城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施對油氣管道的干擾規(guī)律及其識(shí)別方法

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(1. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083； 2. 中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司，徐州 221008；3. 中石化長輸油氣管道檢測有限公司，徐州 221008； 4. 北京科技大學(xué)，北京 100083)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通、能源等工程的投入不斷加大，這促使各類城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入快速發(fā)展階段。截至2015年底，我國除臺(tái)灣省以外的所有地區(qū)在役油氣管道總里程累計(jì)約12萬千米[1]，在“十三五”期間將有多條高壓輸電、高鐵等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目開工建設(shè)[2-3]。城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)導(dǎo)致高壓電網(wǎng)、電氣化鐵路更加稠密，與油氣管道并行、交叉的現(xiàn)象更加普遍。埋地油氣管道與電氣基礎(chǔ)設(shè)施并行或交叉時(shí)，常常受到雜散電流干擾[4]。在干擾作用下管道涂層破損處有電流流入/流出，導(dǎo)致埋地管道遭受腐蝕、氫脆、防腐蝕層剝離等破壞的風(fēng)險(xiǎn)增加[5]。1991年，加拿大一條天然氣管道由于受到雜散電流干擾，導(dǎo)致腐蝕泄漏[6]。在我國四川的成都-德陽輸氣管道、東北的鐵嶺-秦皇島輸油管道和新港輸油管道都出現(xiàn)了的雜散電流干擾問題[7-8]。城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施雜散電流干擾問題對管道的危害日益突出[9-10]。如何快速識(shí)別城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施對管道的干擾類型，根據(jù)干擾源類型采取相應(yīng)的防護(hù)措施，對雜散電流的防治具有重要的工程價(jià)值。

本工作以我國東部某管道沿途受到城市地鐵、高鐵、高壓交/直流輸電線等多種干擾為背景，開展雜散電流干擾源識(shí)別及防護(hù)措施研究。通過測試管道干擾參數(shù)，明確雜散電流對管道的干擾影響規(guī)律，形成各類干擾的識(shí)別方法。為相關(guān)工程技術(shù)人員開展類似工作提供了很好的借鑒，同時(shí)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)可以為電力部門和管道運(yùn)營管理部門開展干擾防護(hù)工作提供參考。

1　現(xiàn)場測試內(nèi)容和方法

研究對象為上海至南京某管段，總長335 km(管道里程148 km～483 km)，外防腐蝕層為加強(qiáng)級(jí)熔結(jié)環(huán)氧粉末，管徑φ762 mm，材質(zhì)為X60鋼。根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，分別選擇管道與城市地鐵、高鐵、高壓交流輸電線路、高壓直流輸電系統(tǒng)臨近的位置開展現(xiàn)場測試，見圖1。

圖1　通/斷電電位、交流干擾電壓以及交流干擾電流密度現(xiàn)場測試示意圖Fig. 1Field test schematic for off-potential, on-potential, AC voltage and AC current density

現(xiàn)場測試內(nèi)容主要有4項(xiàng)：管地通電電位、管道斷電電位、交流干擾電壓以及交流干擾電流密度。

管地通電電位和斷電電位測試參考GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》。采用UDL2數(shù)據(jù)記錄儀和飽和硫酸銅參比電極進(jìn)行測試，通電電位測試速率1個(gè)/秒；斷電電位測試采用15 s一個(gè)周期，每個(gè)周期通電12 s，斷電3 s，在斷電后200 ms測試斷電電位[11]。

交流干擾電壓和交流干擾電流密度測試參考GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。交流干擾電壓采用UDL2數(shù)據(jù)記錄儀和飽和硫酸銅參比電極進(jìn)行測試，測試速率1個(gè)/秒。交流電流密度采用試片法測試，試片為圓形,裸露面積為1 cm2，材質(zhì)與管道相同，試片與管道相連通過試片上的電流除以試片面積獲得管道交流干擾電流密度?，F(xiàn)場測試示意圖如圖1所示。測試前，先將試片埋入地下24 h，使之充分極化后開始檢測。

2　結(jié)果與討論

2.1　城市地鐵對管道的干擾規(guī)律

管道473～479 km段靠近南京地鐵2號(hào)線，與地鐵最近距離約5 km，現(xiàn)場測試結(jié)果見圖2。由圖2(a)可見：通電電位出現(xiàn)大范圍波動(dòng)，而且在時(shí)間上存在明顯分界，即6∶00～23∶00時(shí)間段管道通電電位波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍為-1.55～-0.024 V。而在23∶00～6∶00時(shí)間段，通電電位比較平穩(wěn)，維持在約-0.6 V。經(jīng)調(diào)查南京地鐵2號(hào)線的運(yùn)行時(shí)間正好為6∶00～23∶00。同時(shí)，在地鐵運(yùn)行時(shí)段內(nèi)管道的斷電電位出現(xiàn)比較明顯的波動(dòng)，地鐵停運(yùn)后管道不受干擾。地鐵運(yùn)行期間同一位置處管地電位既發(fā)生正向波動(dòng)，也發(fā)生負(fù)向波動(dòng)。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖2　管道478 km測試樁監(jiān)測結(jié)果Fig. 2　The monitoring results of pipeline at 478 km test post: (a) on-potential, off-potential; (b) AC voltage and AC current density

