高压直流接地极杂散电流对新建原油管道的干扰评估与防护方法

曹国民

(国家管网集团东部原油储运有限公司,徐州 221008)

在建董家口至东营原油管道(董东线)起点为董家口输油站，终点分别为齐鲁输油站和东营输油站。管道全长374 km，全线设董家口、安丘、齐鲁、东营共4座输油站场,截断阀室17座，阴极保护站7座。

董东线管道沿线存在多处交直流干扰源，且与33，110，220，500，800，1 000 kV等不同等级高压输电线路并行敷设，间距19～230 m，并行长度约42 km。管线与高压输电线路交叉84处；与电气化铁路交叉13处；管线附近存在3个高压直流接地极，与1处地铁交叉。董东线管线附近的3处高压直流输电工程(HVDC)接地极分别为智圣接地极(距管道17.5 km)、胶东接地极(距管道26 km)以及高青接地极(距管道63 km)，位置关系如图1所示。

图1 董东线与接地极的位置关系Fig. 1 Positional relationship between the Dong-dong pipeline and the grounding electrode

在建董东线沿线存在多个杂散电流干扰源，管线存在运行安全及腐蚀隐患。为缓解管道在服役后受到的外部杂散电流干扰，董东线管道在设计、施工阶段即对周边诸多干扰源进行调研，结合数值模拟方法对杂散电流干扰的严重程度以及缓解措施进行了评估和设计。本工作仅就高压直流接地极的干扰与防护设计进行介绍。

随着国内基础建设的大力发展，埋地管道受到的杂散电流干扰日趋严重[1-2]，国内已经发生过多起管道投产时阴极保护系统受外界干扰无法同步投运的案例[3-4]。同时，相关文献也报道了接地极阴极放电和阳极放电对在役管道的影响[5-8]。因此，管道在设计阶段即考虑了沿线的杂散电流干扰问题并提前进行防护设计，以最大限度保障管道的腐蚀防护效果，避免后期整改所涉及的投资追加和二次开挖问题。

1 评估方法介绍

针对董东线沿线HVDC直流杂散电流干扰的预测评价及防护方案设计路线如图2所示。首先对管线、高压直流接地极参数进行收集整理，包括管线资料、接地极资料及土壤环境资料，并对管线附近已有干扰数据进行整理分析；再对现场管线表层土壤电阻率、地电场强度及地电位梯度进行测试。

图2 评价技术路线图Fig. 2 Evaluation technology roadmap

利用上述信息完成计算模型的绘制，包括管线、接地极及土壤结构。利用模型完成高青、智圣及胶东接地极阴、阳极额定电流放电时的干扰预测，并根据阴极保护系统的布置实现干扰调节。对上述完成的预测进行人身安全及腐蚀安全评价，针对满足限值要求的部分提出运行建议；针对超出限值部分制定防护指标，并根据防护指标完成防护方案的设计及优化。

本工作使用CDEGS软件，该软件是解决电力系统接地、电磁场和电磁干扰等工程问题的专业工具软件。它可在正常、故障、雷电和暂态条件下，计算地上或地下任意位置的带电导线组成的网状结构产生的接地电位、导线电位、电磁场和电场分布。

该软件在国内管道界的交直流干扰评估和缓解措施设计方面有广泛应用，其模拟计算结果与现场实测值吻合度良好。在甬沪宁以及日仪输油管道的干扰分析应用中，模拟计算结果与现场实测数据误差小于15%。

2 干扰源调研

董东线共涉及HVDC接地极干扰源三处，其中距离管线最近的为上海庙-山东±800 kV特高压直流输电工程的智圣接地极，接地极中心入地点距离董东线的最小间距约为17.5 km，距离接地极最近的为5号和6号阀室。智圣接地极为双环形结构，内环直径300 m，外环直径400 m。额定运行电流6 250 A，双极不平衡电流10 A，单极强迫停运次数不大于2次/极·年，双极强迫停运次数不大于0.1次/极·a。

宁东-青岛±660 kV特高压直流输电工程的胶东接地极同样为双环形设计，内环直径420 m，外环直径60 m，接地极距离管线的最小间距约26 km，距离接地极最近的阀室为6号阀室，距离接地极最近的站场为安丘站。接地极附近土壤电阻为500～1 000 Ω·m，暂无详细信息。额定输送电流3 000 A，双极运行时不平衡电流30 A。

