高壓直流接地極對(duì)埋地管道腐蝕影響及防護(hù)措施研究

楊天雪

華北油田公司第四采油廠,河北廊坊 065000

我國(guó)的一次能源產(chǎn)地和主要的負(fù)荷中心分布不均勻、不平衡，能源主要集中在西部，而負(fù)荷中心集中在中、東部地區(qū)，因此西氣東輸、西電東送等一系列大型的能源線路工程應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。在最初的工程設(shè)計(jì)中，高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）與油氣管道多采用相互避讓的方式以減少相互影響程度，但隨著線路工程里程的不斷增加，受限于土地資源和沿線地形條件，兩者存在交叉或并行的現(xiàn)象越來(lái)越多。根據(jù)HVDC的特性，其接地極對(duì)周邊油氣管道和金屬構(gòu)筑物會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的直流雜散電流干擾，當(dāng)干擾電壓超過4 V時(shí)，會(huì)造成閥室內(nèi)絕緣卡套或引壓管燒毀；當(dāng)干擾電壓超過人體安全電壓時(shí)，還會(huì)造成人身傷害[3-4]。古彤等[5]從管道材質(zhì)、土壤電阻率、土壤pH值等方面分析了接地極對(duì)管道腐蝕的影響，并為后續(xù)腐蝕研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；李想等[6]討論了接地極對(duì)恒電位儀的影響，并分析了絕緣接頭的防護(hù)效果；朱鈺等[7]分析了不同入地電流情況下的管道電位、電流密度和腐蝕速率的分布情況；張良等[8]對(duì)800 kV的特高壓直流入地電流進(jìn)行了分析，對(duì)多種陰極保護(hù)技術(shù)的有效性進(jìn)行了測(cè)試。以上研究成果對(duì)于研究高壓直流接地極對(duì)埋地管道的腐蝕影響具有重要意義，但大多只涉及接地極的單一放電方式，且未研究接地極與管道空間位置之間的關(guān)系。基于此，采用電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接地極附近的埋地管道進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間通/斷電電位監(jiān)測(cè)，考察接地極陽(yáng)極放電和陰極放電對(duì)管道電位的影響，并針對(duì)干擾情況提出防護(hù)措施，以期為減緩管道直流干擾提供實(shí)際參考。

1 工程概況

1.1 接地極情況

以某±800 kV HDVC輸電工程為例，直流接地極采用雙跑道型方式設(shè)計(jì)，內(nèi)外環(huán)的半圓直徑分別為360 m、420 m，內(nèi)外環(huán)的直線段均為360 m，內(nèi)環(huán)埋深3.5 m，外環(huán)埋深4.5 m，內(nèi)外環(huán)采用焦炭填充。設(shè)計(jì)性能中額定電流4 540 A，最大電流8 500 A。

1.2 管道情況

管道1全長(zhǎng)243 km，管道規(guī)格為D1 016 mm×13 mm；管道2全長(zhǎng)104 km，管道規(guī)格為D813 mm×10 mm。管材均為X65管線鋼，采用3PE防腐層結(jié)構(gòu)和外加電流陰極保護(hù)。管道1和管道2中的站場(chǎng)和閥室進(jìn)出站均有跨接線，將上下游管道連接起來(lái)，因此所有管道處于電連接狀態(tài)。接地極與管道1的垂直距離為7 km，與管道2的垂直距離為15 km，在沿線設(shè)置管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)，管道1共有13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，管道2共有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，接地極與電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置見圖1。

圖1 接地極與管道相對(duì)位置示意

2 試驗(yàn)方法

采用電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在選定的管道測(cè)試樁處安裝電位監(jiān)測(cè)終端，將試片通過電位監(jiān)測(cè)終端與管道相連，將采集到的通/斷電電位通過無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，再通過HMI人機(jī)界面實(shí)時(shí)查詢接地極對(duì)管道的干擾情況。試片采用與管道相同的材質(zhì)，暴露面積6.5 cm2，采用銅/飽和硫酸銅（CSE）作為參比電極。

為了更好地研究接地極放電過程對(duì)管道的腐蝕情況，在室內(nèi)進(jìn)行土壤腐蝕性測(cè)試。采用三電極體系，使用電化學(xué)工作站測(cè)試極化曲線，工作電極為X65試片，暴露面積6.5 cm2，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。電解質(zhì)采用管道埋深附近1.5 m處的土壤。

3 結(jié)果與討論

3.1 管道干擾監(jiān)測(cè)結(jié)果

由2020年5月20日-11月20日（共6個(gè)月）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見表1）可知，共檢測(cè)到15次干擾，總干擾時(shí)長(zhǎng)約為417 h（17.4 d）；其中，最長(zhǎng)的一次干擾持續(xù)時(shí)間為80 h 26 min，半年的干擾總時(shí)長(zhǎng)已超過設(shè)計(jì)文件的要求（全年接地極放電時(shí)長(zhǎng)不超過3.65 d）；第5、10、14次的干擾較為嚴(yán)重，放電電流均為3 600 A，已達(dá)到額定電流的80%。

