郭磊 王磊磊 丁疆强

国家管网集团西气东输公司

 

摘要：管道杂散电流干扰主要涉及管道与土壤、其他设施之间的电位差和电流流动，通过总结西气东输管道杂散电流干扰防护实践经验，提出高压直流电区域管道风险防控、动态直流干扰规律及腐蚀防护、交直流交互干扰规律及腐蚀防护等安全边界，以问题为导向，实施有效的干扰防护措施，消减管道腐蚀风险，保证管道安全平稳运行。

关键词：杂散电流；安全边界；腐蚀防护

 

西气东输管道途经西部资源聚集区域和东部经济发达区域，受明显交直流杂散电流干扰影响。其中高压直流输电线路接地极、地铁、有轨电车等直流干扰源占8.5%，高压交流输电线路等交流干扰源占85.7%，地磁场、潮汐等其他干扰源占5.8%。

1  高压直流电区域管道风险防控安全边界

在全国建立了18个高压直流干扰加速实验点，覆盖我国典型的地区，获得了高压直流干扰在不同地区干扰风险特点。针对高压直流接地极放电干扰对管道的氢脆、断裂控制、腐蚀、设备设施安全的影响，从理论、试验及现场测试等不同维度进行了系统的研究，并建立了西气东输公司范围内设备设施运行安全边界、腐蚀防护安全边界、X80钢管道氢脆风险判定指标及综合安全边界条件。

1.1  高压直流干扰规律

高压直流输电系统主要干扰源为高压直流接地极，在输电系统故障或检修时，通常采用单极大地方式运行。数千安的电流通过接地极泄放到大地中，造成接地极附近的管道受到明显的稳态直流干扰。接地极阳极放电时，电流从接地极入地，靠近接地极的管段吸收杂散电流，使近端管道电位负向偏移，杂散电流从远端管道流出，造成远端管道电位正向偏移；接地极阴极放电时，杂散电流从近端管道流出回到接地极，使近端管道电位正向偏移，远端管道吸收电流，造成远端管道电位负向偏移。

1.2  设备设施可靠运行安全边界

对于自控仪表设备，主要风险为引压管绝缘卡套/绝缘垫片发生烧蚀；对于电力设备，主要风险为高压直流接地极放电期间管道操作人员触电、电驱压气站变压器直流偏磁。相应的安全边界如下。

阀室引压管、绝缘接头电弧和烧蚀安全条件，引压管上、绝缘卡套两侧电压差限制条件：①小于4 V时，可不采取措施；②4 V～10 V时，应保证阀室相邻的引压管间间距不小于10 mm；③大于10 V，应采取排流防护措施将引压管上绝缘卡套两侧电压差降至10 V之内。

阴极保护设备、电涌保护装置损毁安全条件：阴极保护设备、浪涌保护装置不发生损毁，不影响正常工况下阴极保护的保护范围，接地网不泄漏阴极保护电流。

直流偏磁安全条件：降低直流偏磁，直流电流不超过常用的三相三柱变压器额定电流0.7%。

1.3  腐蚀防护安全边界

高压直流放电期间，管道的干扰电压基本不变，即高压直流干扰为恒电压干扰。在高压直流干扰下，防腐层破损点电流密度与腐蚀速率基本符合法拉第定律。在大的恒定干扰电压下，电流密度曲线变化较大，呈现随时间大幅降低，然后趋于稳定的过程。这主要是由于局部土壤干燥导致接地电阻升高，电流密度下降。根据实验结果以及现场测试结果，结合腐蚀速率0.1 mm/a和0.01 mm/a的限制条件，形成高压直流干扰腐蚀防护安全边界（表 1、图 1）。

表 1 高压直流电区域管道腐蚀防护安全边界

图 1 高压直流电区域管道腐蚀防护安全边界评估

1.4  氢脆控制安全边界

获得高压直流干扰电参数、环境因素等对氢脆的影响规律，确定放电时不同电流密度下，接地极年放电时间的限制，形成高压直流干扰氢脆控制安全边界（表 2、图 2），当干扰时长和干扰电流位于图谱红色区间时，X80钢具有氢脆风险。

表 2 高压直流电区域管道氢脆控制安全边界

图 2 X80钢氢脆控制安全边界

2  动态直流干扰规律及腐蚀防护安全边界

研究西气东输公司范围内地铁及现代有轨电车对埋地管道的干扰机理、干扰规律、干扰形态、损伤机理，确定动态直流干扰的评价指标。

2.1  地铁动态直流干扰规律

白天地铁运行时间段（5:00～00:30），管道电位以未受干扰时的夜间电位为中心值正负波动。干扰周期均在秒到分钟的数量级，一般为20 s到3 min之间。越靠近地铁段，管道电位波动幅值越大，西气东输管道电位正向波动最大值超过﹢10 V，负向波动最大值超过﹣12 V。随管道距离地铁越来越远，管道电位波动幅值逐渐降低。

2.2  现代有轨电车动态直流干扰规律

仅电车进站充电时产生干扰。站台附近铁轨与其他走行轨通过绝缘节进行电隔离，杂散电流主要在电车充电时，通过站台处走行轨扩散到外界土壤中，对附近管道造成动态直流干扰。

有轨电车干扰特性为脉冲式干扰。干扰时间一般为5:00～21:00，干扰周期均在秒到分钟的数量级，电车进站充电平均时间为15 s，干扰脉冲时间一般为13 s～22 s，正向波动最大值可达﹢2 V，负向波动最大值可达﹣4 V。

