油气管道受直流杂散电流影响规律及防护措施研究

鄂志国（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

管道是能源输送的主要方式，在其服役的过程中，受电化学腐蚀、细菌腐蚀和化学腐蚀的影响，会不可避免的出现壁厚减薄和穿孔泄露问题，造成严重的经济损失和环境污染[1-2]。电化学腐蚀中的直流杂散电流干扰来源包括直流高压输电系统、直流牵引系统和管道外加电流阴极保护系统等[3]。其中，直流高压输电系统因放电时间不固定、入地电流大、持续时间长等特点，可在放电接地极附近形成恒定的直流电场，对油气管道的腐蚀或氢脆作用较强[4-5]。

西气东输二线[6-7]、上海天然气管道[8]、广东天然气管道[9]等均发生过接地极引发的直流干扰现象，但受限于干扰方放电的不确定性，迄今为止对于高压直流干扰的干扰频次、时长及干扰规律尚认识不足，对于可采取的防护措施未进行定量分析和研究。基于此，利用电位远程监测系统，采用断电试片法监测管道的通、断电电位，得到不同放电类型下的干扰规律，并针对分段绝缘和敷设锌带两种缓解措施进行评价。

1 基本情况

东北地区某天然气管道全长160 km，管材为X60，管径D457×7.5 mm，设计压力10 MPa，管道埋深1.5～2 m，外防腐采用强制电流阴极保护加防腐层的联合防护方式。首站和末站中间有三个阀室，阀室进出站的位置均有跨接线将上下游管道连接，故整条管道处于电连接状态。某新建的高压直流接地极为高硅铬铁材料，采用三个同心圆布置，内环、中环和外环的半径分别为80 m、120 m 和160 m，填充材料为焦炭，最大持续额定电流为3 000 A，最大过负荷电流为3 500 A，双极运行不平衡电流为30 A。接地极与管道的垂直距离为15 km，距离2#阀室的距离最近为17 km。管道与接地极的相对位置见图1。

图1 管道与接地极的相对位置Fig.1 Relative position of pipe and grounding electrode

2 管道电位监测结果

管道电位远程监控系统由电位监测终端、试片、移动通信网络和远程服务器组成，其中试片与管道同材质，面积6.5 cm2，用于模拟防腐层破损点。电位监测终端与试片和管道相连，通过通、断电控制，测试管道的通电电位、断电电位和泄露电流密度；数据采集完成后，通过移动通信网络传输至远程服务器储存，并支持实时调用数据。

在管道站场、阀室及中间测试桩设置监测点。在监测的半年内，共发生了15 次干扰现象，总时长311 h6 min（约13 d），相当于每年的干扰时长为26 d，远超过DL/T 5224—2014《高压直流输电大地返回系统设计技术规范》中关于干扰时长的要求（不超过放电时长的1%，即3.65 d）。有4 次的干扰时长在2 h 以下，最长一次的干扰时长为142 h31 min，其中第10 次和11 次的干扰电流最大为2 700 A，已达到额定入地电流的90%。接地极的干扰频次与时长见表1。

表1 2022 年接地极的干扰频次与时长Tab.1 Interference frequency and duration of grounding electrode in 2022

以入地电流最大的两次为例进行分析：

第10 次为阳极放电，靠近接地极约20 km 的管道电位向负向偏移，最负偏移至-2.81 V，远离接地极约有100 km 的管道电位向正向偏移，最正偏移至-0.18 V，由于首站和末站设有阴极保护系统，故两站的电位逐渐趋向正常水平。通过电位偏移量可知，接地极阳极放电时，靠近接地极的区域为杂散电流流入段，此时管道存在氢脆风险；远离接地极的区域为杂散电流流出段，管道存在腐蚀风险；越靠近接地极，管道电位的偏移量越大。

第11 次为阴极放电，靠近接地极约60 km 的管道电位向正向偏移，最正偏移至4.81 V，远离接地极的其余管道电位向负向偏移，最负偏移至-2.13 V。通过电位偏移情况可知，中间管段和两端互为电流的流入、流出点，靠近接地极的区域为杂散电流流出段，管道存在腐蚀风险；远离接地极的区域为杂散电流流入段，管道存在氢脆风险，且两端阴保站恒电位仪输出的直流电使电位负移更加严重；越靠近接地极，管道电位的偏移量越大。此外，综合不同放电类型的电位偏移情况，阴极放电较阳极放电在远离接地极管段上的干扰程度大。接地极放电时监测点的电位变化情况见图2。

图2 接地极放电时监测点的电位变化情况Fig.2 Potential changes at the monitoring point during the grounding electrode discharge

当接地极放电时，靠近接地极的测试桩受干扰程度最大，绘制监测时段内每次干扰对最近点的影响，最大干扰位置的电位变化情况见图3。第10 次和第11 次接地极放电不仅通电电位大幅变化，断电电位也相应变化，不满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》 中阴保电位-0.85～-1.1 mV 的范围要求。阳极放电存在管道过保护的风险，阴极放电存在管道欠保护的风险，当干扰结束后，管道电位迅速恢复至正常水平。

图3 10 月份最大干扰位置的电位变化情况Fig.3 Potential changes at the position of maximum interference in October

3 防护措施

对高压直流杂散电流干扰的防护措施可以从干扰源和受干扰侧两方面考虑，其中BS/EN 50162—2004《直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护》从干扰源角度介绍了多种防护措施，包括改良接地极设计、更换极址、首选双极运行方式、减少单极大地回线方式的持续时间、直流干扰影响程度测试等[10]。但鉴于从干扰源减少电流泄露具有不确定性和不可控性，故在此只考虑管道自身的防护措施。