扎鲁特-青州±800 kV特高压直流输电线路工程的高青接地极同样为双环形设计，内环直径420 m，外环直径600 m，接地极距离管线的最小间距约63 km，距离接地极最近的阀室为15号阀室。额定运行电流为6 250 A，双极不平衡电流为10 A，单极强迫停运次数不大于2次/极·年，双极强迫停运次数不大于0.1次/极·a。

根据电力部门提供的2018和2019年度统计的智圣接地极大地回路运行情况，接地极单极大地运行概率较低，年放电概率约为0.1%；而2019年胶东接地极阳极单极大地运行一次，且放电时间持续1周，单次年放电概率接近2%。接地极放电为偶然事件，主要用于应急运行。由于无法获取准确的接地极放电概率及放电量，同时为了保障管线运行安全性，在本次研究中3个接地极年放电概率选取1%，阴、阳极放电概率均为50%。

3 干扰情况预测

3.1 智圣接地极干扰预测

由于干扰大小未知，首先假定管道沿线7套阴极保护系统全部处于未运行状态，计算智圣接地极阴、阳极额定电流入地时管道沿线干扰电为分布如图3所示。当智圣接地极阴极额定电流放电时，管道远接地极位置电流由土壤流入管线，管线电位负向偏移，电位最负为-7.59 V(相对于铜硫酸铜电极，下同)；近接地极位置电流由管线流入土壤，管线电位正向偏移，最正电位为8.25 V。而接地极阳极额定电流放电时，杂散电流反向，近接地极位置电流流入管线，电位负向偏移，最负电位为-9.35 V，远接地极位置电流流出管线，电位正向偏移，最正为6.49 V。

图3 智圣接地极阴极放电和阳极放电的管道电位Fig. 3 On potential of pipeline during the cathodic discharge and anodic discharge of Zhisheng grounding electrode

设置阴极保护系统控制电位为-1.4～-1.5 V，当智圣接地极阴极额定电流放电时，仅5号阀室及安丘站处管线电位正于控制电位，阴极保护系统正常输出电流，其余阴极保护系统均停止运行。调节5号阀室及安丘站阴极保护系统输出电流得到智圣接地极阴极额定电流放电时，管道沿线干扰电位分布如图4所示。其中近接地极位置管线电位由阴极保护系统未运行前的8.25 V负向移动至4.04 V，远端由-7.59 V负向移动至-8.58 V。

图4 智圣接地极的阴极保护调节效果(阴极放电)Fig. 4 Cathodic protection regulation effect in Zhisheng grounding electrode (cathodic discharge)

设置阴极保护系统控制电位为-1.4～-1.5 V，当智圣接地极阳极额定电流放电时，仅5号阀室及安丘站处管线电位负于控制电位，阴极保护系统停止运行，其余阴极保护系统均正常运行。调节阴极保护系统输出电流得到智圣接地极阳极额定电流放电时，管道沿线干扰电位分布如图5所示。其中远接地极位置管线电位由阴极保护系统未运行前的6.49 V负向移动至2.09 V，远端由-9.35 V负向移动至-9.87 V。

图5 智圣接地极的阴极保护调节效果(阳极放电)Fig. 5 Cathodic protection regulation effect of Zhisheng grounding electrode (anodic discharge)

智圣接地极阴、阳极额定电流放电时，按照年放电率1%，阴、阳极各50%，沿线阴极保护系统调节后计算得到管道沿线腐蚀速率分布如图6所示。阳极额定电流放电时管线在董家口附近的腐蚀速率最大，为0.077 3 mm/a，这是由于阳极干扰时，董家口附近管线为远地部分，电流由管线流入土壤，管线发生腐蚀，而1号阀室阴极保护系统距离该位置约11.25 km，无法消除该腐蚀。阴极额定电流放电时最大腐蚀速率在近接地极位置，为0.134 mm/a，这是由于阴极干扰时，近接地极区域管线电流由管线流入土壤，管线发生腐蚀，而距离该位置最近的阴极保护系统在上游15.7 km的5号阀室及下游27 km的安丘站，均无法消除该腐蚀。

图6 额定电流放电时的管道沿线腐蚀速率Fig. 6 Corrosion rate along the pipeline when discharged at rated current

