高压直流接地极对埋地金属管道干扰的研究现状

许振昌,都业强,杜艳霞,秦润之,张 慧

(1. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083； 2. 东莞新奥燃气有限公司，东莞 523000)

高压直流(HVDC)输电是一种用于远距离的高效输电方式，具有损耗小、造价低，稳定性高等优点。我国能源主要分布在西部地区，而能源的主要消耗却在东部沿海地区，高压直流输电是我国能源输送的一种重要方式。目前，我国已有多条大型高压直流输电工程投产运行，例如西电东送工程、北电南送工程、向家坝-上海和哈密-郑州等高压输电工程，此外，还有多条高压输电线路正在规划建设中[1-4]。

HVDC系统主要有两种运行模式：单极运行模式和双极运行模式[5]。系统正常运行模式为双极对称运行模式，即由正负两极及导线构成闭合回路，在此运行模式下产生的不平衡电流一般小于额定电流的1%，其对埋地金属管道的危害较小。而当双极中一极设备故障或者检修时，HVDC系统会以单极大地回线方式运行，即以大地作为回路通道，此时数千安培的电流会通过接地极进入大地，对附近的埋地金属管道产生较大危害，相对于双极系统，其影响范围更大，影响强度更高[6-8]。因此，本工作通过调研近年来HVDC单极大地回线运行时的干扰案例，介绍了因高压直流干扰造成的管地电位和泄漏电流密度等参数的变化，同时也总结了实际工程中数值模拟技术在HVDC干扰预测和缓解方案设计中的应用，并总结了可能的防护措施。

1 高压直流干扰的现场案例

随着高压直流输电系统的投运，检测发现多条埋地管道受到干扰，现场案例表明HVDC单极大地回线运行时会造成管道的管地电位发生较大偏移，偏移量远超过阴极保护标准要求的范围[9]，这使得管道面临较大的干扰风险。

QIN等[3]检测发现，在翁源接地极2 400 A阳极放电时，距离接地极约7 km左右的检测点(该位置为距离管道最近的测试点)处管道的管地通电电位为-211 V(相对于铜/硫酸铜参比电极，CSE，下同)，泄漏电流密度峰值达到-488 A/m2，泄漏电流密度变化曲线如图1(a)所示；3 200 A阴极放电时，管地通电电位达到304 V，断电电位为1.645 V，泄漏电流密度峰值达到82 A/m2，泄漏电流密度变化曲线如图1(b)所示；同时计算发现，管地通电电位和接地极放电电流呈线性关系，该点处的比值为-92 V/kA。

(a) 2 400 A

(b) -3 200 A图1 不同放电电流条件下，监测点处的泄漏电流密度变化曲线Fig. 1 Curves of leakage current density at monitoring points under different discharge current conditions

孙建桄等[10]测试了±500 kV翁源接地极放电1 200 A时对西气东输二线韶关站至广州站段管道的影响。翁源接地极中心距离西气东输西二线管道的垂直距离约为7 km，距离154号阀室13.7 km，距离155号阀室15.2 km。测试结果显示：放电1 200 A时，距离接地极最近位置的管道通电电位正向偏移至约100 V，距离管道较近的这两个阀室的通电电位正向偏移至约50 V，均超过人体安全电压35 V，管道的腐蚀风险和人员设备的安全风险较大。

BI等[4]测试发现，哈密南-郑州HVDC输电线路的哈密南接电极采用单极大地回线运行，放电5 000 A时，与接地极最近的管道相距约35 km，电位监测显示接地极放电使得管道的极化电位正向偏移至约0.5 V，正于-0.85 V阴极保护极化电位准则1.35 V，可能存在较高的腐蚀风险。

李振军[11]测试了哈密南-郑州±800 kV特高压直流输电系统中哈密接地极对西气东输管道的影响，发现采用单极大地回线方式运行，最大入地电流为2 900 A，在接地极阴极放电时，管道沿线管地电位分布如图2(a)所示，其中距离接地极与管道垂直点11 km处的管地电位正向偏移最大，从-1.408 V偏移到10.33 V，偏移量达11.73 V；接地极阳极放电时，管道沿线管地电位分布如图2(b)所示，距离接地极与管道垂直点21 km处的管地电位负向偏移最大，从-1.4 V偏移到-8.5 V，偏移量达7.1 V，且放电的影响范围均较大，均在300 km以上。

