牛文花 陈少松

北京安科腐蚀技术有限公司

摘要：地磁扰动时刻都在发生，近几年通过智能电位测试桩的监测，在我国不同地域的管道上均监测到了显著的地磁干扰现象。本文首先介绍了地磁干扰的原理，并通过分析监测数据对埋地管道地磁干扰加以识别，进而开展干扰评价，总结了近三年以来埋地管道地磁干扰的规律，以期对埋地管道的地磁干扰识别、监测和评价起到一定的借鉴作用。

关键词：地磁干扰；地磁暴；埋地管道；智能监测分析

1  地磁干扰的原理

地磁场由源于地球内部的稳定磁场和源于地球外部的变化磁场组成，变化磁场起源于分布在地表以上的各种空间电流体系，主要位于电离层、磁层和空间。地球内部的稳定磁场由于磁场稳定一般产生的地磁感应电流非常微弱，影响有限。然而，变化磁场的存在，特别是太阳活动引起的磁暴期会产生变化幅度较大的地磁感应电流，可能对各种人工长距离导电体造成显著影响。国外（特别是高纬度国家，如加拿大、芬兰等）对地磁感应电流干扰管道的现象开展了长期的观测、理论研究与预测。根据所建立的管道地磁感应电流监测系统的记录，当地磁场发生强烈扰动（磁暴）时，感应电场强度可以达到每公里几伏至几十伏，因而对地下管道产生的杂散电流干扰腐蚀就成为一个不可忽视的因素。

地磁场强弱与多个因素有关：

（1）太阳周期变化：太阳周期在大约11年的间隔里出现一次活动高峰。这些周期对应着太阳的南北磁极位置的变化。

（2）太阳自转频率：太阳自转频率大约是27天，由于太阳黑子和太阳耀斑在表面并不是均匀分布的，自转会引起太阳等离子体的变化。

（3）地球自转：随着地球自转，金属结构物会在地球的昼夜间经历地磁的变化。因此，管地电位具有24小时重复性的变化，被称为昼间波动。

（4）等离子体磁场方向：等离子体磁场的方向对地电场的大小有着重要的影响。当等离子体磁场指向南（即逆着地球磁场）时，地磁暴产生一个较大的地电场。但是当等离子体磁场朝北时，地电场则没有明显变化。因此，日冕质喷射对地电场的影响与太阳磁场和地球磁场的排列关系密切相关。

（5）管道与海/湖岸线的接近性：由于低电阻率水体和高电阻率大地之间存在电压差，接近海/湖岸线也会引起管道的电位变化。相比于大地，水体中存在更大的感应电流，从而引起水体中的电荷积累会增加靠近海/湖岸的大地电位。这种现象也存在于大地中高低电阻率土壤的突然变化处。另外，由于霍尔效应，水体的潮汐活动也能产生感应电流，加剧管道电位变化。实际上，大地电性结构的分界处容易加剧管道腐蚀，穿过大地分界面的管道在分界点处受到的地磁暴致灾风险比较大。

（6）管道纬度：管道相对于地磁极的位置对其上感应电场的大小也存在影响。在中纬度区地磁峰值发生的概率最高，而沿着到北极和到赤道的方向减小。

地磁活动可以用Kp指标来表征。Kp指数是由全球地磁台网中13个地磁台站的K指数计算得到，用于表示全球地磁活动性，每3小时采集一个值。Kp指数是基于3小时间隔的算术平均数。该指数是对数值，范围从0（静止）到9（严重），Kp指数超过4的活动被认为是地磁暴。随着Kp指数增大，地磁暴发生的概率对数地减小。一般把Kp=5、6称为中小地磁暴，Kp=7、8、9称为大地磁暴。由图 1可知，地磁小扰动频繁发生，但严重的地磁暴几乎不发生。Kp=6的地磁暴可能发生的概率为2%，可产生平均100 mV/km大小的地电场，其电场范围大致是30 mV/km～300 mV/km（图 2）。

图 1 不同Kp指数等级地磁活动的平均发生率

图 2 地电场峰值大小与Kp指数的关系

2  埋地管道地磁干扰的识别

埋地油气管道受到杂散电流干扰时，识别干扰源是保证管道安全运行的基础。与高压输电线路、地铁、高铁等干扰源不同，地磁干扰很难直接辨识。为了确定埋地管道是否受到地磁干扰的影响，可以结合地磁干扰的特点从以下三方面进行辨识。

（1）地磁干扰对埋地管道电位影响表现为电位呈现无规律波动，且近似存在24小时的昼夜周期；电位波动不仅持续存在，且波动幅度随着地磁暴等级增加而增加。

（2）地磁干扰对大地中所有的埋地金属结构物都会产生影响，因此，不仅受干扰管道全线都会受到影响，而且分布在不同地理位置的管道也同时受到影响，这一点在发生强地磁暴时表现尤为明显。发生强地磁暴时，分布在不同地理位置的管道电位波动同时同步增加；可以利用这一点来明确管道电位的无规则波动是地磁干扰所致。

