高壓直流接地極雜散電流對新建原油管道的干擾評估與防護方法

曹國民

(國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司,徐州 221008)

在建董家口至東營原油管道(董東線)起點為董家口輸油站，終點分別為齊魯輸油站和東營輸油站。管道全長374 km，全線設(shè)董家口、安丘、齊魯、東營共4座輸油站場,截斷閥室17座，陰極保護站7座。

董東線管道沿線存在多處交直流干擾源，且與33，110，220，500，800，1 000 kV等不同等級高壓輸電線路并行敷設(shè)，間距19～230 m，并行長度約42 km。管線與高壓輸電線路交叉84處；與電氣化鐵路交叉13處；管線附近存在3個高壓直流接地極，與1處地鐵交叉。董東線管線附近的3處高壓直流輸電工程(HVDC)接地極分別為智圣接地極(距管道17.5 km)、膠東接地極(距管道26 km)以及高青接地極(距管道63 km)，位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 董東線與接地極的位置關(guān)系Fig. 1 Positional relationship between the Dong-dong pipeline and the grounding electrode

在建董東線沿線存在多個雜散電流干擾源，管線存在運行安全及腐蝕隱患。為緩解管道在服役后受到的外部雜散電流干擾，董東線管道在設(shè)計、施工階段即對周邊諸多干擾源進行調(diào)研，結(jié)合數(shù)值模擬方法對雜散電流干擾的嚴重程度以及緩解措施進行了評估和設(shè)計。本工作僅就高壓直流接地極的干擾與防護設(shè)計進行介紹。

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，埋地管道受到的雜散電流干擾日趨嚴重[1-2]，國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過多起管道投產(chǎn)時陰極保護系統(tǒng)受外界干擾無法同步投運的案例[3-4]。同時，相關(guān)文獻也報道了接地極陰極放電和陽極放電對在役管道的影響[5-8]。因此，管道在設(shè)計階段即考慮了沿線的雜散電流干擾問題并提前進行防護設(shè)計，以最大限度保障管道的腐蝕防護效果，避免后期整改所涉及的投資追加和二次開挖問題。

1 評估方法介紹

針對董東線沿線HVDC直流雜散電流干擾的預(yù)測評價及防護方案設(shè)計路線如圖2所示。首先對管線、高壓直流接地極參數(shù)進行收集整理，包括管線資料、接地極資料及土壤環(huán)境資料，并對管線附近已有干擾數(shù)據(jù)進行整理分析；再對現(xiàn)場管線表層土壤電阻率、地電場強度及地電位梯度進行測試。

圖2 評價技術(shù)路線圖Fig. 2 Evaluation technology roadmap

利用上述信息完成計算模型的繪制，包括管線、接地極及土壤結(jié)構(gòu)。利用模型完成高青、智圣及膠東接地極陰、陽極額定電流放電時的干擾預(yù)測，并根據(jù)陰極保護系統(tǒng)的布置實現(xiàn)干擾調(diào)節(jié)。對上述完成的預(yù)測進行人身安全及腐蝕安全評價，針對滿足限值要求的部分提出運行建議；針對超出限值部分制定防護指標，并根據(jù)防護指標完成防護方案的設(shè)計及優(yōu)化。

本工作使用CDEGS軟件，該軟件是解決電力系統(tǒng)接地、電磁場和電磁干擾等工程問題的專業(yè)工具軟件。它可在正常、故障、雷電和暫態(tài)條件下，計算地上或地下任意位置的帶電導(dǎo)線組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的接地電位、導(dǎo)線電位、電磁場和電場分布。

該軟件在國內(nèi)管道界的交直流干擾評估和緩解措施設(shè)計方面有廣泛應(yīng)用，其模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值吻合度良好。在甬滬寧以及日儀輸油管道的干擾分析應(yīng)用中，模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)誤差小于15%。