(a) 阴极放电

(b) 阳极放电图2 接地极放电对管道管地电位的影响Fig. 2 Influence of ground electrode discharge on pipeline ground potential： (a) cathode discharge; (b) anode discharge

早年的测试报告也介绍了一些由HVDC引起的异常现象。例如2007年5月，西气东输管道芙蓉-上海段出现阴极保护异常现象，此次干扰导致管道正向偏移幅度最大达到830 mV，直接导致恒电位仪无法正常运行[12]。2011年9月，云广线单极大地回线运行时，鱼龙岭接地极产生强大的入地电流对广东天然气鳌广干线造成较大影响，距离接地极11，26，37 km的3个站场的管地电位分别偏移至+20，-20，-70 V，导致多台恒电位仪烧坏[13]。

诸多现场情况表明，高压直流的干扰程度较大，管地电位产生的偏移较大，偏移量甚至可达上百伏，已有现场测试结果显示HVDC干扰造成管地通电电位偏移最高可至304 V，这严重威胁着人员的安全和管道防护设备的正常运行。目前现场的测试数据主要集中在管地电位或泄漏电流密度，虽然一定程度上可以反映管道面临的安全风险，但缺乏关于在如此高干扰电位下的管道腐蚀速率实测数据报道，故目前仍无法准确判断埋地管道在HVDC大幅正电位干扰下实际的腐蚀程度，以及大幅负向干扰对埋地管道涂层失效、氢脆风险等一系列问题的影响，HVDC干扰下管道安全风险的综合评判指标有待系统、深入的研究。

2 直流干扰的模拟试验研究

现场大量案例表明，高压直流输电系统接地极单极大地回线运行对埋地管道造成较大的干扰，但关于这种干扰会带来哪些危害及危害的机理，仍缺乏透彻的理解，部分学者近年来也开展了室内模拟试验研究，以探讨高压直流干扰下干扰参数的变化规律及其对管道腐蚀行为的影响。

秦润之等[14]研究了高压直流干扰下X80钢在广东土壤中的腐蚀行为，结果表明：土壤含水率为21%(质量分数，下同)的广东红褐色黏土中，在50～300 V直流干扰下，电流密度随时间变化均呈现典型的3阶段变化特征，即电流密度在几秒内急剧上升到峰值，然后再逐渐下降至稳定值并最终在稳定值保持较长时间，见图3和图4。根据相关参数的测量结果可以推断，电流密度变化主要是因为大幅干扰电位造成短时间内试片周围土壤温度升高，含水率降低，局部电阻率大幅增加。同时试验获得直流干扰电位分别为50，100，200，300 V情况下，对应X80钢的腐蚀速率分别为5.56，7.85，10.63，7.78 μm/h，此外研究还发现高压直流干扰下腐蚀速率和电流密度变化曲线符合Faraday定律。

图3 X80钢试样在50～300 V直流干扰下的电流密度随时间变化曲线Fig. 3 Current density versus time curves of X80 steel sample under 50 ～ 300 V DC interference

图4 300 V直流干扰下电流密度的变化情况Fig. 4 Change of current density under 300 V DC interference

符传福等[15]研究了直流杂散电流干扰下Q235钢在海南土壤中的腐蚀规律，试验土壤含水率为15.8%，工作面积为1 cm2，试验装置为一土壤盒，两端为镀铂钛电极，加载电流为8 mA，再将试片、电阻和另一镀铂钛电极串联埋入土中，测量电流流出试片的规律。结果表明：电流随时间变化可分为三阶段，先增大后急剧减小至某一值之后，小幅波动，这是因为随着腐蚀发生，土壤与基体接触变差，氧含量降低;腐蚀产物主要为Fe3O4、Fe2O3，并伴有少量FeS；腐蚀速率高达16.710 mm/a，危害较大。