表1 接地極干擾時(shí)長(zhǎng)與放電方式統(tǒng)計(jì)

3.2 管道電位監(jiān)測(cè)結(jié)果

在此，以第5次干擾接地極陽(yáng)極放電和第14次干擾接地極陰極放電為例，分析管道通/斷電電位的分布情況。接地極陽(yáng)極放電時(shí)，管道1和管道2未受干擾和受干擾時(shí)的通/斷電位分布分別見圖2和圖3。管道未受干擾時(shí)，管道1和管道2的管道電位波動(dòng)較小，其斷電電位均在-1.2～-0.85 V之間，即處于良好的陰極保護(hù)狀態(tài)。接地極陽(yáng)極放電后，管道1靠近接地極的5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近（約35 km的范圍內(nèi)）電位出現(xiàn)負(fù)移，通電電位中最負(fù)電位為-10.8 V，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)管道1其余部分的電位出現(xiàn)正移，通電電位中最正電位出現(xiàn)在10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為4.2 V，已超過絕緣卡套、引壓管燒燭安全的電位差要求；在遠(yuǎn)離接地極的11、12、13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通/斷電電位均出現(xiàn)回落，說(shuō)明直流干擾的影響范圍有限。管道2在靠近接地極的1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近（約49 km）的電位出現(xiàn)負(fù)移，通電電位中最負(fù)電位為-12.2 V；在遠(yuǎn)離接地極端的管道電位出現(xiàn)正移，通電電位中最正電位為2.2 V。通過電位的偏移情況可以判斷：當(dāng)接地極陽(yáng)極放電時(shí)，電流在靠近接地極端的管道防腐層破損處流入，此位置為雜散電流的流入點(diǎn)，遠(yuǎn)離接地極端的管道位置為雜散電流的流出點(diǎn)，流出區(qū)域?yàn)楦g嚴(yán)重區(qū)域。

圖2 管道1電位分布情況（陽(yáng)極放電）

圖3 管道2電位分布情況（陽(yáng)極放電）

接地極陰極放電時(shí)，管道未受干擾和受干擾時(shí)的通/斷電電位分布見圖4、圖5。接地極陽(yáng)極放電后，管道1靠近接地極的5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近約37 km的范圍內(nèi)電位出現(xiàn)正移，通電電位中最正電位為1.5 V，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)管道1其余部分管段的電位出現(xiàn)負(fù)移，通電電位中最負(fù)電位出現(xiàn)在1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為-3.2 V；管道2在靠近接地極約55 km的電位出現(xiàn)正移，通電電位中最正電位為3.8 V，在遠(yuǎn)離接地極端的管道電位出現(xiàn)負(fù)移，通電電位中最負(fù)電位為-2.9 V。通過電位的偏移情況可以判斷：當(dāng)接地極陰極放電時(shí)，電流在遠(yuǎn)離接地極端的管道防腐層破損處流入，此位置為雜散電流的流入點(diǎn)，靠近接地極端的管道位置為雜散電流的流出點(diǎn)，流出區(qū)域?yàn)楦g嚴(yán)重區(qū)域。

圖4 管道1電位分布情況（陰極放電）

圖5 管道2電位分布情況（陰極放電）

通過對(duì)比接地極不同放電方式對(duì)兩條管道的電位影響可以看出，靠近接地極端管道的受干擾程度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離接地極端的管段，且越接近接地極受干擾程度越大，但兩條管道的雜散電流流入流出機(jī)制不同。其中，管道1分為三個(gè)雜散電流流入、流出段，管道中間和兩端互為流入流出段；管道2分為兩個(gè)雜散電流流入、流出段，管道兩端互為流入流出段。此外，接地極距離管道1的垂直距離較管道2近，越靠近接地極端則雜散電流流入和流出管段越短。管道2與接地極之間的距離大于10 km，雖然滿足DL/T 5224—2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求（接地極與地下金屬管道的最小距離應(yīng)大于10 km），但仍然存在較大的直流干擾。

