特高压直流入地电流对埋地钢管阴极保护的干扰影响

2023-01-10 14:00:04 作者：钟雪1，张文艳1，但涛2 来源：1.西南油气田分公司集输工程技术研究所；2.西南油气田分公司蜀南气矿分享至：

随着高压/特高压直流输电线路、电气化铁路的大规模建设，油气管道沿线的交直流干扰越来越严重。在接地极单极运行或故障检测时，通过接地极的瞬间入地电流可高达上千安培，对周围埋地管道造成严重直流干扰，使管地电位大幅正向或负向偏移，导致防腐蚀层剥离、管道腐蚀加速，甚至会造成人员伤亡、设备损害等事故，严重威胁管道安全平稳的运行。

在特高压输电系统单极放电情况下，因直流电压、放电时间、接地极放电电流等因素的影响，接地极入地电流对附近埋地钢管和阴极保护系统造成的干扰程度、影响范围、腐蚀风险会有所不同。近些年来，国内关于高压/特高压直流输电系统对埋地钢质管道干扰的研究较多。

本工作以川渝地区某集输管道和共乐接地极为研究对象，通过监测特高压直流接地极单极放电过程中管道阴极保护参数，分析了入地电流对管道阴极保护的干扰范围及影响程度。

1、管道情况

川渝某集输管道全长110.4 km，采用L485M螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管，外防腐蚀层采用工作温度不超过50 ℃的常温型三层PE。管道沿线耕地以山坡旱地和坡地梯水田为主，区内土壤电阻率在11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蚀性等级以中等腐蚀性为主，强腐蚀性次之，少量基岩地区为弱腐蚀性。

集输管道沿线设置5座截断阀室，管道阴极保护系统包括2#、3#和5#阀室处的3座阴极保护站，120个普通测试桩，18个智能测试桩，47处直流排流设施（远端排流点2处、局部接地锌带排流点45处）；在首站、末站以及距首站38.6 km（35#桩）和86 km（84#桩）处设置有绝缘接头；同时在进、出阀室两侧管道的合适位置（距离阀室50~100 m）各设置一处过电位保护点，各过电位保护点安装了防浪涌保护装置对阀室进行排流保护，防止管道线路上的电涌对阀室内设备的冲击和干扰。

2、接地极情况

该管道途经共乐接地极。该接地极为向家坝-上海800 kV特高压直流输电线复龙换流站和宜宾-金华800 kV特高压直流输电线宜宾换流站共用，管道与接地极的最近距离约14.8 km，其位置关系如图1所示。共乐接地极极环采用同心双圆环布置：内环半径为240 m，埋深为3.5 m，焦碳填充截面为0.6 m×0.6 m；外环半径为315 m，埋深为4 m，焦碳填充截面为0.6 m×0.6 m。共乐接地极设计性能如下：额定电流4540 A，暂态电流6045 A（3 s），最大电流8500 A（20 min）。

图1 管道与接地极位置关系示意图

3管道阴极保护有效性

共乐接地极放电期间（电流2900 A），对管道沿线通电电位/断电电位进行监测，结果如图2所示。由图2可知：在共乐接地极放电期间，管道87#桩断电电位最正，为-0.556 V，35#桩上游位置断电电位最负，为-1.168 V；管道断电电位正于-0.85 V即极化电位不达标的测试桩共有11处，分别为20#、50#、52#、62#、65#、78#、82#、83#、84#上游、84#下游、87#；靠近接地极最近的测试桩电位正向移动，入地电流由近端流出管道，判断此次接地极放电为阴极放电。

图2 共乐接地极放电期间管道沿线电位分布

4管道电位偏移

两处绝缘接头将管道分成3段，共乐接地极放电期间每段绝缘管道都存在电流流入、流出管段。在共乐接地极放电期间（电流2900 A），在各测试桩处对管道通电电位/断电电位进行连续监测，管道沿线电位偏移量及不同时刻管道通电电位分布如图3和图4所示。

图3 共乐接地极放电期间管道沿线电位偏移量

图4 共乐接地极放电期间不同时刻管道通电电位分布

结果表明：在首站至35#桩、35#桩至48#桩、72#桩至84#桩、87#桩至末站，管道电位负向偏移，这些管段为本次放电期间的阴极区，接地极放电形成的杂散电流由此区域流入管道，管道表面无腐蚀风险；在50#桩至72#桩、84#桩至87#桩，管道电位正向偏移，这些管段为本次放电期间的阳极区，杂散电流由此区域流出管道，管道表面漏损点位置有腐蚀风险；在管道阴极区，管道通电电位最负达到-3347 mV，负向偏移量为2332 mV；在管道阳极区，管道通电电位最正达到+189 mV，正向偏移量为1381 mV；电位负向偏移管段长度约79 km，电位正向偏移管段长度约28 km，接地极放电对管道全线均造成了干扰影响。