QIAN等[16]研究了里贾纳黏土壤(萨斯卡通，加拿大)提取液中的X52钢在不同直流电流密度下的腐蚀情况，如图5所示。结果说明：随电流密度增加，X52钢的腐蚀程度增大。经过48 h的失重测试，无直流电下X52钢的腐蚀速率为0.4 mm/a，电流密度为5 A/m2时的腐蚀速率为6.5 mm/a，10A/m2时的为12.5mm/a，腐蚀速率分别是自然状态下的16和31倍。且在阳极区管道的涂层破损处，会加速腐蚀，阴极区的碱化会导致聚合物脱黏，降低防腐蚀层的保护效果。

图5 不同直流电流密度下X52钢在土壤模拟液中的腐蚀速率Fig. 5 Corrosion rates of X52 steel in the soil solution at different DC current densities

杨超等[17]研究了在含0.1 mol Cl-+0.1 mol SO42-+0.1 mol HCO3-土壤模拟液中，直流杂散电流对X65钢腐蚀行为的影响。结果发现：当直流干扰电流小于0.5 A时，X65钢会发生钝化，腐蚀速率降低；当直流干扰电流大于0.5 A时，保护膜被溶解，腐蚀转向活性溶解过程，X65钢腐蚀加剧。

DAI等[18]研究了高压直流电场下干湿循环对钢腐蚀的影响，结果表明：高压直流电加速腐蚀，且电场强度越大，腐蚀速率越高；腐蚀产物为γ-FeOOH，且锈层处出现较多裂纹，腐蚀严重；此外，随着场强的增加，腐蚀电位正向偏移，分析得出这主要是由于钢表面形成大量腐蚀产物，从而直接阻碍了钢电极的阴极过程，使钢的混合电位表现出正向偏移。DAI等[19]还发现直流电场会加速疏松γ-FeOOH的生长，且抑制疏松γ-FeOOH向其他致密产物转变。

实际长输管道工程中常采用外加电流的阴极保护技术，而阴极保护电位过负，管线容易发生氢脆失效，对此，有学者开展了相关试验。杨永和等[20]研究了在外加阴极保护电位下，X80钢在新疆三种典型土壤模拟溶液中的氢脆行为，结果表明：外加电位为-1.1 V时，在新疆农田、戈壁和沙漠三种典型土壤模拟溶液中，X80钢均发生强度和塑性损失，表现出氢脆敏感性，其在三种典型土壤模拟溶液中的氢脆敏感性由强到弱为沙漠>戈壁>农田；同时研究表明在不同的环境中，随着土壤电导率的增加和pH的降低，X80钢的氢脆敏感性增加。

目前的室内试验研究显示，高压直流干扰下的试样相对于自然状态的，腐蚀更为严重，并且在土壤模拟溶液中，试样的电流密度也呈现出三阶段的变化规律，腐蚀产物主要为Fe3O4、Fe2O3和FeOOH。当前试验大多在土壤模拟溶液中开展，鲜少在真实土壤中进行，而模拟溶液很难模拟真实土壤的扩散特性，同时真实土壤又存在多种类型，不同土壤中HVDC的干扰规律及腐蚀机制目前尚缺乏系统的研究。此外，目前也缺乏关于HVDC干扰造成的埋地管道氢脆及涂层破坏风险方面的研究，虽有学者研究了阴保条件下管线钢在土壤模拟溶液中的氢脆行为，但对于真实土壤环境以及HVDC干扰时造成的大幅度负向电位下的氢脆行为，尚缺乏全面的认识。

3 模拟计算在高压直流干扰中的应用

现场案例和试验结果表明，高压直流干扰的幅值高，影响范围大，同时受干扰管道的长度可达数千公里，这一情况下，获取参数的变化规律较为困难，因此，数值模拟计算为高压直流干扰的预测和缓解方案的优化设计提供了有效工具。为解决复杂土壤模型的干扰状况，一些研究人员采用ANSYS、CDEGS等软件模拟计算了接地极放电对管地电位的影响程度以及缓解方法的效果。