由圖2(b)可見：交流干擾電壓和交流干擾電流密度均比較低，即地鐵雜散電流對管道交流電壓和交流電流密度影響不大。

我國城市地鐵主要采用直流供電，供電電壓為750 V和1 500 V。在地鐵運(yùn)行時(shí)，機(jī)車從牽引網(wǎng)取電，然后通過鐵軌回流。由于鐵軌與大地不是完全絕緣，部分電流會(huì)通過鐵軌流入大地，對附近的管道產(chǎn)生直流雜散電流干擾。導(dǎo)致管地電位正負(fù)波動(dòng)的原因主要有2種：

(1) 地鐵機(jī)車運(yùn)行位置的影響。地鐵機(jī)車所在位置不同，主要的泄流點(diǎn)可能隨之變化，如圖3所示。對于管道上的A，B兩點(diǎn),當(dāng)機(jī)車位于位置1時(shí)，A點(diǎn)電流流入電位負(fù)向偏移，B點(diǎn)電流流入電位正向移動(dòng)。而當(dāng)機(jī)車位于位置2時(shí)，電流方向相反，A點(diǎn)電流流出電位正向偏移，B點(diǎn)電流流入電位負(fù)向移動(dòng)。由此可見，地鐵機(jī)車的運(yùn)行位置可能導(dǎo)致同一位置管地電位發(fā)生不同方向的偏移。此外，由于一個(gè)區(qū)域內(nèi)地鐵機(jī)車數(shù)量往往不止一輛，多機(jī)車的相互作用使得管地電位波動(dòng)更加復(fù)雜和頻繁。

(a)　機(jī)車在1號(hào)位置

(b)　機(jī)車在2號(hào)位置圖3　地鐵機(jī)車運(yùn)行位置對干擾電流的影響Fig. 3　Effect of running location of subway locomotive on interference current: (a) locomotive at No. 1 location; (b) locomotive at No. 2 location

(2) 地鐵運(yùn)行狀態(tài)的影響。地鐵在加速運(yùn)行和剎車時(shí)泄漏電流方向相反，從而導(dǎo)致管道上的雜散電流方向隨之發(fā)生改變。

2.2　高鐵對管道的干擾規(guī)律

現(xiàn)場選擇2處距離高鐵較近的測試樁進(jìn)行測試:341 km測試樁處和465 km測試樁處。前者管道與高鐵并行，并行長度約3 km，最小間距約10 m，該處位置高鐵采用地面路基鋪設(shè)；后者管道與高鐵接近90°交叉，之后管道與高鐵相互遠(yuǎn)離，該處位置高鐵采用高架鋪設(shè)。

341 km測試樁處測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可見：管地通斷電電位沒有明顯變化，而在該處交叉穿越位置管道交流干擾電壓和交流電流密度呈現(xiàn)間歇性峰值。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓和交流干擾電流密度

(c)　圖4(b)局部放大圖圖4　管道341 km測試樁處監(jiān)測結(jié)果Fig. 4　The monitoring results of pipeline at 341 km test post: (a) on potential and off potential; (b) AC interference voltage and AC interference current density; (c) enlarged view for Fig. 4 (b)

465 km測試樁處測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可見:管地通斷電電位的波動(dòng)是由該處位置靠近南京地鐵引起的(見2.1節(jié))，且與341 km處測試結(jié)果類似，管道交流干擾電壓和交流電流密度也呈現(xiàn)間歇性峰值。

我國高鐵主要采用交流供電，因此對管道主要產(chǎn)生交流雜散電流干擾。兩處測試結(jié)果顯示，在管道與高鐵交叉位置和并行位置都受到雜散電流干擾，而且即使采用高架方式管道也可能受到干擾，如465 km處。對單個(gè)干擾峰進(jìn)行局部放大，如圖4(c)所示,高鐵干擾尖峰是逐步升高再降低的，對該高鐵干擾尖峰進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示干擾尖峰持續(xù)時(shí)間為30～250 s。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖5　管道465 km測試樁監(jiān)測結(jié)果Fig. 5　The monitoring results of pipeline at 465 km test post: (a) on-potential, off-potential; (b) AC interference voltage and AC interference current density