3.3 腐蝕速率計(jì)算

取接地極附近的土壤，在室內(nèi)測(cè)試極化曲線，將結(jié)果中的電位轉(zhuǎn)化為CSE電位，見圖6。

圖6 極化曲線

由圖6可見，X65管線鋼的自腐蝕電位為-0.515 V。在接地極采用單極金屬導(dǎo)線回路或雙極運(yùn)行時(shí)（即接地極不放電），管道斷電電位均在-1.2～-0.85 V之間，此時(shí)管道處于陰極極化區(qū)間，腐蝕性大幅減弱，管道處于較好的保護(hù)狀態(tài)。以管道1為例，在接地極陽(yáng)極放電后，靠近接地極端的管道斷電電位的最大負(fù)移為-1.6 V；在接地極陰極放電后，靠近接地極端的管道斷電電位的最大正移為0.5 V。對(duì)應(yīng)極化曲線，得到自腐蝕電位為-1.6 V時(shí)仍然在陰極極化區(qū)，而自腐蝕電位為0.5 V時(shí)，已經(jīng)進(jìn)入陽(yáng)極極化區(qū)，兩者對(duì)應(yīng)的電流密度分別為0.12 mA/cm2和0.78 mA/cm2。

當(dāng)直流雜散電流導(dǎo)致的反應(yīng)只有陽(yáng)極溶解反應(yīng)，且外加電流遠(yuǎn)大于金屬本身的交換電流密度時(shí)，外加電流與金屬腐蝕速率之間遵循法拉第定律[9-10]，見下式：

式中：h為腐蝕深度，cm；A為相對(duì)原子質(zhì)量，取56；i為陽(yáng)極電流密度，A/cm2；t為陽(yáng)極作用時(shí)間，s；n為反應(yīng)化學(xué)價(jià)，取2；ρ為金屬密度，7.85 g/cm3；F為法拉第常數(shù)，96 500 C/mol。

接地極的放電時(shí)間按照表1計(jì)算，放電極性隨機(jī)，陰陽(yáng)極放電各占50%，則靠近接地極端的腐蝕速率為0.043 3 mm/a，其值遠(yuǎn)超NACE SP 0169—2007中的0.025 4 mm/a的限值。由此可知，高壓直流接地極對(duì)管道的干擾不僅可造成閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒燭，還不滿足管道腐蝕安全限制。

表1 接地極放電時(shí)自動(dòng)合閘裝置閉合前后的通電電位（管道2陽(yáng)極放電）

3.4 防護(hù)措施

對(duì)于高壓直流干擾的管道區(qū)域，可實(shí)施多項(xiàng)緩解和防護(hù)措施，例如高壓直流干擾監(jiān)測(cè)、增加強(qiáng)制排流措施、分段絕緣、鋪設(shè)鋅帶、安裝非對(duì)稱固態(tài)去耦合器、更換大功率恒電位儀以及更換極址等。

綜合考慮管道方和電網(wǎng)方的實(shí)際情況，初步采取增加強(qiáng)制排流措施（方案1）、分段絕緣+鋪設(shè)鋅帶（方案2）、更換極址（方案3）等三種方案，采用Beasy、CDEGS軟件模擬防護(hù)措施效果。在方案1中，管道沿線的閥室均安裝自動(dòng)合閘裝置，該裝置屬于限壓等電位連接保護(hù)裝置，當(dāng)管地電位超過設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)合閘裝置閉合，閥室管道與接地網(wǎng)相連接，降低了管道與大地之間的電位差，可有效避免引壓管打火放電。方案2中，需在管道1上安裝7處絕緣，在管道2上安裝5處絕緣，并安裝40 km的鋅帶。方案2實(shí)施后，接地極對(duì)管道的干擾規(guī)律發(fā)生改變，呈現(xiàn)多個(gè)流入段和流出段，通/斷電電位的偏移幅度有所減小，且靠近接地極端的管段收到的干擾趨于平緩，受干擾程度與遠(yuǎn)離接地極端的干擾水平相當(dāng)。方案3中，無(wú)需在電網(wǎng)端控制放電次數(shù)和放電電流，在管道方也無(wú)需防護(hù)措施；但需要找到土壤電阻率、土壤pH值和土壤成分符合要求的極址，且根據(jù)之前的監(jiān)測(cè)結(jié)果，以10 km作為接地極與金屬管道的限制距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

綜上所述，這兩條管道部分管段分布在人口密集的城市邊緣，因此無(wú)法鋪設(shè)鋅帶進(jìn)行排流，且更換極址需要電網(wǎng)方配合，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)干擾緩解的意義不大，故采用方案1作為直流干擾的防護(hù)措施，以管道陽(yáng)極放電為例，使用前后的效果見表1。

4 結(jié)論

（1）通過在管道上設(shè)置電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流干擾對(duì)管道的影響，其中靠近接地極端管道的受干擾程度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離接地極端的管道，且接地極與管道的分布位置不同，雜散電流的流入流出機(jī)制不同。

（2）接地極與管道的垂直距離越近，靠近接地極端的雜散電流流入和流出管段越短。

（3）對(duì)直流干擾的防護(hù)措施進(jìn)行篩選，其中在管道沿線閥室安裝自動(dòng)合閘裝置可有效降低管道電位的波動(dòng)，降低了管道與大地之間的電位差。