数值模拟海底电缆对沉海油气管道的交流干扰风险

梁 毅,杜艳霞,谢丝莉

(北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

目前，全球竞相发展新能源产业，而海洋领域的新能源开发更是占据着极其重要的地位，海底电缆作为沿海岛屿与城市之间电力与通信的重要传输手段，其重要性不言而喻。对于拥有长达1.8万km海岸线，超过6 000个大小岛屿的中国来说，海底电缆的需求量十分巨大。近年来，随着我国海洋开发的大力推进以及海洋渔业的发展，沿海人民对电力、通讯的需求不断增加。另外，我国浅海不断发现新的油气田，海上石油平台通讯、供电、勘探，海上风电场的建设、海洋渔业的发展等进一步增大了海底电缆的需求[1-4]。我国海底电缆行业的蓬勃发展使海底电缆与沉底管道发生长距离并行或多次交叉的可能性增大，易形成长距离的共用走廊带。而大量的架空高压输电线与埋地管道的研究表明[5-8]，与埋地金属管道并行的高压输电线路会通过电磁感应、电阻耦合等方式在埋地管道上感应出交流电压和电流，对管道造成交流干扰，从而对管道产生不可忽视的危害，如会引起交流腐蚀，导致管道穿孔泄漏，影响阴极保护系统的正常运行，造成保护电位不满足保护要求，牺牲阳极发生“极性逆转”等问题,同时还会对工作人员产生电击危害，严重威胁工作人员的人身安全[9-10]。但是，由于海底电缆在近些年才开始迅猛发展，海底电缆对沉底油气管道的交流干扰还缺乏相关的研究，针对海底电缆对邻近油气管道干扰的影响尚未明确。

本工作构建了海底电缆与沉海油气管道的电磁干扰数学模型，通过模拟计算考察了海底电缆对油气管道的交流干扰风险及影响因素，为海底电缆敷设提供一定的参考以保障相邻管道的正常运行。

1 计算模型建立与参数设计

图1显示了用于模拟计算的海底电缆与沉海油气管道(以下称管道)的几何模型，管道全长约20 km，海底电缆全长约17 km，海底电缆与管道并行约7 km，管道在左侧(E点)登陆后有绝缘接头。海底电缆为交联聚乙烯绝缘单芯光电复合海底电缆，三相电缆分别来源于不同的厂家，但可以将海底电缆结构进行简化，如图2所示。

图2 简化后海底电缆结构Fig.2 Structure of submarine cable after simplification

利用电磁干扰模拟软件(CDEGS)模拟计算常态运行下海底电缆对管道干扰情况。管道、海底电缆以及环境特性参数如表1所示。在后续的计算中，保持这些参数不变。

根据上述条件，建立数值模拟的计算模型，在计算管道的交流电流密度时，可采用公式法和模拟真实破损法两种方法进行模拟。

公式法是通过模拟计算获得的交流干扰电压和GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中电流密度的计算公式，如式(1)所示，计算管道上电流密度分布。

表1 计算模型中的恒定参数设置Tab. 1 Constant parameter settings in calculation model

(1)

式中：JAC为评估的交流电流密度，A/m2；V为交流干扰电压有效值的平均值，V；ρ为土壤电阻率(取测试点处管道附近土壤电阻率的实测值)，Ω·m；d为破损点直径，按发生交流腐蚀最严重时的考虑，取0.011 3 m。

模拟真实破损法是在具有某一特定涂层面电阻率的管道涂层表面均匀绘制破损点，使得该管道涂层面电阻率达到预定值，通过计算破损点流出的电流，获得管道上的电流密度分布。

以上两种数值模拟方法的计算结果如图3所示。结果显示，公式法与模拟真实破损法得到的交流电流密度相差不大。因此，交流电流密度的后续运算均采用公式法进行计算。

图3 两种数值模拟方法的计算结果对比Fig.3 Comparison of calculation results by two numerical simulation methods

参考BS EN 15280-2013《应用于阴极保护埋地管道的交流腐蚀可能性评价》及BS ISO 18086-2015《金属和合金的腐蚀 交流腐蚀的测定 防护等级》中关于使用交流电流密度判断交流干扰的标准，根据计算获得的交流电流密度对油气管道受交流干扰的程度进行评估。

表2 交流干扰程度的判断指标Tab. 2 Assessment criteria of AC interference degree

2 模拟计算结果及影响因素分析

以海底电缆与沉底管道的基本参数及所处环境的特性参数为基础，构建计算模型，通过CDEGS进行数值模拟计算，分析常态运行下海底电缆对邻近管道的干扰，考察了海底电缆负载电流不平衡度、海底电缆与管道的间距、海底电缆外被层面电阻率以及海底电缆的接地方式等对管道干扰情况的影响。