2 干擾源調(diào)研

董東線共涉及HVDC接地極干擾源三處，其中距離管線最近的為上海廟-山東±800 kV特高壓直流輸電工程的智圣接地極，接地極中心入地點距離董東線的最小間距約為17.5 km，距離接地極最近的為5號和6號閥室。智圣接地極為雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)直徑300 m，外環(huán)直徑400 m。額定運行電流6 250 A，雙極不平衡電流10 A，單極強迫停運次數(shù)不大于2次/極·年，雙極強迫停運次數(shù)不大于0.1次/極·a。

寧東-青島±660 kV特高壓直流輸電工程的膠東接地極同樣為雙環(huán)形設(shè)計，內(nèi)環(huán)直徑420 m，外環(huán)直徑60 m，接地極距離管線的最小間距約26 km，距離接地極最近的閥室為6號閥室，距離接地極最近的站場為安丘站。接地極附近土壤電阻為500～1 000 Ω·m，暫無詳細信息。額定輸送電流3 000 A，雙極運行時不平衡電流30 A。

扎魯特-青州±800 kV特高壓直流輸電線路工程的高青接地極同樣為雙環(huán)形設(shè)計，內(nèi)環(huán)直徑420 m，外環(huán)直徑600 m，接地極距離管線的最小間距約63 km，距離接地極最近的閥室為15號閥室。額定運行電流為6 250 A，雙極不平衡電流為10 A，單極強迫停運次數(shù)不大于2次/極·年，雙極強迫停運次數(shù)不大于0.1次/極·a。

根據(jù)電力部門提供的2018和2019年度統(tǒng)計的智圣接地極大地回路運行情況，接地極單極大地運行概率較低，年放電概率約為0.1%；而2019年膠東接地極陽極單極大地運行一次，且放電時間持續(xù)1周，單次年放電概率接近2%。接地極放電為偶然事件，主要用于應(yīng)急運行。由于無法獲取準確的接地極放電概率及放電量，同時為了保障管線運行安全性，在本次研究中3個接地極年放電概率選取1%，陰、陽極放電概率均為50%。

3 干擾情況預(yù)測

3.1 智圣接地極干擾預(yù)測

由于干擾大小未知，首先假定管道沿線7套陰極保護系統(tǒng)全部處于未運行狀態(tài)，計算智圣接地極陰、陽極額定電流入地時管道沿線干擾電為分布如圖3所示。當(dāng)智圣接地極陰極額定電流放電時，管道遠接地極位置電流由土壤流入管線，管線電位負向偏移，電位最負為-7.59 V(相對于銅硫酸銅電極，下同)；近接地極位置電流由管線流入土壤，管線電位正向偏移，最正電位為8.25 V。而接地極陽極額定電流放電時，雜散電流反向，近接地極位置電流流入管線，電位負向偏移，最負電位為-9.35 V，遠接地極位置電流流出管線，電位正向偏移，最正為6.49 V。

圖3 智圣接地極陰極放電和陽極放電的管道電位Fig. 3 On potential of pipeline during the cathodic discharge and anodic discharge of Zhisheng grounding electrode

設(shè)置陰極保護系統(tǒng)控制電位為-1.4～-1.5 V，當(dāng)智圣接地極陰極額定電流放電時，僅5號閥室及安丘站處管線電位正于控制電位，陰極保護系統(tǒng)正常輸出電流，其余陰極保護系統(tǒng)均停止運行。調(diào)節(jié)5號閥室及安丘站陰極保護系統(tǒng)輸出電流得到智圣接地極陰極額定電流放電時，管道沿線干擾電位分布如圖4所示。其中近接地極位置管線電位由陰極保護系統(tǒng)未運行前的8.25 V負向移動至4.04 V，遠端由-7.59 V負向移動至-8.58 V。

圖4 智圣接地極的陰極保護調(diào)節(jié)效果(陰極放電)Fig. 4 Cathodic protection regulation effect in Zhisheng grounding electrode (cathodic discharge)

設(shè)置陰極保護系統(tǒng)控制電位為-1.4～-1.5 V，當(dāng)智圣接地極陽極額定電流放電時，僅5號閥室及安丘站處管線電位負于控制電位，陰極保護系統(tǒng)停止運行，其余陰極保護系統(tǒng)均正常運行。調(diào)節(jié)陰極保護系統(tǒng)輸出電流得到智圣接地極陽極額定電流放電時，管道沿線干擾電位分布如圖5所示。其中遠接地極位置管線電位由陰極保護系統(tǒng)未運行前的6.49 V負向移動至2.09 V，遠端由-9.35 V負向移動至-9.87 V。