2.3  动态直流干扰腐蚀防护安全边界

确定动态直流干扰评价方法。在动态直流杂散电流干扰下的腐蚀风险采用管道极化电位相对于在该环境中管道阴极保护电位准则偏移量及时间比例进行判断。

划分动态直流干扰腐蚀风险等级。进一步细化评价指标，将评价等级分为高、中、低三级（表 3）。

表 3 动态直流干扰腐蚀防护安全边界

3  交直流交互干扰规律及腐蚀防护安全边界

开展了交直流交互作用下管道腐蚀行为及规律研究，系统分析了交直流交互作用对X80钢电化学特性参数、扩散电阻、阴极保护参数、腐蚀形貌、腐蚀产物成分和腐蚀速率的影响，分别构建了西气东输公司范围内交直流交互作用下基于极化电位及基于电流密度的腐蚀评判指标。

3.1  交直流交互干扰规律

交流电明显加速了试样的腐蚀速率，同一极化电位下，腐蚀速率随交流电流密度增大而增大，而增幅则存在逐渐放缓的趋势；同一交流电流密度下，腐蚀速率随极化电位负移而减小。

当交流电流密度小于100 A/m²时，试样极化电位位于﹣0.95 V～﹣1.10 V（相对于饱和硫酸铜参比电极）区间时，可将腐蚀速率控制在0.1 mm/a以下。

交流电使X80钢的自腐蚀电位负向偏移，增大了自腐蚀电流密度、阴极和阳极电流密度，对阴极阳极的反应过程均有一定的促进作用，且对阳极反应过程的影响大于对阴极，促进了X80钢的自腐蚀，其腐蚀形貌发生均匀腐蚀→点腐蚀→局部腐蚀的转变；高的交流电流密度下，腐蚀产物中出现γ-FeOOH。

3.2  交直流交互干扰腐蚀防护安全边界

基于极化电位的评判指标：交流电流密度低于30 A/m²时，电位应为﹣0.85 V～﹣1.10 V之间；交流电流密度在30 A/m²～100 A/m²时，电位应在﹣0.95 V～﹣1.10 V之间。

基于电流密度的评判指标：管道平均交流电流密度低于30 A/m²时，平均直流电流密度应在0.15 A/m²～0.95 A/m²之间；管道平均交流电流密度为30 A/m²～100 A/m²之间时，平均直流电流密度应在0.79 A/m²～0.95 A/m²之间。

4  风险防范和消减措施

针对管道面临的杂散电流干扰腐蚀风险，以问题为导向，采取有效的干扰防护措施，消减管道腐蚀风险，保证管道安全平稳运行。

4.1  高压直流干扰消减防护措施

线路管道采取绝缘接头分段和锌带排流的防护方案，有效降低了管道沿线干扰电压和腐蚀速率。在站场阀室研发了大功率排流器，实现了管地间高电压等电位处理。排流器最大排流量可达240 A，并具备管地电压自动监测和超压时等电位连接功能，可消除站场阀室放电烧蚀风险。现场实施后有效降低了站场阀室烧蚀和线路管道腐蚀风险（图 3～图 5）。

图 3 锌带排流效果

图 4 绝缘接头分段效果

图 5 站场阀室大功率排流器效果

4.2  地铁等动态直流干扰消减防护措施

对地铁等动态直流干扰采用强制电流阴极保护和极性排流联合防护方式，有效减少杂散电流流入，全线电位水平均得到改善。阴保系统在恒位、恒流工作模式下，通电电位波动幅值减小，断电电位明显负向偏移，阴极保护有效（图 6）。

图 6 强制电流阴极保护＋极性排流效果

4.3  交直流交互作用下管道腐蚀风险综合防护措施

采用现场排流试验测试研究了不同排流地床和排流器组合下的排流效果，明确了交直流交互作用工况下有效的缓解措施及其作用范围，强制电流阴极保护排流可在较长距离范围内有效抑制动态直流干扰，对于动态直流干扰治理效果最佳，但对于交流干扰改善不理想。牺牲阳极接地排流不适合动态正向干扰强度高的情况下，牺牲阳极接地排流可在有限的范围内对交流和直流干扰有一定程度的缓解。其中锌带直接排流时管道保护效果较差，而采用镁带直接排流时管道阴极保护全时刻达标。排流地床不同连接方式时，直接排流的效果优于极性排流，极性排流优于固态去耦合器排流。三种连接方式下，远端管道电位均无正向偏移。基于获得的防护措施适用性和有效作用范围研究成果，明确了单一的排流方式均存在一定的弊端，在实际的工程应用中应根据实际需求针对性选用综合控制措施，确保排流效果（表 4）。

表 4 交直流交互干扰防护措施和效果

5  结语

随着管道沿线交直流杂散电流干扰源不断增多，管道杂散电流干扰防护工作面临严峻的挑战。西气东输管道主要位于经济发达的长三角地区，杂散电流干扰问题尤为突出，是可能造成管道本体腐蚀失效的主要因素。通过针对性地开展高压直流、地铁动态直流以及交直流交互干扰相关研究，并基于研究成果开展相应的防护和治理工作，杂散电流干扰腐蚀问题得到较好的抑制，西气东输管道腐蚀风险整体可控。我们也将继续基于辖区内管道杂散电流干扰实际情况，更加深入地推进杂散电流干扰防护工作，保障能源大动脉长效、安全、平稳运行。

作者简介：郭磊，1985年生，高级工程师，上海市青年岗位能手。2011年硕士毕业于西南石油大学油气储运工程专业，现任公司科技数字中心完整性所所长，主要从事管道完整性科研与技术支持工作。联系方式：021-50958702，guolei04@pipechina.com.cn。