3.2 胶东接地极干扰预测

由于干扰大小未知，首先停运管道沿线的7套阴极保护系统，计算胶东接地极阴、阳极额定电流入地时管道沿线干扰电位，结果表明：当胶东接地极阴极额定电流放电时，管道远接地极位置电流由土壤流入管线，管线电位负向偏移，电位最负为-2.84 V；近接地极位置电流由管线流入土壤，管线电位正向偏移，最正电位为+2.94 V。而接地极阳极额定电流放电时，杂散电流反向，近接地极位置电流流入管线，电位负向偏移，最负电位为-4.04 V，远接地极位置电流流出管线，电位正向偏移，最正为1.74 V。相比智圣接地极，干扰明显减小，这是由于胶东接地极距离管线的最小间距为26 km。小于智圣接地极(17 km)，且胶东接地极的额定入地电流为3 000 A，也小于智圣接地极(6 250 A)。

设置阴极保护系统控制电位为-1.4～-1.5 V，当胶东接地极阴极额定电流放电时，理论显示1号阀室、13号阀室阴极保护电位较负，阴极保护系统停止输出；其余阴极保护系统正常运行，见表1。

表1 胶东接地极阴极放电时管道沿线的管道电位Tab. 1 The on potential along the pipeline during the cathodic discharge of the Jiaodong grounding electrode

调节阴极保护系统输出电流得到胶东接地极阴极额定电流放电时，5号阀室、安丘站、9号阀室、15号阀室及东营站阴极保护系统均正常运行。其中近接地极位置管线电位由阴极保护系统未运行前的+2.94 V负向移动至+1.62 V，远端电位由-2.78 V负向移动至-3.11 V。

设置阴极保护系统控制电位为-1.4～-1.5 V，当胶东接地极阳极额定电流放电时，理论显示5号阀室、安丘站阴极保护电位较负，阴极保护系统停止输出；其余阴极保护系统正常运行，见表2。

表2 胶东接地极阳极放电时管道沿线的管道电位Tab. 2 The on potential along the pipeline during the anodic discharge of the Jiaodong grounding electrode

调节阴极保护系统输出电流得到胶东接地极阳极额定电流放电时，1号阀室、9号阀室、13号阀室、15号阀室及东营站阴极保护系统均正常运行。管道沿线干扰电位分布如下：近接地极位置管线电位由阴极保护系统未运行前的-2.84 V负向移动至-4.24 V，远端电位由+1.74 V负向移动至+0.036 V。

胶东接地极阴、阳极额定电流放电时，按照年放电率1%，阴、阳极各50%，沿线阴极保护系统调节后计算得到管道沿线腐蚀速率分布如图7所示。阳极额定电流放电时管线在董家口附近的腐蚀速率最大，这是由于阳极干扰时，董家口附近管线为远地部分，电流由管线流入土壤，管线发生腐蚀。而1号阀室阴极保护系统距离该位置约11.25 km，无法消除腐蚀。阴极额定电流放电时，最大腐蚀速率在近接地极位置，这是由于阴极干扰时，近接地极区域管线电流由管线流入土壤，管线发生腐蚀，而距离该位置最近的阴极保护系统在上游22.4 km的5号阀室及下游20 km的安丘站，均无法消除该腐蚀。

图7 胶东接地极干扰管线的腐蚀速率Fig. 7 Corrosion rate along the pipeline when the Jiaodong ground electrode was discharged

3.3 高青接地极干扰预测

由于干扰大小未知，首先停运管道沿线7套阴极保护系统，计算高青接地极阴、阳极额定电流入地时管道沿线干扰电位，结果表明，当高青接地极阴极额定电流放电时，管道远接地极位置电流由土壤流入管线，管线电位负向偏移，电位最负为-0.699 V；近接地极位置电流由管线流入土壤，管线电位正向偏移，最正电位为-0.266 V。而接地极阳极额定电流放电时，杂散电流反向，近接地极位置电流流入管线，电位负向偏移，最负电位为-0.834 V，远接地极位置电流流出管线，电位正向偏移，最正为-0.401 V。与智圣、胶东接地极相比，干扰明显减小，这是由于高青接地极距离管线最小间距为63 km，小于智圣接地极和胶东接地极；且高青接地极的土壤电阻率较低，深层土壤电阻率仅为1 500 Ω·m。