圖5 智圣接地極的陰極保護調(diào)節(jié)效果(陽極放電)Fig. 5 Cathodic protection regulation effect of Zhisheng grounding electrode (anodic discharge)

智圣接地極陰、陽極額定電流放電時，按照年放電率1%，陰、陽極各50%，沿線陰極保護系統(tǒng)調(diào)節(jié)后計算得到管道沿線腐蝕速率分布如圖6所示。陽極額定電流放電時管線在董家口附近的腐蝕速率最大，為0.077 3 mm/a，這是由于陽極干擾時，董家口附近管線為遠地部分，電流由管線流入土壤，管線發(fā)生腐蝕，而1號閥室陰極保護系統(tǒng)距離該位置約11.25 km，無法消除該腐蝕。陰極額定電流放電時最大腐蝕速率在近接地極位置，為0.134 mm/a，這是由于陰極干擾時，近接地極區(qū)域管線電流由管線流入土壤，管線發(fā)生腐蝕，而距離該位置最近的陰極保護系統(tǒng)在上游15.7 km的5號閥室及下游27 km的安丘站，均無法消除該腐蝕。

圖6 額定電流放電時的管道沿線腐蝕速率Fig. 6 Corrosion rate along the pipeline when discharged at rated current

3.2 膠東接地極干擾預(yù)測

由于干擾大小未知，首先停運管道沿線的7套陰極保護系統(tǒng)，計算膠東接地極陰、陽極額定電流入地時管道沿線干擾電位，結(jié)果表明：當(dāng)膠東接地極陰極額定電流放電時，管道遠接地極位置電流由土壤流入管線，管線電位負向偏移，電位最負為-2.84 V；近接地極位置電流由管線流入土壤，管線電位正向偏移，最正電位為+2.94 V。而接地極陽極額定電流放電時，雜散電流反向，近接地極位置電流流入管線，電位負向偏移，最負電位為-4.04 V，遠接地極位置電流流出管線，電位正向偏移，最正為1.74 V。相比智圣接地極，干擾明顯減小，這是由于膠東接地極距離管線的最小間距為26 km。小于智圣接地極(17 km)，且膠東接地極的額定入地電流為3 000 A，也小于智圣接地極(6 250 A)。

設(shè)置陰極保護系統(tǒng)控制電位為-1.4～-1.5 V，當(dāng)膠東接地極陰極額定電流放電時，理論顯示1號閥室、13號閥室陰極保護電位較負，陰極保護系統(tǒng)停止輸出；其余陰極保護系統(tǒng)正常運行，見表1。

表1 膠東接地極陰極放電時管道沿線的管道電位Tab. 1 The on potential along the pipeline during the cathodic discharge of the Jiaodong grounding electrode

調(diào)節(jié)陰極保護系統(tǒng)輸出電流得到膠東接地極陰極額定電流放電時，5號閥室、安丘站、9號閥室、15號閥室及東營站陰極保護系統(tǒng)均正常運行。其中近接地極位置管線電位由陰極保護系統(tǒng)未運行前的+2.94 V負向移動至+1.62 V，遠端電位由-2.78 V負向移動至-3.11 V。

設(shè)置陰極保護系統(tǒng)控制電位為-1.4～-1.5 V，當(dāng)膠東接地極陽極額定電流放電時，理論顯示5號閥室、安丘站陰極保護電位較負，陰極保護系統(tǒng)停止輸出；其余陰極保護系統(tǒng)正常運行，見表2。

表2 膠東接地極陽極放電時管道沿線的管道電位Tab. 2 The on potential along the pipeline during the anodic discharge of the Jiaodong grounding electrode

調(diào)節(jié)陰極保護系統(tǒng)輸出電流得到膠東接地極陽極額定電流放電時，1號閥室、9號閥室、13號閥室、15號閥室及東營站陰極保護系統(tǒng)均正常運行。管道沿線干擾電位分布如下：近接地極位置管線電位由陰極保護系統(tǒng)未運行前的-2.84 V負向移動至-4.24 V，遠端電位由+1.74 V負向移動至+0.036 V。

