高压直流输电接地极对埋地管道的干扰及防护措施研究

(1.上海天然气管网有限公司，上海 200000；2.北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

为实现能源的经济合理调配，国内正全力发展高压电网和长输油气管网。伴随着油气管网和高压直流输电网的迅猛发展，二者不可避免会出现相互靠近、相互影响的情况。高压直流输电工程对管道的电干扰问题逐渐暴露出来[1-3]。目前国内已经发现了多个高压/特高压直流输电工程对管道干扰的案例[4-6]。上海地区目前已有4个高压/特高压直流输电工程，共对应3个高压直流接地极：南桥接地极、廊下接地极和腰经接地极。上海天然气管网有限公司(简称：上海管网)在役的高压天然气管线距离高压直流输电工程的直流接地极位置较近，存在受高压直流接地极干扰的风险。

1 天然气管道和高压直流输电工程概况

上海管网管道由36条已建工程标准管线组成。管线总里程约700 km。管线材质有X60,L415,X52,L360和SS400五种；涂层有3PE和环氧煤沥青加玻璃丝布两种。管道采用外加电流阴极保护，沿线共有21个阴保站。

南桥接地极为±500 kV葛南线高压直流输电工程和±500 kV三沪Ⅱ回林枫线高压直流输电工程共用直流接地极，接地极构型为近椭圆单环形接地极，环长1 760 m，由两个直径400 m的半圆环与两段各250 m的直线段构成(见图1)。两个直流输电线路的额定运行电流均为3 000 A，投运时间分别为1989年和2011年。

南桥接地极位于天然气管网的南面，与管道的最近距离约为6 km。

2 试验内容

2.1 电位远程监测

电位远程监测系统包括电位远程监测终端、数据传输网络和主站服务器三部分。系统架构如图2所示。

图2 电位远程监测系统架构

电位远程监测系统，通过在管道线路上安装电位监测终端，采用试片法实时采集管道的通/断电电位，利用GPRS无线网络将采集数据传输至主站服务器内，再通过主站服务器查询和分析管道的通/断电电位来判断管道受南桥接地极的干扰情况。该系统可以实时且连续监测管道电位分布，可以有效捕捉接地极放电带来的管道电位波动。与传统试片法相比，数据获取及时且准确。该次在管线上安装21处监测点对管道受高压直流干扰情况进行监测，每处监测点采用X52试片，试片面积1 cm2，采用铜/饱和硫酸铜电极(CSE)作为参比电极。

2.2 极化曲线测试

为了更好地评估接地极放电对管道造成的腐蚀风险，使用电化学工作站(GamryReference 3000)在实验室内进行了极化曲线的测试。极化测试采用三电极测试体系，其中工作电极为X52管道钢试片，工作面积为1 cm2；辅助电极为铂片；参比电极为饱和甘汞电极(SCE，0.241 VvsSHE)，结果分析中将电位转化为相对铜/饱和硫酸铜电极(CSE，0.314 VvsSHE)的电位。电解质采用管道位置附近实际土壤，在上海地区地下1 m处挖取。

2.3 模拟计算

采用Beasy软件对南桥接地极以及上海管网在役的高压天然气管线进行三维建模，并计算了南桥接地极单极放电时管道的电位分布。通过调整现有的阴极保护系统和增加强制排流系统，模拟计算了上海管网管道的防护措施和效果。

3 试验结果与讨论

3.1 管道电位远程监测结果

通过电位远程监测系统对南桥接地极引起的管道干扰进行监测，从2016年12月15日至2017年6月15日，共持续了6个月时间。此时间段内，共监测南桥接地极对管道的干扰20次，共持续时间538 h 14 min(约22 d)，每次干扰的开始/结束时间、持续的时长和放电极性见表1。

表1 南桥接地极干扰时间与放电极性统计结果

由表1可见,11次干扰时间为2 h以内，有9次干扰时间为2 h以上,最长一次干扰时间持续了173 h 4 min。

此次监测时间段内，管道受到最大的干扰分别为第19次的南桥接地极阴极放电(南桥接地极流入电流)和第20次的南桥接地极阳极放电(南桥接地极流出电流)。两次干扰时，南桥接地极的流入流出电流均为2 400 A，达到额定运行电流的80%。