设置阴极保护系统控制电位为-1.4～-1.5 V，当高青接地极阴极额定电流放电时，理论上均正于控制电位，均正常运行，见表3。

表3 高青接地极放电时的管道沿线管道电位(阴极放电)Tab. 3 On potential along the pipeline when the Gaoqing ground electrode was discharged (cathodic discharge)

调节阴极保护系统输出电流得到高青接地极阴极额定电流放电时，阴极保护系统均正常运行情况下，管道沿线干扰电位分布如图8所示。管线最正电位为-1.01V，现场测试结果表明董东线沿线表层土壤电阻率较低，因此IR降较小(假定为50 mV)，通电电位达到-1.01 V时可以认为满足-850 mV的极化电位保护准则要求[9]。

图8 高青接地极放电时管道沿线的管道电位(阴极放电)Fig. 8 On potential along the pipeline when the Gaoqing ground electrode discharged (cathodic discharge)

设置阴极保护系统控制电位为-1.4～-1.5 V，当高青接地极阳极额定电流放电时，理论上均正于控制电位，均正常运行，见表4。

表4 高青接地极放电时的管道沿线管道电位(阳极放电)Tab. 4 On potential along the pipeline when the Gaoqing ground electrode was discharged (anodic discharge)

调节阴极保护系统输出电流得到高青接地极阳极额定电流放电时，阴极保护系统均正常运行情况下管道沿线干扰电位分布如图9所示。管线最正电位为-0.97 V，现场测试结果表明董东线沿线表层土壤电阻率较低，因此IR降较小，通电电位达到-0.97 V时可以认为极化电位满足-850 mV极化电位准则要求[9]。

图9 高青接地极阳极干扰下的管道沿线的管道电位(阳极放电)Fig. 9 Pipline potential along the pipeline with the anodic interference of Gaoqing electrode cathodic discharage

根据计算结果，管线均电连接情况下，7座阴极保护站可将高青接地极额定放电造成的干扰控制在标准范围内，因此不再计算高青接地极对管线造成的腐蚀情况。

4 干扰评价

4.1 评价指标

高压直流干扰评价指标：高压直流干扰对埋地金属管线的风险主要为两个方面；人身安全风险、管道安全风险。

基于国标GB/T 3805-2008《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》 ，直流电流产生的人身安全电压限值取±35 V。

针对管道腐蚀风险极化电位评价：根据我国国家标准GB 50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》、GB 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中相关规定，即对于施加阴极保护的管道，一般情况下应满足在受到干扰时，管道全线极化电位负于-850 mV。董家口至东营原油管道工程采用X60及X65钢，一般来说，当管线钢钢级为X80或以上时，氢脆敏感性较高，需要考虑阴极保护电位过负风险。因此，在本次研究工作中不考虑阴极保护电位过负问题。

针对管道腐蚀风险腐蚀速率评价，基于NACE SP0169-2013《Control of External Corrosion on Under Ground or Submer Ged Metallic Piping Systems》选取腐蚀速率限值为0.025 4 mm/a。

综上所述，高压直流干扰对埋地金属管线安全评价如下。

(1) 针对人身安全评价：对于潮湿环境，管地电位限值为±35 V；

(2) 针对腐蚀安全评价：管道极化电位负于-850 mV或腐蚀速率小于0.025 4 mm/a。

4.2 干扰评价

首先对不同接地极额定电流放电时的人身安全进行评价，如表5所示。3个接地极对管线造成的直流干扰均满足±35 V的人身安全限值要求。

表5 人身安全评价准则Tab. 5 Personal safety evaluation criteria

不同接地极额定放电时，管道电位评价结果如表6所示，仅高青接地极满足限值要求，其余均不达标。

表6 腐蚀安全评价准则Tab. 6 Corrosion safety evaluation criteria

3个接地极均按年放电率1%，阴、阳极各50%，计算得到管道沿线腐蚀速率如图10所示，最大腐蚀速率为0.472 mm/a，大于0.025 4 mm/a，不满足标准要求。

图10 高压直流接地极干扰下的管线腐蚀速率Fig. 10 Corrosion rate of pipeline with the interference of HVDC grounding electrode