膠東接地極陰、陽極額定電流放電時，按照年放電率1%，陰、陽極各50%，沿線陰極保護系統(tǒng)調(diào)節(jié)后計算得到管道沿線腐蝕速率分布如圖7所示。陽極額定電流放電時管線在董家口附近的腐蝕速率最大，這是由于陽極干擾時，董家口附近管線為遠地部分，電流由管線流入土壤，管線發(fā)生腐蝕。而1號閥室陰極保護系統(tǒng)距離該位置約11.25 km，無法消除腐蝕。陰極額定電流放電時，最大腐蝕速率在近接地極位置，這是由于陰極干擾時，近接地極區(qū)域管線電流由管線流入土壤，管線發(fā)生腐蝕，而距離該位置最近的陰極保護系統(tǒng)在上游22.4 km的5號閥室及下游20 km的安丘站，均無法消除該腐蝕。

圖7 膠東接地極干擾管線的腐蝕速率Fig. 7 Corrosion rate along the pipeline when the Jiaodong ground electrode was discharged

3.3 高青接地極干擾預(yù)測

由于干擾大小未知，首先停運管道沿線7套陰極保護系統(tǒng)，計算高青接地極陰、陽極額定電流入地時管道沿線干擾電位，結(jié)果表明，當(dāng)高青接地極陰極額定電流放電時，管道遠接地極位置電流由土壤流入管線，管線電位負向偏移，電位最負為-0.699 V；近接地極位置電流由管線流入土壤，管線電位正向偏移，最正電位為-0.266 V。而接地極陽極額定電流放電時，雜散電流反向，近接地極位置電流流入管線，電位負向偏移，最負電位為-0.834 V，遠接地極位置電流流出管線，電位正向偏移，最正為-0.401 V。與智圣、膠東接地極相比，干擾明顯減小，這是由于高青接地極距離管線最小間距為63 km，小于智圣接地極和膠東接地極；且高青接地極的土壤電阻率較低，深層土壤電阻率僅為1 500 Ω·m。

設(shè)置陰極保護系統(tǒng)控制電位為-1.4～-1.5 V，當(dāng)高青接地極陰極額定電流放電時，理論上均正于控制電位，均正常運行，見表3。

表3 高青接地極放電時的管道沿線管道電位(陰極放電)Tab. 3 On potential along the pipeline when the Gaoqing ground electrode was discharged (cathodic discharge)

調(diào)節(jié)陰極保護系統(tǒng)輸出電流得到高青接地極陰極額定電流放電時，陰極保護系統(tǒng)均正常運行情況下，管道沿線干擾電位分布如圖8所示。管線最正電位為-1.01V，現(xiàn)場測試結(jié)果表明董東線沿線表層土壤電阻率較低，因此IR降較小(假定為50 mV)，通電電位達到-1.01 V時可以認為滿足-850 mV的極化電位保護準則要求[9]。

圖8 高青接地極放電時管道沿線的管道電位(陰極放電)Fig. 8 On potential along the pipeline when the Gaoqing ground electrode discharged (cathodic discharge)

設(shè)置陰極保護系統(tǒng)控制電位為-1.4～-1.5 V，當(dāng)高青接地極陽極額定電流放電時，理論上均正于控制電位，均正常運行，見表4。

表4 高青接地極放電時的管道沿線管道電位(陽極放電)Tab. 4 On potential along the pipeline when the Gaoqing ground electrode was discharged (anodic discharge)

調(diào)節(jié)陰極保護系統(tǒng)輸出電流得到高青接地極陽極額定電流放電時，陰極保護系統(tǒng)均正常運行情況下管道沿線干擾電位分布如圖9所示。管線最正電位為-0.97 V，現(xiàn)場測試結(jié)果表明董東線沿線表層土壤電阻率較低，因此IR降較小，通電電位達到-0.97 V時可以認為極化電位滿足-850 mV極化電位準則要求[9]。

