TX70#和TX79#测试桩干扰缓解前后管道通电电位展示图

3.3 强制排流试验

拟合结果表明，干扰最严重的地方位于土场阀室附近。因此在土场阀室处临时安装智能抗干扰恒电位仪SMART IMRT-1H（高频开关恒电位仪）作为主排流点进行强制排流试验，同时利用原八塘阀室阴保间恒电位仪的进行辅助排流，对TX37（距辅助排流点 5.0 km、主排流点 25.0 km）和 TX51（距主排流点10.0 km）进行效果测试。

测试结果表明（图7），对于受到动态直流杂散电流干扰的管道，强制排流点的位置选择应在干扰源主要的流入区。在合理选择排流位置的情况下，强制排流方法响应速度更快，排流效果优于接地排流和极性排流，排流保护距离更长，对下游10 km内的管道电位正向抑制作用较为明显。因此，“铜相线”最终选择在土场阀室增加强制排流点进行强制排流。

4 实施排流效果分析

优化“铜相线”阴保站的设置，在土场阀室采用HPS-1E高频开关恒电位仪进行强制排流，保留八塘阀室HPS-2恒电位仪进行辅助排流。在采取措施后，用Coetalk公司的UDL-2高精度数据记录仪使用试片断电法对“铜相线”进行全线检测，“铜相线”断电电位达标，通电电位基本处于－0.6 V以下，通电电位波动幅度得到很好抑制（图8）。

5 结论

1）通过采用试片断电法精确检测埋地输气管道电位测试桩的断电电位并测试所处土壤电阻率，有效获得埋地输气管道受直流杂散电流干扰情况的资料。

2）采用高精度数据记录仪同步检测、拟合分析，确定干扰流入流出区间分布，根据干扰时间、频率特征，结合管道周边的现状，可明确干扰源及直流杂散电流流入流出位置。

3）基于“铜相线”接地排流试验、极性排流试验、强制排流试验等措施的对比研究，发现强制排流效果最佳，首选高频开关电源恒电位仪在靠近干扰源的位置进行强制排流，得到了良好的排流效果。

图7 TX37#和TX51#干扰缓解前后的管道通电电位展示图

图8 铜相线24#测试桩通断电电位展示图