（3）中国科学院国家空间科学中心（NSSC）空间环境预报中心（网站：http://www.sepc.ac.cn/）会发布已发生的地磁暴事件并对未来短时间内可能发生的地磁暴事件进行预报。埋地管道受到地磁干扰电位波动幅度增加时，可以通过查找对应时段与中心发布的地磁暴时间是否吻合来进一步确认地磁干扰的影响。

3  埋地管道受到地磁干扰的监测分析与评价

通过智能电位测试桩的监测，目前已在我国不同地理位置的埋地管道上监测到了地磁干扰现象。这些位置既有高纬度地区，例如新疆赛里木湖附近、黑龙江漠河附近。也有低纬度地区，例如广西北部湾附近、广东湛江附近，还有滨海地区，例如华北渤海湾、华东黄海海域附近等。

3.1  地磁干扰的监测

以下为2020—2022年地磁暴等级达到3年来最高的一次（Kp=7）案例。

2021年5月，通过对某管线上智能电位测试桩监测数据分析，发现沿线智能电位测试桩通电电位和断电电位均存在持续不规则波动，波动趋势一致，但均未呈现出明显的随时间变化的周期性特点，也无明显的静息期，如图 3所示。经查询空间环境预报中心网站（图 4），5月12日12:00—18:00这段时间内发生Kp=7的大地磁暴事件，因此该时段内管道受到的地磁干扰相较于其他时间明显增强，表现为通电电位波动幅度显著增大，且断电电位波动幅度也有所增大。

图 3 2021年5月12日大地磁暴（ Kp=7）时某管线4处智能测试桩的监测电位-时间分布图

图 4 2021年5月12日—13日大地磁暴事件

3.2  地磁干扰的评价

埋地管道受到的地磁干扰属于动态直流干扰。在评价管道的阴极保护效果或者干扰防护效果时，应当考虑地磁干扰的影响。目前国内外标准中，澳大利亚标准AS 2832.1―2015和国际标准ISO 21857―2021已提出埋地管道地磁干扰的评价准则，而国内尚无相关评价标准。

AS2832.1―2015的评价准则提出：当有迹象表明测试点最正峰值和最负峰值之间的电位差超过200 mV时，应评估大地电流的影响。开展结构物的大地电流影响评估时，必需记录电位24小时以上，至少不少于20小时。如果使用数据记录仪监测电位，其采样频率应不小于每分钟一次。受大地电流影响的整个管段均应开展电位数据记录仪测量工作。受大地电流影响的结构物的电位正于保护标准的时间不得超过测试时间的5%。在确定电位变化的程度时，应评估电位测量时间段内电离层干扰的程度。

ISO 21857―2021的评价准则提出：对于施加阴极保护的管道，如果受到的阳极干扰和阴极干扰随时间变化，干扰可接受的评价准则如下：

（1）阳极干扰：无IR降电位EIR-free满足EIR-free≤ Ep（即保护电位）；或者Eon,avg偏移满足Eon,avg ≤ Eref（即参考电位）–ΔEa,avg。

（2）阴极干扰：平均阴极电位偏移ΔEc,avg满足ΔEc,avg≤500 mV（包括IR降）。

4  地磁干扰的规律分析

空间环境预报中心给出的2020—2022年全年地磁暴等级如表 1所示，Kp=7的大地磁暴2次、Kp=6的中小地磁暴21次、Kp=5的中小地磁暴134次，而Kp≤4的轻度地磁扰动每天都在发生。通过对大量埋地管道智能电位测试桩监测数据的分析，发现管道电位波动的日最大电位差（即波动幅度）正好是地磁暴等级较大的时候。其中，2021年5月12日地磁暴等级达到3年来最高，为Kp=7，持续时长6小时，仅占一年总时长的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴，在2022年发生频次较高，持续时长占一年总时长的0.07%～0.55%；Kp=5的中小地磁暴，同样在2022年发生频次最高，达到了89次，持续时长占一年总时长的0.51%～3.05%；Kp≤4的轻度地磁扰动持续时长占一年总时长的96.37%～99.42%。从近三年监测情况来看，2022年Kp≥5的地磁暴发生频次较高，而绝大部分时间都是Kp≤4的轻度地磁暴干扰。

表 1 地磁暴等级占比时间（ 2020—2022年）

5  结语

目前行业内对地磁干扰的关注并不太多，而埋地管道受到地磁干扰的研究则更少。近年来，智能测试桩的普遍应用可有效提升对管道电位监测数据波动情况的关注，进而加强对埋地管道地磁干扰的认识。针对埋地管道受到地磁干扰影响的评估工作，我国目前尚无相应的标准指导，可参考AS 2832.1―2015和ISO 21857―2021进行干扰评价。开展埋地管道地磁干扰评价时，可结合地磁暴强度信息查询结果，利用“干扰电位正于标准规定保护电位（Ep）的时间占比不超过5%”确定干扰是否可以接受。

作者简介：牛文花，1986年生，毕业于北京科技大学，高级工程师，现从事智能阴极保护系统运行维护、故障诊断、数据分析、系统融合等工作。联系方式：18910386639，niuwh@ancorr.cn。