管道自身防护可从防腐层完整性、分段隔离、强制排流和阴极保护等方面入手，其中分段隔离和阴极保护是最直接的方法[11]。分段隔离通过减小受杂散电流影响的管段长度，隔离管中电流向远端流动的趋势，以减少杂散电流流入、流出区域；阴极保护是采用牺牲阳极，通过金属接地降低管道与土壤之间的电位差，形成保护系统。

为测试不同防护措施的实施效果，减少现场重复施工，利用Comsol 软件中的一次电流分布、边界元模型进行模拟。设置土壤为无限空域，无穷远处的电解质电位为0；受干扰管道的电位模型为0 外加电流的悬浮电位，表示干扰管道与其余物质没有电连接；在接地极边缘，采用电解液电流密度规定外加电流密度。按照第1 节管道和接地极的实际情况建立模型，以最严重的阴极放电为例，模拟电位与实际监测电位结果对比见图4。散点的现场实测数据与模拟结果基本吻合，说明模型建立可靠，可以用于后续防护措施的评估。

图4 模拟电位与实际监测电位结果对比Fig.4 Comparison between simulated potential and actual monitored potential

3.1 分段绝缘

根据图2，管道在中间和两端的断电电位较大，因此优先选择上述位置进行分段绝缘，分别在距离管道中点20 km 和50 km 处设置两处分段绝缘，将整条管道分为5 个电气不连通的管段，分段绝缘布置示意图见图5。分段绝缘后管道断电电位模拟结果见图6，分段绝缘的防护效果见表2。

表2 分段绝缘的防护效果Tab.2 Protective effect of segmental insulation

图5 分段绝缘布置示意图Fig.5 Layout diagram of segmental insulation

图6 分段绝缘后管道断电电位模拟结果Fig.6 Simulation results of pipeline disconnect potential after segmental insulation

采用分段绝缘后，管道中点与两端的地电位差大幅降低，管地电位变小；在绝缘接头附近的管段，由于电连接方式的改变，成为新的杂散电流流入、流出点，且随着入地电流的增加靠近绝缘接头处的电位有所升高，这部分管段有可能成为新的腐蚀或氢脆风险点。

3.2 阴极保护（牺牲阳极）

在管道中点和两端分别敷设10 km 和5 km 的锌带，锌带可通过测试桩内的连接线与管道相连，敷设锌带布置示意图见图7。敷设锌带后管道断电电位模拟结果见图8，防护效果见表3。敷设锌带的管段，管道断电电位有所降低，中点处呈波谷状，泄露电流密度也有所降低；不敷设锌带的管段，管道电位的变化相对较小。牺牲阳极对于降低管道局部位置处的杂散电流干扰具有重要作用，但对于远离接地极的区域，由于入地电流的影响范围较广，如大面积使用锌带，将导致投资成本和运行成本巨大。

表3 敷设锌带的防护效果Tab.3 Protective effect of laying zinc strip

图7 敷设锌带布置示意图Fig.7 Layout diagram of laying zinc strip

图8 敷设锌带后管道断电电位模拟结果Fig.8 Simulation results of pipeline disconnect potential after laying zinc strip

3.3 双重防护措施

鉴于以上防护措施的优劣性，先对管道进行分段绝缘，降低泄露电流密度，随后在不同绝缘接头处敷设小面积锌带，进一步降低管线电位，减少锌带敷设量，双重防护布置示意图见图9，双重防护的防护效果见表4。与单独采取防护措施相比，采用双重防护措施后，管线电位全线降低，且降低幅度比任何一种防护措施都大，满足管道对阴极保护电位的限制要求。

表4 双重防护的防护效果Tab.4 Preventive effect of double protection

图9 双重防护布置示意图Fig.9 Layout diagram of double protection

3.4 经济效益评价

根据试片的面积，将以上断电电位转化为泄露电流密度，进而转为均匀腐蚀速率。当接地极入地电流密度为2 700 A，管道腐蚀速率为3.571 mm/a，采取双重防护措施后，腐蚀速率降为0.0213 mm/a，满足SP 0169—2013《埋地或水下金属管线系统外腐蚀控制标准》中的要求，此时直流杂散电流对管道的干扰可以忽略不计。由此可平均使管道延寿5～8 a，每年可减少管道更换5～10 km，减少天然气泄露10×104～20×104m3，按照管道单价175 元/m（含管材、土建和施工费用），天然气价格3.5 元/m3核算，年共计节约运行成本105 万元～259 万元。

4 结论

1）针对高压直流输电系统接地极放电引发的干扰情况，利用电位远程监控系统对干扰频次、时长和放电类型进行了监测，结果显示每年的干扰时长为26 d，远超过标准的相关要求。

2）通过电位偏移情况可知，越靠近接地极，管道电位的偏移量越大；阳极放电时远离接地极的管段为杂散电流流出段，阴极放电时靠近接地极的管段为杂散电流流出段，此时管道存在腐蚀风险；阴极放电较阳极放电的干扰程度大。

3）分段绝缘可有效降低管道中点处的电位差，敷设锌带可在局部范围内降低泄露电流密度；采用双重防护措施后，管地电位全线降低，且降低幅度比任何一种防护措施都大；实施后，可节约管道更换里程，减少天然气泄露量，节约运行成本。