以这两次接地极单极放电为例，对21处的电位监测点位置电位偏移情况进行同步分析可以得到干扰电位的分布规律。南桥接地极阴极放电时，靠近南桥接地极管道通断电电位均往正向偏移(见图3)。由图3可见：有5处的管道断电电位由于干扰造成电位正于-0.85 V，离接地极越近，管道通电电位的正向偏移量越大；远离接地极的部分位置管道通断电电位负向偏移，其中有2处的管道断电电位由于干扰造成电位负于-1.20 V。对比正负向的管道电位偏移量可以看出，靠近接地极的管道电位偏移量远大于远离接地极位置的管道电位偏移量。表明接地极对靠近接地极端的管道干扰要远大于远离接地极端的管道。通过电位的偏移情况，可以进一步判断出:南桥接地极阴极放电时，靠近接地极端的管道位置为杂散电流流出区域，电位均正向偏移;远离接地极端的管道位置为杂散电流流入区域，电位均负向偏移。

图3 阴极放电时监测点电位变化情况

南桥接地极阳极放电时，靠近南桥接地极管道通断电电位均往负向偏移(见图4)，其中有3处的管道断电电位由于干扰造成电位负于-1.20 V，离接地极越近，管道通电电位的负向偏移量越大；远离接地极的部分位置管道通断电电位正向偏移，其中有2处的管道断电电位由于干扰造成电位正于-0.85 V。通过电位的偏移情况可以进一步判断出:南桥接地极阳极放电时，靠近接地极端的管道位置为杂散电流流入区域，电位均负向偏移;远离接地极端的管道位置为杂散电流流出区域，电位均正向偏移。

图4 阳极放电时监测点电位变化情况

当接地极单极放电时，管道受干扰最严重的位置位于距接地极最近位置。在6个月监测时段内，该位置的管道受干扰时的通/断电电位变化情况见图5。从图5可知,管道电位波动最大的时刻对应着接地极放电电流最大的时间(第19,20次单极运行)。这两场干扰时管地电位变化的放大图如图6所示。由图6可见，在管道未受干扰时，管道电位波动较小，管道的断电电位均为-0.85～-1.20 V，处于良好的阴极保护状态；在南桥接地极阴极放电时(第19次干扰)，离接地极最近位置的通电电位往正向偏移，通电电位达到+2.13 V，管道断电电位也随之往正向偏移，达到了-0.23 V，正处于阴极保护标准要求的-0.85 V下限[7]，此位置管道存在腐蚀风险，干扰期间，管道通/断电电位持续偏正，干扰结束后，管道电位恢复正常状态。在南桥接地极阳极放电时(第20次干扰)，离接地极最近位置的通电电位负向偏移，通电电位达到-3.89 V；管道断电电位也随之往负向偏移，达到了-1.24 V，负于阴极保护标准要求的-1.20 V上限，存在过保护的风险，干扰期间，管道通/断电电位持续偏负，干扰结束后，管道电位恢复正常状态。

图6 最大干扰时最近点电位变化

3.2 极化曲线测试及腐蚀速率评估

实验室内测试得到实际土壤中X52钢试片的极化曲线如图7所示。由图7可知，X52钢在实际土壤中自腐蚀电位为-0.572 V。结合图3、图4和图5可知，当南桥接地极双极运行(即没有放电)时，管地电位均满足-0.85～-1.20 V的阴极保护标准，此时试片处于阴极极化区，发生阴极析氧反应，抑制腐蚀的发生，管道处于良好的保护状态。然而当南桥接地极单极运行时，管道通/断电电位超出阴极保护的标准。对于距离接地极最近位置处的试片来说，最正、最负的断电电位分别为-0.23 V和-1.30 V。结合极化曲线可知，-1.30 V时试片处于阴极极化区，其电流密度为0.1 mA/cm2(流入)；-0.23 V时试片已经进入试样阳极极化区，对应的电流密度分别为0.7 mA/cm2(流出)。

图7 实际土壤中X52钢极化曲线

目前公认，钢铁腐蚀反应的第一步为Fe基体失去2个电子的电化学反应，如式(1)所示：

(1)

电化学反应满足法拉第公式，即反应速率与电流密度呈正比，如式(2)所示：

(2)

