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(1. 中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸管道分公司，廣州 510000； 2. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

隨著廣東經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高壓直流輸電系統(tǒng)和城市軌道交通系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)，埋地鋼制管道受直流雜散電流干擾的問題日益突出[1-6]。本工作對廣東地區(qū)某天然氣管道進(jìn)行檢測，明確其受到了高壓直流輸電系統(tǒng)和地鐵交通系統(tǒng)的直流雜散電流干擾；通過數(shù)據(jù)分析，得到管道受雜散電流干擾的規(guī)律；對照干擾期間管道的運(yùn)行情況，分析了管道受高壓直流輸電系統(tǒng)和地鐵交通系統(tǒng)的直流雜散電流干擾影響而存在的幾點(diǎn)危害，以期為預(yù)防直流雜散電流干擾提供借鑒。

1 管道電位的檢測和監(jiān)測方法

針對管道存在直流雜散電流干擾的工況，采用試片斷電法，進(jìn)行管道全線的通/斷電電位測試。通過檢測24 h內(nèi)試片斷電電位的最大值、最小值和平均值，評價(jià)管道受直流雜散電流干擾的情況。按照SY/T 0029-2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》,測試采用數(shù)據(jù)記錄儀uDL2和工作面積為6.5 cm2的極化試片，數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)置每秒采集一組數(shù)據(jù)，通斷周期設(shè)置為通4 s/斷1 s，測試接線如圖1所示。本次測試的管道防腐蝕層類型為3PE，管道的陰極保護(hù)方式為外加電流法。

圖1 數(shù)據(jù)記錄儀接線示意圖Fig. 1 Wiring diagram of data logger

本工作還采用極化探頭法和電位監(jiān)測系統(tǒng)，長期監(jiān)測管道電位，以明確管道受高壓直流輸電工程單極大地回路運(yùn)行方式的影響。極化探頭是由和管道相同材質(zhì)的極化試片和長效硫酸銅參比電極(CSE)構(gòu)成的，試片面積為6.5 cm2。電位監(jiān)測系統(tǒng)由電位監(jiān)測終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器構(gòu)成，見圖2。電位監(jiān)測終端與極化探頭和管道進(jìn)行連接，通過自動采集試片的通電電位和斷電電位，來測試管道在受到高壓直流接地極入地電流影響時(shí)的通/斷電電位，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，將測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器內(nèi)。測試人員通過專業(yè)軟件讀取數(shù)據(jù)。電位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置10 min采集1組通/斷電電位。

圖2 電位監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)和電位監(jiān)測終端Fig. 2 Potential monitoring system architecture and potential monitoring terminal

2 管道電位的檢測結(jié)果

此段管道共有3座陰極保護(hù)站,分別設(shè)置在閥室2、閥室6和站場2位置(見圖3)。其中，閥室2和閥室6處的恒電位儀采用恒電位模式運(yùn)行，站場2處恒電位儀采用恒電流模式運(yùn)行。由于直流雜散電流干擾，閥室2處恒電位儀(控制電位為-1.5 V)輸出電流波動較大；閥室6處恒電位儀(控制電位為-1.3 V)的保護(hù)電位波動較大，且保護(hù)電位較控制電位更負(fù)，無輸出電流；站場2處恒電位儀的保護(hù)電位波動大，恒電位儀無法采用恒電位模式運(yùn)行，只能采用恒電流模式運(yùn)行,控制輸出電流為0.55 A。3個(gè)恒電位儀的輸出情況見表1。

圖3 站場閥室和陰保站分布示意圖Fig. 3 Layout diagram of the station valve chamber and cathodic protection station

序號陰保站名稱恒電位儀輸出情況工作模式保護(hù)電位/V輸出電流/A輸出電壓/V1閥室2恒位-1.47～-1.550.95～0.222.75～4.652閥室6恒位-1.56～-1.7200.30～0.823站場2恒流-0.41～-1.350.551.86～7.91

由于直流雜散電流干擾造成管道電位波動嚴(yán)重，無法采用瞬間斷電法進(jìn)行管道的陰極保護(hù)電位檢測，因此采用試片斷電法進(jìn)行檢測。采用數(shù)據(jù)記錄儀測量管道24 h的通/斷電電位，發(fā)現(xiàn)管道全線的通電電位都存在明顯的波動，波動范圍為-3.98～+2.42 V，見圖4。其中，兩個(gè)管段的通電電位波動比較大，分別為kp4708測試樁附近管段和靠近站場2的管段；kp4708附近管段的通電電位波動幅度最大達(dá)到2.37 V，靠近站場2的管段通電電位波動幅度最大達(dá)到6.40 V。

管道全線的斷電電位波動范圍為-0.16～-1.30 V。管道全線斷電電位最正值正于-0.85 V的共27處，斷電電位平均值正于-0.85 V的共有10處，見圖5。按照GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施，因此，該管段共有27處需要采取防護(hù)措施。管道24 h的電位檢測結(jié)果顯示，管道受到動態(tài)直流雜散電流干擾，電位持續(xù)波動。

圖4 管道全線通電電位最大值、最小值和平均值分布圖Fig. 4 Maximum, minimum and average values of the power-on potential of the pipeline

圖5 管道全線斷電電位最大值、最小值和平均值分布圖Fig. 5 The maximum, minimum and average distribution of the power-off potential of the pipeline