2.1 海底电缆负载电流不平衡度的影响

根据构建的模型，此时海底电缆与管道的间距为200 m，海底电缆接地方式为两端三相互连接地。当常态运行负载电流为1 411 A，负载电流不平衡度为4%时，三相电流的最大负载电流为1439A(上浮2%)，最小负载电流为1 383 A(下降2%)，在6种电流分配情况下,如表3所示，计算管道受干扰的情况，结果如图4所示。结果显示，不平衡度为4%时，三相电流中各相实际负载电流的差异是引起管道干扰程度不同的原因。其中当A相实际电流(IA)为1 411 A，B相实际负载电流(IB)为1 383 A，C相实际负载电流(IC)为1 439 A时，管道的交流干扰电压和交流电流密度都达到最大，分别为0.38 V和56.60 A/m2。当A相实际电流为1 411 A，B相实际负载电流为1 439 A，C相实际负载电流为1 383 A时，管道受干扰的程度最小，此时管道的最大交流干扰电压为0.13 V，最大交流电流密度为19.82 A/m2。由此可见，负载电流在三相中分配的不同会导致管道受干扰程度存在明显的差异。

表3 负载电流不平衡度为4%时三相电流中各相电流的分配情况Tab. 3 Current distribution in three phase current at load current imbalance of 4%

(a) 交流干扰电压(b) 交流电流密度图4 常态负载电流不平衡度为4%时管道的交流干扰电压和交流电流密度Fig.4 AC interference voltage (a) and AC current density (b) of pipeline at load current imbalance of 4%

改变负载电流不平衡度进行计算，当负载电流不平衡度为2%和1%时，管道的交流干扰电压随负载电流分配情况的变化规律与负载电流不平衡度为4%时的相似。当A相实际电流为1 411 A，B相实际电流最小，C相实际电流最大时，即海底电缆三相中的实际电流满足IC≥IA>IB时，管道受交流干扰程度最高；当A相实际电流为1 411 A，B相实际电流最大，C相实际负载电流最小时，即海底电缆三相中的实际电流满足IB>IA≥IC时，管道受交流干扰程度最低。

图5展示了在3种负载电流不平衡度及不同电流分配方式下管道的最大交流干扰电压。其中，负载电流的不平衡度及其分配方式如表4所示。结果表明，随着负载电流不平衡度的增加，管道的受干扰程度增加。当不平衡度由4%降低为2%时，不同的负载电流分配方式下管道交流干扰电压降低的程度略有不同，为15%～33%；当不平衡度由2%降低为1%时，不同的负载电流分配方式下管道交流干扰电压降低程度亦不大相同，为17%～23%。

图5 不同方式下管道的最大交流干扰电压Fig.5 Maximum AC interference voltage of pipeline under different modes

2.2 海底电缆与管道间距的影响

选取负载电流不平衡度为1%的情况，参考不平衡度的模拟计算结果，选择A相电流为1 411 A，B相电流为1 396.9 A，C相电流为1 411 A的条件，保持海底电缆接地方式为两端三相互连接地，改变海底电缆与管道间距，对管道受干扰程度的影响进行模拟计算，结果如图6所示。结果表明，当海底电缆与管道的间距为50m时，管道的最大交流干扰电压为0.96 V，最大交流电流密度为142.3 A/m2；当海底电缆与管道的间距增大至300 m，管道的最大交流干扰电压降到0.10 V，最大交流电流密度降低到15.5 A/m2，减低幅度约为89.6%。

表4 不同方式下负载电流不平衡度及各相中电流分配情况Tab. 4 Current distribution in different phases and load current imbalance under different modes

由此可见，随着海底电缆与管道间距的增大，管道的交流干扰电压与交流电流密度减小，管道最大交流干扰电压降低幅度随海底电缆与管道间距的增大而减小，拟合得到二者的关系，用式(2)表示，拟合曲线的拟合优度R2为0.997 7，结果如图7所示。

(a) 交流干扰电压 (b) 交流电流密度图6 海底电缆与管道间距对管道干扰的影响Fig.6 Effects of distance between submarine cable and pipeline on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

U=1.65-0.017×L+6.74×10-5×L2-

0.93×10-8×L3

(2)