5 防护措施设计

前述评价结果显示：管道干扰电位均满足±35 V人身安全限值要求，胶东及智圣接地极干扰时管道电位均不满足-850mV腐蚀限值要求，管线腐蚀速率不满足0.025 4 mm/a的限值要求。考虑到高压直流接地极干扰大、影响广，若想达到-850 mV的极化电位准则难度大，经济投入高且性价比低。同时考虑到高青接地极距离管线远且土壤环境较好，干扰可通过阴极保护系统调节实现防护，因此确定防护目标：智圣及胶东高压直流接地极放电造成的年腐蚀速率不大于0.025 4 mm/a。

目前业界针对高压直流接地极造成的管线干扰治理方案分为三种，一是针对干扰源进行控制，电网方控制入地电流、远距离避让管线、设置分体时接地极、接地极迁址等；二是针对受干扰源，管道方沿管线水平敷设锌带、设置外加电流阴极保护系统、分段绝缘、设置接地垫、设置高电阻土壤等；三是针对已形成干扰，进行高后果区重点防护、非高后果区检测、增加内检测频次等。本工作中的接地极建设在前、管线建设在后，因此针对管道进行防护设计实现防护目标，本次防护设计将采用敷设锌带及设置绝缘接头的方式进行。

管道沿线敷设锌带是一种比较成熟的防护方案。很多地区干扰电压较高，敷设锌带的施工成本高，施工风险也高，因此配合采用管线分段绝缘的方式进行防护。但是该措施将造成绝缘接头上下游互为近、远端，电位将发生偏移，降低最大干扰的同时增加了风险点数量，因此绝缘接头的设置需要根据现场阴极保护系统的布置进行合计规划。

上述研究发现，高青接地极干扰可通过现有阴极保护系统的自调节实现防护。因此本节仅针对胶东及智圣接地极对管线造成的干扰进行设计，防护措施为设置绝缘、增加阴极保护系统及敷设锌带。

5.1 设置绝缘与阴极保护

设计资料显示3、8号阀室及安丘站绝缘接头上下游电绝缘，且安丘站设置两套阴极保护系统分别保护绝缘接头上下游。接地极均按照年放电率1%，阴、阳极各50%，计算胶东及智圣接地极额定电流放电时管道沿线腐蚀速率分布见图11。结果表明：管道最大腐蚀速率为0.620 mm/a，大于0.025 4 mm/a的防护目标，仍需进行进一步防护。

图11 3号、8号阀室设置绝缘后高压直流接地极干扰下管线的腐蚀速率Fig. 11 Corrosion rate of pipelines under the condition of HVDC ground electrode interference after the insulation of No. 3 and No. 8 valve chamber

值得注意，直流输电系统单极运行时，可能会造成阴极保护系统运行异常，恒电位仪输出超压或输出为零，甚至无法运行[12]，在这种情况下可以考虑采用恒压模式运行(整流器)。

5.2 设置缓解锌带

上述计算结果显示，在3号阀室、安丘站、8号阀室设置绝缘接头，并在安丘站设置两套外加电流阴极保护系统洁癖，管线最大腐蚀速率为0.620 mm/a，仍大于0.025 4 mm/a。因此继续在管道沿线敷设锌带，用试错法不断调整锌带敷设长度及位置，当管道沿线52处位置合计敷设锌带12 480 m时，管道沿线受高压直流接地极干扰的最大腐蚀速率降至0.024 2 mm/a，达到0.025 4 mm/a的防护目标要求。

6 结论与建议

利用现有干扰数据及地电场强度测试数据绘制调试校核了HVDC接地极直流干扰预测模型；基于模型计算分析了在建董东线受HVDC接地极干扰的情况。

模拟结果表明管道受HVDC接地极干扰时沿线最大腐蚀速率为0.472 mm/a，大于标准要求的0.025 4 mm/a，干扰程度超出评价指标，需要进行防护设计。

基于管线腐蚀速率不超过0.025 4 mm/a的指标开展了防护设计计算，推荐采用设置绝缘与敷设缓解锌带的方式缓解干扰。

管道方采取的缓解措施都是被动的，缓解效果受限、经济代价高昂，电力方采取主动措施减少杂散电流泄放的频次与时间，才是最有效的主动防护措施。

建议管道方与电力方建立联动协作机制，在HVDC接地极放电前提前通知/预警，以便管道方及时防范风险。