2.3　高壓交流輸電線路對管道的干擾規(guī)律

現(xiàn)場選擇管道與高壓交流輸電線路并行區(qū)域進(jìn)行測試，并行長度約7 km，最近間距約20 m，現(xiàn)場測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可見:高壓交流輸電線路主要對埋地管道產(chǎn)生穩(wěn)定的交流干擾，而對管地通斷電電位影響不大。高壓交流輸電線路對管道的干擾會(huì)隨著其負(fù)荷(導(dǎo)線電流)變化而有所改變。在晚上用電量較少時(shí),干擾較小;在白天用電量高時(shí)，干擾較大。

2.4　高壓直流輸電系統(tǒng)對管道的干擾規(guī)律

現(xiàn)場調(diào)研顯示202 km測試樁處距離三峽-上海直流輸電工程華新?lián)Q流站接地極約20 km，現(xiàn)場測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可見:管地通電電位波動(dòng)劇烈，而管道交流干擾電壓和電流密度均比較低。但是與地鐵干擾不同，雖然管地通電電位也隨時(shí)間發(fā)生快速正負(fù)向波動(dòng)，但是并沒有明顯的時(shí)間界限，即白天和晚上均發(fā)生波動(dòng)。

我國高壓直流輸電系統(tǒng)多采用雙極對稱輸電，即兩導(dǎo)線的電流大小相等，方向相反，入地電流相互抵消，如圖8所示。實(shí)際工況下，由于系統(tǒng)無法完全一致導(dǎo)致兩極之間會(huì)有一定的不平衡電流通過直流接地極流入大地，通常小于額定電流的1%[12]。但是由于直流輸電的電流非常大(通常為幾千安培)，即使是1%也有幾十安培，該不平衡電流會(huì)對周圍的管道產(chǎn)生動(dòng)態(tài)直流干擾。

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖6　管道347 km測試樁處監(jiān)測結(jié)果Fig. 6　The monitoring results of pipeline at 347 km test post: (a) on-potential, off-potential; (b) AC voltage and AC current density

(a)　管地通、斷電電位

(b)　交流干擾電壓、交流干擾電流密度圖7　管道202 km測試樁處監(jiān)測結(jié)果Fig. 7　The monitoring results of pipeline at 202 km test post: (a) on-potential and off-potential; (b) AC interference voltage and AC interference current density

圖8　直流輸電系統(tǒng)雙極對稱輸電方式示意圖Fig. 8　Circuit diagram of the DC transmission system with symmetrical bipolar operation mode

2.5　城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施對管道干擾的識(shí)別方法

通過現(xiàn)場測試結(jié)果分析了4種干擾類型特征：城市地鐵干擾、高鐵干擾、高壓交流輸電線路干擾以及高壓直流輸電系統(tǒng)干擾。各種干擾特征和識(shí)別方法如下所示：

(1) 城市地鐵主要產(chǎn)生動(dòng)態(tài)直流干擾。管地通斷電位呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)特征，且波動(dòng)與時(shí)間呈現(xiàn)明顯對應(yīng)性，即白天地鐵運(yùn)行時(shí)直流電位波動(dòng)明顯，而晚間地鐵停運(yùn)后直流電位波動(dòng)較小。

(2) 高鐵主要產(chǎn)生動(dòng)態(tài)交流干擾。管道交流干擾電壓呈現(xiàn)明顯的間歇干擾峰，本次現(xiàn)場檢測的干擾峰值持續(xù)時(shí)間為30～250 s。

(3) 高壓交流輸電線路主要產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)交流干擾。管道交流干擾電壓比較穩(wěn)定，會(huì)隨著一天用電負(fù)荷的變化呈現(xiàn)相對緩慢的變化。

(4) 高壓直流輸電系統(tǒng)當(dāng)直流輸電系統(tǒng)雙極-大地回路運(yùn)行時(shí)，主要產(chǎn)生動(dòng)態(tài)直流干擾。管地直流電位呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征，但與地鐵直流干擾不同的是管地直流電位波動(dòng)沒有明顯的時(shí)間對應(yīng)性。

3　結(jié)論

通過現(xiàn)場調(diào)研和測試，總結(jié)了城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施對我國東部某管道產(chǎn)生的4種主要干擾類型，即城市地鐵干擾、高鐵干擾、高壓交流輸電線路干擾以及高壓直流輸電系統(tǒng)干擾。其中城市地鐵和高壓直流輸電系統(tǒng)主要對管道產(chǎn)生直流干擾，而高鐵和高壓交流輸電線路主要對管道產(chǎn)生交流干擾。通過數(shù)據(jù)分析獲得了各種干擾的識(shí)別方法。對于埋地管道雜散電流干擾問題，可首先對管道開展通斷電電位、交流干擾電壓以及交流電流密度現(xiàn)場檢測；然后根據(jù)本文得到的各類干擾的特點(diǎn)，初步確定管道的干擾源和干擾類型；最后針對不同干擾源的特點(diǎn)開展相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)，降低管道干擾風(fēng)險(xiǎn)，保證管道安全運(yùn)行。

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