JIANG等[1]模拟计算了3PE防腐蚀层对高压直流干扰防护的有效性。模拟条件为翁源接地，输电电压为±500 kV，单极大地回线模式下电流为3 200 A。结论显示，对于带3PE防腐蚀层的管道，其管地电位占到杂散电流流入-流出位置间全部电压的75%以上，因此若防腐蚀层存在缺陷，将会增大管道的腐蚀风险；而裸钢管道的管地电位较小，且裸露面积大电流密度小，腐蚀反而较轻微。同时也模拟了缓解地床的防护效果，参数来源于西气东输二线韶关到广州段，接地极放电1 200 A，结果显示，管道两端安置缓解地床的效果优于每个监测点都安装缓解地床的，这是因为缓解地床间会相互影响，降低彼此的效果。此外，缓解地床的安装位置及其电阻对缓解效果也有影响，需要结合实际情况进行具体布置。

吴江伟等[8]运用有限元分析软件ANSYS计算得到：当表层土壤电阻率为20 Ω·m，入地电流为额定电流3 000 A时，在管道-100 km位置处(以接地极位置作为0坐标)的管地电位为3.40 V，在管道200 km位置处的管地电位为3.18 V，整段管道均受到直流干扰的影响，由此可得高压直流入地电流的影响范围非常大，因此有必要建立大范围的干扰计算模型。同时发现，在表层土壤电阻率不同的情况下，管地电位均在±37 km位置处衰减为0，所以管道腐蚀区的长度与位置不受表层土壤电阻率的影响，但是由于管地电位的幅值发生了变化，会影响腐蚀区管道的腐蚀速率。

赵雅蕾等[21]运用边界元软件模拟计算结果表明，随着土壤电阻率和入地电流的增大，管道与接地极间的安全距离也持续增加。当入地电流为5 000 A，土壤电阻率为100 Ω·m时，防护距离高达75 km。同时，赵雅蕾模拟了分段绝缘对HVDC干扰的影响。计算条件如下:在5 000 A的入地电流下，距离管道零坐标15 km和30 km处设置绝缘法兰，结果显示15 km处绝缘法兰两端电位差为1.21 V，30 km处绝缘法兰两端电位差为1.04 V，绝缘法兰距离接地极越远，法兰两端的电位差越小。因此，可以通过分段隔离措施将干扰区域限定在一定的管段范围内进行防护，但这会增加对隔离区域外管段的干扰。除此以外，赵雅蕾还对缓解锌带的效果进行模拟，结果显示，随着锌带长度增加，缓解范围不断扩大，当锌带长度为1，5，10，15 km时，管地电位大幅度下降的范围接近1，5，10，15 km，因此缓解范围与缓解锌带长度相当。由此可见，缓解锌带保护范围有限，未敷设锌带的管段得不到有效缓解。基于以上分析，提出了分段绝缘+阴极保护+缓解锌带的综合防护措施，模拟计算结果显示，干扰得到有效控制。

数值模拟计算可以为实际工程提供有效指导，但已有的计算研究，尚未考虑到长距离下土壤参数变化对管道的影响，此外土壤的分层也不够精细，例如河流、山脉、矿脉等地质条件的变化，都会对计算结果造成影响，并且在模拟管道参数的影响时，实际涂层的破损情况、不均匀性等并未充分体现，因此完善接地极参数、管道参数和土壤模型，对计算结果的准确性尤为重要。

4 高压直流干扰的防护措施

针对一般直流干扰的危害，国内外提出了一些解决方法，这些方法在实际的缓解中也取得较好效果，例如：

(1) NACE SP 0169标准的第9章提出安装排流装置、施加阴极保护、调整辅助阳极地床、避开干扰源、提高管道的外防腐蚀层质量以及在被干扰物中安装绝缘组件等一系列的防护措施[22]。

(2) AS 2832.1标准的第6章提出提高回路的导电性、增大管道对地电阻、安装绝缘接头等措施[23]。

(3) BS EN 50162标准的第7章则讲述了从干扰源侧来减少高压直流输电系统杂散电流的干扰，例如输电方式优先选择双极系统、接地极选址尽可能避免产生入地电流、对接地极地表附近相关性能进行测试与计算等[24]。

(4) GB 50991标准为我国制定的一项国家标准，目的为控制直流杂散电流对埋地金属管道的干扰腐蚀影响，该标准第6章提出了一些防护措施，包括排流保护、防腐层保护、阴极保护、绝缘层隔离、屏蔽等[9]。