圖9 高青接地極陽極干擾下的管道沿線的管道電位(陽極放電)Fig. 9 Pipline potential along the pipeline with the anodic interference of Gaoqing electrode cathodic discharage

根據(jù)計算結(jié)果，管線均電連接情況下，7座陰極保護站可將高青接地極額定放電造成的干擾控制在標準范圍內(nèi)，因此不再計算高青接地極對管線造成的腐蝕情況。

4 干擾評價

4.1 評價指標

高壓直流干擾評價指標：高壓直流干擾對埋地金屬管線的風(fēng)險主要為兩個方面；人身安全風(fēng)險、管道安全風(fēng)險。

基于國標GB/T 3805-2008《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》 ，直流電流產(chǎn)生的人身安全電壓限值取±35 V。

針對管道腐蝕風(fēng)險極化電位評價：根據(jù)我國國家標準GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》、GB 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，即對于施加陰極保護的管道，一般情況下應(yīng)滿足在受到干擾時，管道全線極化電位負于-850 mV。董家口至東營原油管道工程采用X60及X65鋼，一般來說，當(dāng)管線鋼鋼級為X80或以上時，氫脆敏感性較高，需要考慮陰極保護電位過負風(fēng)險。因此，在本次研究工作中不考慮陰極保護電位過負問題。

針對管道腐蝕風(fēng)險腐蝕速率評價，基于NACE SP0169-2013《Control of External Corrosion on Under Ground or Submer Ged Metallic Piping Systems》選取腐蝕速率限值為0.025 4 mm/a。

綜上所述，高壓直流干擾對埋地金屬管線安全評價如下。

(1) 針對人身安全評價：對于潮濕環(huán)境，管地電位限值為±35 V；

(2) 針對腐蝕安全評價：管道極化電位負于-850 mV或腐蝕速率小于0.025 4 mm/a。

4.2 干擾評價

首先對不同接地極額定電流放電時的人身安全進行評價，如表5所示。3個接地極對管線造成的直流干擾均滿足±35 V的人身安全限值要求。

表5 人身安全評價準則Tab. 5 Personal safety evaluation criteria

不同接地極額定放電時，管道電位評價結(jié)果如表6所示，僅高青接地極滿足限值要求，其余均不達標。

表6 腐蝕安全評價準則Tab. 6 Corrosion safety evaluation criteria

3個接地極均按年放電率1%，陰、陽極各50%，計算得到管道沿線腐蝕速率如圖10所示，最大腐蝕速率為0.472 mm/a，大于0.025 4 mm/a，不滿足標準要求。

圖10 高壓直流接地極干擾下的管線腐蝕速率Fig. 10 Corrosion rate of pipeline with the interference of HVDC grounding electrode

5 防護措施設(shè)計

前述評價結(jié)果顯示：管道干擾電位均滿足±35 V人身安全限值要求，膠東及智圣接地極干擾時管道電位均不滿足-850mV腐蝕限值要求，管線腐蝕速率不滿足0.025 4 mm/a的限值要求?？紤]到高壓直流接地極干擾大、影響廣，若想達到-850 mV的極化電位準則難度大，經(jīng)濟投入高且性價比低。同時考慮到高青接地極距離管線遠且土壤環(huán)境較好，干擾可通過陰極保護系統(tǒng)調(diào)節(jié)實現(xiàn)防護，因此確定防護目標：智圣及膠東高壓直流接地極放電造成的年腐蝕速率不大于0.025 4 mm/a。

目前業(yè)界針對高壓直流接地極造成的管線干擾治理方案分為三種，一是針對干擾源進行控制，電網(wǎng)方控制入地電流、遠距離避讓管線、設(shè)置分體時接地極、接地極遷址等；二是針對受干擾源，管道方沿管線水平敷設(shè)鋅帶、設(shè)置外加電流陰極保護系統(tǒng)、分段絕緣、設(shè)置接地墊、設(shè)置高電阻土壤等；三是針對已形成干擾，進行高后果區(qū)重點防護、非高后果區(qū)檢測、增加內(nèi)檢測頻次等。本工作中的接地極建設(shè)在前、管線建設(shè)在后，因此針對管道進行防護設(shè)計實現(xiàn)防護目標，本次防護設(shè)計將采用敷設(shè)鋅帶及設(shè)置絕緣接頭的方式進行。