5绝缘接头两侧电位

绝缘接头作为线路阴极保护系统的防护措施，实现线路分段绝缘：在首站至35#桩，35#桩至84#桩，84#桩至末站。对35#桩处绝缘接头上下游管道电位进行分析，如图5所示。由图5可知：在1:17左右，绝缘接头两侧电位出现分化，呈相反趋势，1:25-1:57两侧电位差值达到极值，巨大的电位差导致此处绝缘接头腐蚀风险较高；此次接地极放电干扰影响时间为1:17-1:57，管道受到约40 min持续放电干扰，放电结束后管道电位基本恢复至干扰前水平。

图5 不同时刻35号桩上下游管道通电电位

6锌带排流量

线路上共设置28处锌带，其中21处锌带与管道未连接，放电前通过管道阴极保护测试发现41#和61#测试桩处锌带开路电位分别为-0.99 V和-0.94 V；放电期间对5处锌带进行了排流量监测，分析锌带排流效果，监测结果见表1。结果表明：共乐接地极放电时，通过锌带流入流出的电流量明显增大，锌带能起到良好的排流作用；但接地极放电量较大时，由于锌带自身排流的局限性，无法完全抑制干扰。

表1 共乐接地极放电期间锌带排流量

7恒电位仪输出电流

图6 不同恒电位仪输出电流曲线

由图6可见：共乐接地极放电前，3台恒电位仪输出电流平稳；此次接地极为阴极放电，干扰电流从管道远端流入近端流出，为抑制杂散电流干扰，靠近接地极的2#和3#阀室处阴极保护站的恒电位仪输出电流增大，2#阀室处恒电位仪输出电流由0.8 A增大至5.2 A；3#阀室处恒电位仪输出电流由3.2 A增大至7.3 A后，由于无法抵抗外部干扰，电位仪出现故障，自动启动保护功能，无法正常工作，接地极放电结束后，依旧处于故障状态；5#阀室处管道两端电位负向偏移，恒电位仪输出降低，由1.2 A降低至0.1 A；在接地极放电结束后，2#和5#阀室处恒电位仪输出电流瞬间恢复至正常状态，对杂散电流干扰响应迅速，自动调整时间基本无迟滞现象。

8结论与建议

通过连续监测共乐接地极放电期间管道电位，分析了接地极放电对该管道电位的偏移、干扰范围及影响程度，得到了以下结论：

(1) 共乐接地极阴极放电时（电流2900 A），管道全线共有11处极化电位不达标。(2) 50#桩至72#桩、84#桩至87#桩是本次放电期间的阳极区，管道表面漏损点位置有腐蚀风险。(3) 电位负向偏移管段长度约79 km，电位正向偏移管段长度约28 km，接地极放电对管道全线均造成了干扰影响。(4) 管道受到约40 min持续放电干扰，绝缘接头两侧电位差值大，腐蚀风险较高。(5) 在接地极放电期间，恒电位仪和锌带能起到良好的干扰缓解和抑制作用，但由于锌带自身排流的局限性以及恒电位仪工作状态，当接地极入地电流较大时，现有设施无法完全排除干扰将电位控制在标准许可范围内。结合管道阴极保护情况及测试结果，提出以下几点建议：(1) 为掌握全年接地极的放电情况及放电对管道的干扰影响，建议在管线阴极保护末端、干扰严重段、干扰分界点等位置安装阴极保护智能测试桩，定期监测管线各项参数。(2) 接地极放电时绝缘接头两侧电位呈相反趋势，电位差大，绝缘接头腐蚀风险高。建议在绝缘接头内外侧安设腐蚀监测点，定期监测绝缘接头内外侧腐蚀情况。(3) 对全线阴极保护系统进行输出调试，适当提高恒电位仪输出，在接地极未放电情况下保证管道全线阴极保护电位达到标准要求；同时在阴极保护系统末端、干扰严重区域等保护薄弱位置增加牺牲阳极补充保护。(4) 定期检查管线上排流锌带与管道的连接状态，确保连接有效；定期测试排流锌带的相关参数，包括锌带开路电位、锌带接地电阻等，确保锌带的有效性。

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