这些方法主要针对一般的直流干扰，但是在面对远超一般干扰水平的高压直流干扰时，其有效性需要重新检验。在我国，某些地区HVDC干扰的范围广、入地电流大且多条输电线路交叉作用，实际状况更为复杂，采取一般措施很难达到要求。针对这种严重的干扰状况，一些学者提出了改进思路。

LIU等[25]提出建立连续监测系统和自动调节排流系统，将管地电位的监测结果反馈并自动调节电源输出，以此将管地电位控制在合理水平。

程明等[26]提出了针对高压直流接地极干扰的综合防护方法，包括提高防腐蚀层的完整性；在干线管道上设置绝缘接头，对管道进行分段隔离；在靠近高压直流接地极的管道上增设阴极保护站，利用双向强制排流设备对管道进行强制电流法阴极保护，对不正常的管地电位波动进行纠偏；通过远程监测系统和腐蚀挂片来监测排流保护效果。该方法的优点在于能对高压直流接地极提供全面且整体的保护，其安全性和保护效果，均有较大提高。

罗春平等[27]提出了针对高压直流干扰的缓解方法，通过对管道和高压直流输电系统的接地极进行现场调研，测试其管地电位偏移量，在偏移量较大位置安装缓解系统，开启智能双向强制排流器，从而达到缓解干扰腐蚀的效果。需要注意的是，双向控制存在潜在风险，尤其在抑制管地电位负向偏移时，要强制电流从管道排出，如果不能准确监测管道的电流排出情况，可能会存在加速管道腐蚀的风险，因此该做法目前尚未得到业界的一致认可。

刘玉林等[28]设计了高压直流影响下新型的管道防腐蚀保护装置，即新型强排流式管道阴极保护装置，该装置采用开关元件、DC-DC技术以及单片机技术，将电网单相电压变换成直流输出，并结合反馈系统，自动保持输出的电压稳定于设定值，维持地下参比电极与管线之间合理的电位梯度分布，产生最佳防腐蚀效果。

为缓解高压直流干扰的影响，一些学者提出了改进方案，但这些方案尚未在实际工程中应用，不同方案的适用性尚需要实际工程的验证。随着高压直流干扰问题的日益严重，其有效的安全风险评估、监测及防护技术亟待系统研究和实用工程应用的验证及完善。

5 总结与展望

总结近年来高压直流接地极对埋地金属管道干扰问题的研究现状，可以看到在以下几个方面尚待研究。

(1) 对HVDC干扰造成埋地管道腐蚀、氢脆及涂层破坏的风险尚待更加系统、全面的研究，也有待现场数据的验证。尽管近年来现场获得了HVDC干扰下的干扰参数，实验室中也获得了特定土壤中不同干扰下的失重参数、电流密度变化规律和腐蚀产物等，但是关于在不同类型的土壤环境中，HVDC干扰对埋地管道腐蚀过程的作用机制仍缺乏系统研究，此外虽有学者研究了土壤模拟液中管道的氢脆行为,但对于实际土壤环境中HVDC干扰对涂层剥离及氢脆风险的影响仍缺乏系统研究。

(2) 目前，实际生产中缺乏适用于高压直流干扰的风险评判标准，由于HVDC干扰涉及设备、人员安全、腐蚀、氢脆及涂层剥离等多方面的安全风险，因此HVDC干扰下的综合风险评判指标有待建立，同时能够及时捕捉高压直流干扰风险的现场监测手段也有待进一步完善。

(3) HVDC干扰风险数值模拟预测及防护方案优化设计技术有待进一步完善。由于遭受HVDC干扰的管道长度可达数千公里，相应土壤环境也有较大的变化，对于土壤参数的变化以及土壤分层的准确性，接地极参数、管道参数目前在数值模拟计算中考虑得尚不够细致，需要进一步完善数值模拟技术，以提高计算的准确性和结果的适用性。

(4) 有效、经济、实用的HVDC干扰防护技术有待进一步研究，并通过现场实际应用加以验证。虽然目前已经提出了HVDC干扰的多种防护方案，但由于HVDC干扰风险的评判指标尚未建立，导致防护目标尚未统一，缺乏在实际生产中已经成功实施的HVDC干扰防护方案。