式中：R为反应速率(mol/(s·cm2))；j为电流密度；n为电化学反应消耗或生成的电子数；F为Faraday常数。

将最高流入电流密度带入式(2)可得，R=0.363×10-8mol/(s·cm2)。如果考虑最坏情况，即所监测时间内每次接地极单极运行均为阴极2 400 A放电，则6个月内反应物消耗量为0.007 03 mol/cm2，折合腐蚀速率为1.00 mm/a。需要注意的是，实际中接地极单极运行时放电极性可能为阴极或阳极，放电电流也不尽相同，该计算结果仅为考虑最坏情况下的极端情况，是理论上可能达到的最高腐蚀速率。从计算结果可知，高压直流接地极单极运行所造成的干扰程度非常严重，可能会对周围埋地管道带来极高腐蚀风险，在接地极附近的管道需要采取一定缓解措施以消除干扰影响。

3.3 干扰模拟计算结果及防护措施

利用Beasy模拟计算软件，对南桥接地极额定电流放电时，管道全线断电电位的分布情况进行模拟计算，并利用已有的监测数据，对计算模型进行校核，以确保模拟计算的结果与实际干扰情况更吻合。

通过模拟计算得到南桥接地极在额定电流 3 000 A阴极放电和阳极放电时管道电位分布情况，如图8所示。从图8可知Beasy软件可以有效模拟受干扰时管道电位分布。当南桥接地极阴极额定电流放电时，靠近南桥接地极附近管道电流流出，管道电位正向偏移严重，最正位置电位达到+0.79 V，远离接地极位置管道电位明显负向偏移，部分位置电位低到-1.79 V。南桥接地极阳极额定电流放电时，远离接地极位置电流流出，电位正向偏移，最大电位正向偏移到 -0.32 V；靠近接地极位置管道电流流入，电位负向偏移，最大电位负向偏移到-2.67 V。为了清晰显示由于干扰造成管道电位未达标的情况，将正于-0.85 V的受干扰管段标注于图9。

图8 接地极3 000 A放电时管道电位分布

图9 正于-850 mV接地极额定放电时电位

从图9可知，当南桥接地极阴极放电时，靠近接地极处管道腐蚀风险较高；当南桥接地极阳极放电时，远离接地极处管道腐蚀风险较高。这与前文所述现象一致。

3.4 干扰防护措施研究

根据GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》和GB/T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中相关规定，对于施加阴极保护的管道，应满足在受到干扰时，管道极化电位负于-0.85 V。

目前高压直流干扰的防护方法主要有：调整现有阴极保护系统、增加敷设锌带和增加强制排流系统等措施。由于上海管网的管道分布在城市周边，无法采取敷设锌带的措施，因此该次防护措施只考虑通过调整现有的阴极保护系统和增加强制排流系统来实现。

利用模拟计算得到:在接地极阴极放电或阳极放电时，需分别采取不同的防护措施。接地极阴极放电时，需要在图10的黑色方块显示的3个阀室位置增加强制排流系统；接地极阳极放电时，需要在图11的五角星位置调整现有的10处阴极保护系统输出。

图10 阴极放电需要采取措施的位置

图11 阳极放电时需要采取措施的位置

通过同时采取以上的两种措施，能将管道在受干扰的时间段内的断电电位均控制在-0.85 V以下，确保管道在干扰期间达到有效的阴极保护效果。防护效果模拟计算结果见图12。由图12可知，不管接地极单极运行时放电极性如何，采取防护措施后管道全线管地电位均负于 -0.85 V，管道腐蚀风险大大减小。但此防护措施也使管道其他位置电位负移，是否会引起其他问题，有待进一步优化。

图12 采取措施后管道极化电位计算结果

4 结 论

(1)通过6个月的持续电位监测，共监测到管道受南桥接地极的干扰影响20次，干扰影响的持续时间达到538 h 14 min，其中最长一次干扰时间持续了173 h 4 min。

(2)监测结果显示，南桥接地极放电时，靠近接地极附近的管道受干扰程度远大于远离接地极的管道。靠近接地极管道受接地极干扰时管道电位的偏移方向和远离接地极管道的电位偏移方向相反，互为杂散电流的流入和流出区域。干扰最严重时，断电电位最大正向偏移至-0.23 V。

(3)结合实验室测试极化曲线与法拉第定律，计算得到干扰最严重时试片处电流密度为 0.7 mA/cm2，最坏情况下腐蚀速率可达1.00 mm/a，管道有很强的腐蚀风险。

(4)模拟计算结果表明，要满足国家标准规定的直流杂散电流干扰防护要求，需要在受干扰情况下，增加3处强制排流系统,调整10处阴极保护系统输出。