式中：U表示管道的最大交流干扰电压，V；L表示海底电缆与管道的间距，m。

2.3 海底电缆外被层面电阻率的影响

海底电缆的简化结构如图2所示，海底电缆铠装的外被层主要用来抵抗外界的机械作用，如海流和沙石的冲击等，其质量是影响海底电缆使用寿命的重要因素[11]，常用黄麻绳、聚丙烯绳以及沥青等作为海底电缆外被层材料。且随着海底电缆的发展，其外被层材料越来越多元化，因而有必要考察海底电缆外被层面电阻率对邻近管道交流干扰的影响。以下从电绝缘角度比较了海底电缆外被层材料对管道干扰的影响。保持海底电缆的负载电流条件不变，参考海底电缆与管道间距对管道干扰影响的计算结果，选取管道交流电流密度为30 A/m2、海底电缆与管道的间距为210 m，构建计算模型，计算海底电缆铠装外被层面电阻率对管道干扰的影响，结果如图8所示。结果表明，海底电缆外被层面电阻率对管道干扰的影响较大，管道的交流干扰电压及交流电流密度随外被层面电阻率的增大而增大，当外被层面电阻率达到30 Ω·m2时，管道的最大交流电流密度超过30 A/m2，管道存在一定的交流腐蚀风险。

管道最大交流干扰电压与外被层面电阻率关系可以用式(3)来拟合，拟合后曲线如图9所示。由图9可见，当外被层面电阻率增大到一定程度时，管道最大交流干扰电压的增幅减小，拟合曲线的拟合优度R2为0.996 5。

图7 管道最大交流干扰电压随海底电缆与管道间距的变化曲线Fig.7 Relationship of maximum AC interference voltage of pipeline and distance between submarine cable and pipeline

U=0.1×ρ0.2

(3)

式中：U为管道最大交流干扰电压，V；ρ为海底电缆外被层的面电阻率。

(a) 交流干扰电压(b) 交流电流密度图8 海底电缆外被层面电阻率对管道干扰的影响Fig.8 Effect of surface resistivity of outer layer of submarine cable on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

图9 管道最大交流干扰随海底电缆外被层面电阻率的变化曲线Fig.9 Relationship of maximum AC interference voltage of pipeline and surface resistivity of outer layer of submarine cable

2.4 海底电缆接地方式的影响

保持海底电缆的负载电流条件不变，参考海底电缆与管道间距对管道干扰影响的计算结果，选取海底电缆与管道的间距为210 m，且海底电缆E点的接地电阻为1 Ω，G点的接地电阻为10 Ω，构建计算模型，计算海底电缆接地方式对管道干扰的影响。海底电缆接地方式主要分为两种，如表5所示。

分别计算这两种接地方式下，海底电缆对管道干扰的影响，结果如图10所示。计算结果显示：三相分别接地方式对管道交流干扰的影响远大于三相互连接地方式的，当接地方式为三相互连接地时，管道受到的交流干扰程度较低，当接地方式为三相分别接地时，管道受到的交流干扰程度较高，由三相互连接地转变成三相分别接地时，管道的最大干扰电压增大了将近6倍。

表5 海底电缆的接地方式Tab. 5 Grounding mode of submarine cable

(a) 交流干扰电压 (b) 交流电流密度图10 海底电缆的不同接地方式对管道干扰的影响Fig.10 The effect of different grounding mode on AC interference voltage (a) and AC current density (b)

通过模拟计算，分别获取了两种接地方式下，海底电缆两端接地极的泄漏电流，如表6所示。由此可见，当接地方式为三相互连接地时，海底电缆两端接地极的泄漏电流很小，三相间的铠装和护套通过接地极形成回路，电流在此回路中形成环流，海底电缆通过接地极流向大地的电流较小，通过阻性耦合作用对管道形成阻性耦合的干扰程度较低，从而导致管道的交流干扰电压较低；当接地方式为三相分别接地时，海底电缆两端接地极的泄漏电流较大，海底电缆通过接地极流向大地的电流较大，通过阻性耦合作用对管道形成较大的交流干扰，使管道存在一定的交流腐蚀风险。

表6 海底电缆两端接地极的泄漏电流Tab. 6 Leakage current of grounding electrode of submarine cable

3 结论

(1) 海底电缆负载电流的不平衡度对沉海油气管道干扰的影响较大，随着负载电流不平衡度的增加，管道的交流干扰电压及交流电流密度均随之增加，且同一负载电流不平衡度下，管道的受干扰程度亦随负载电流分配方式的不同呈现出差异性，当三相中实际负载电流为IC≥IA>IB时，管道的交流干扰风险最大。

(2) 海底电缆与管道的间距对管道干扰影响很大，随间距的增大，管道的交流干扰电压与交流电流密度随着减小。

(3) 海底电缆外被层面电阻率是影响管道受干扰程度的重要因素之一，随着海底电缆外被层面电阻率的增大，管道的交流干扰电压与交流电流密度随之增大，故海底电缆外被层面电阻率应尽可能小，以避免管道遭受交流腐蚀的风险。

(4) 海底电缆采用不同的接地方式时，管道受干扰程度有所差异，当海底电缆采用三相分别接地时，管道受干扰程度较大，由三相互连接地转变成三相分别接地时，管道的最大干扰电压增大了将近6倍。