管道沿線敷設(shè)鋅帶是一種比較成熟的防護方案。很多地區(qū)干擾電壓較高，敷設(shè)鋅帶的施工成本高，施工風(fēng)險也高，因此配合采用管線分段絕緣的方式進行防護。但是該措施將造成絕緣接頭上下游互為近、遠端，電位將發(fā)生偏移，降低最大干擾的同時增加了風(fēng)險點數(shù)量，因此絕緣接頭的設(shè)置需要根據(jù)現(xiàn)場陰極保護系統(tǒng)的布置進行合計規(guī)劃。

上述研究發(fā)現(xiàn)，高青接地極干擾可通過現(xiàn)有陰極保護系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)實現(xiàn)防護。因此本節(jié)僅針對膠東及智圣接地極對管線造成的干擾進行設(shè)計，防護措施為設(shè)置絕緣、增加陰極保護系統(tǒng)及敷設(shè)鋅帶。

5.1 設(shè)置絕緣與陰極保護

設(shè)計資料顯示3、8號閥室及安丘站絕緣接頭上下游電絕緣，且安丘站設(shè)置兩套陰極保護系統(tǒng)分別保護絕緣接頭上下游。接地極均按照年放電率1%，陰、陽極各50%，計算膠東及智圣接地極額定電流放電時管道沿線腐蝕速率分布見圖11。結(jié)果表明：管道最大腐蝕速率為0.620 mm/a，大于0.025 4 mm/a的防護目標，仍需進行進一步防護。

圖11 3號、8號閥室設(shè)置絕緣后高壓直流接地極干擾下管線的腐蝕速率Fig. 11 Corrosion rate of pipelines under the condition of HVDC ground electrode interference after the insulation of No. 3 and No. 8 valve chamber

值得注意，直流輸電系統(tǒng)單極運行時，可能會造成陰極保護系統(tǒng)運行異常，恒電位儀輸出超壓或輸出為零，甚至無法運行[12]，在這種情況下可以考慮采用恒壓模式運行(整流器)。

5.2 設(shè)置緩解鋅帶

上述計算結(jié)果顯示，在3號閥室、安丘站、8號閥室設(shè)置絕緣接頭，并在安丘站設(shè)置兩套外加電流陰極保護系統(tǒng)潔癖，管線最大腐蝕速率為0.620 mm/a，仍大于0.025 4 mm/a。因此繼續(xù)在管道沿線敷設(shè)鋅帶，用試錯法不斷調(diào)整鋅帶敷設(shè)長度及位置，當(dāng)管道沿線52處位置合計敷設(shè)鋅帶12 480 m時，管道沿線受高壓直流接地極干擾的最大腐蝕速率降至0.024 2 mm/a，達到0.025 4 mm/a的防護目標要求。

6 結(jié)論與建議

利用現(xiàn)有干擾數(shù)據(jù)及地電場強度測試數(shù)據(jù)繪制調(diào)試校核了HVDC接地極直流干擾預(yù)測模型；基于模型計算分析了在建董東線受HVDC接地極干擾的情況。

模擬結(jié)果表明管道受HVDC接地極干擾時沿線最大腐蝕速率為0.472 mm/a，大于標準要求的0.025 4 mm/a，干擾程度超出評價指標，需要進行防護設(shè)計。

基于管線腐蝕速率不超過0.025 4 mm/a的指標開展了防護設(shè)計計算，推薦采用設(shè)置絕緣與敷設(shè)緩解鋅帶的方式緩解干擾。

管道方采取的緩解措施都是被動的，緩解效果受限、經(jīng)濟代價高昂，電力方采取主動措施減少雜散電流泄放的頻次與時間，才是最有效的主動防護措施。

建議管道方與電力方建立聯(lián)動協(xié)作機制，在HVDC接地極放電前提前通知/預(yù)警，以便管道方及時防范風(fēng)險。