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《AS 2832.1:2015 Cathodic protection of metals Part1:Pipes and cables》規(guī)定，對于動態(tài)雜散電流干擾的評價(jià)，需進(jìn)行20 h以上的管道斷電電位持續(xù)監(jiān)測；對于防腐蝕層性能良好的構(gòu)筑物或已證實(shí)對雜散電流的響應(yīng)為快速極化和去極化的構(gòu)筑物，應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：電位正于保護(hù)準(zhǔn)則(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為-850 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的5%，電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+50 mV(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為-800 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的2%，電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+100 mV(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為-750 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的1%；電位正于保護(hù)準(zhǔn)則+850 mV(對鋼鐵構(gòu)筑物電位為0 mV)的時(shí)間不應(yīng)超過測試時(shí)間的0.2%。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對全線管道上27處進(jìn)行進(jìn)一步陰極保護(hù)效果評價(jià)，其中有14處電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的比例不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均分布在靠近站場2的區(qū)域，見表2。

表2 正于保護(hù)準(zhǔn)則的管道斷電電位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 2 Statistical results of power-off potential grater than the protection criteria

3 直流雜散電流干擾源的調(diào)查結(jié)果

通過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)此段管道附近共有3個(gè)可能的直流雜散電流干擾源，分別為兩個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)的接地極和廣州地鐵。干擾源和管道的相對位置見圖6。

高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對管道造成的干擾有兩種形式：一種是在輸電線路雙極運(yùn)行時(shí)，接地極有不平衡電流對管道的影響，不平衡電流的影響持續(xù)存在，不平衡電流一般小于額定運(yùn)行電流的1%；另一種是輸電線路單極大地回路運(yùn)行，接地極流入流出的電流為直流輸電系統(tǒng)的額定運(yùn)行電流，入地電流可達(dá)幾千安培，對管道的影響發(fā)生在單極大地回路運(yùn)行期間。在白天地鐵運(yùn)行期間，管道受地鐵直流雜散電流干擾，夜間地鐵停運(yùn)之后，地鐵對管道無影響。24 h電位檢測結(jié)果顯示，此段管道電位共有3種波動規(guī)律，見圖7。

圖6 管道走向及與干擾源的相對位置FIg. 6 Pipeline orientation and relative position to sources of interference

由圖7(a)可見：測試樁kp4650為距離站場1最近的測試樁，距離高壓直流輸電系統(tǒng)接地極和地鐵均最遠(yuǎn)，受到的干擾最小。白天時(shí)間段的電位波動幅度明顯大于夜間時(shí)間段的，白天時(shí)間段通電電位為-0.84～-1.51 V，波動幅度約為0.67 V，夜間時(shí)間段波動幅度較小，約為0.15 V。

由圖7(b)可見：測試樁kp4707為距離高壓直流接地極1最近的測試樁，白天時(shí)間段電位波動幅度和夜間時(shí)間段的接近，白天時(shí)間段通電電位為-0.23～-2.06 V，波動幅度約為1.82 V，表明管道受到的高壓直流輸電系統(tǒng)不平衡電流干擾大于地鐵雜散干擾。

(a) 測試樁kp4650處(b) 測試樁4707處(c) 測試樁kp4830處圖 7 三種通-斷電電位波動規(guī)律圖Fig. 7 Fluctuation patterns of three kinds of on/off potential

由圖7(c)可見：測試樁kp4830為距離高壓直流接地極2和地鐵較近的測試樁，在高壓直接接地極采用雙極運(yùn)行模式時(shí)，白天時(shí)間段和夜間時(shí)間段的通電電位波動劇烈，整體的波動幅度遠(yuǎn)高于kp4707和kp4650測試樁的，同時(shí)白天時(shí)間段的波動幅度大于夜間時(shí)間段的。白天時(shí)間段通電電位波動范圍為+2.011～-3.94 V，夜間時(shí)間段通電電位波動范圍為+0.75～-2.13 V，表明此部分管道受到高壓直流接地極2不平衡電流和地鐵雜散電流干擾最為明顯，造成該管段持續(xù)處于欠保護(hù)狀態(tài)。

對比3種管道電位的波動規(guī)律發(fā)現(xiàn)，本次測試的管道同時(shí)存在高壓直流輸電系統(tǒng)的不平衡電流和地鐵雜散電流的綜合干擾。

4 高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行影響管道的監(jiān)測結(jié)果

高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)高壓接地極為流出電流，稱為“陽極放電”，相對應(yīng)的另外一個(gè)高壓接地極為流入電流，稱為“陰極放電”。文中的接地極1和接地極2分別為兩個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)中的一個(gè)接地極。

通過電位監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到高壓直流輸電系統(tǒng)接地極2單極大地回路運(yùn)行時(shí)，管道受到嚴(yán)重的干擾。在接地極陽極放電3 000 A(高壓直流接地極流出電流)時(shí)，管道受干擾時(shí)電位分布出現(xiàn)變化見圖8。可以看出，靠近接地極2的管道電位負(fù)向偏移，測試樁KP4829+1位置的最負(fù)電位達(dá)到-174.6 V。受接地極陽極干擾時(shí)，此段管道為雜散電流流入?yún)^(qū)域，遠(yuǎn)離接地極2的管道電位正向偏移，測試樁KP4717位置的最正電位達(dá)到31.6 V，此段管道為雜散電流流出區(qū)域。

圖8 接地極陽極放電3 000 A時(shí)的管道電位分布Fig. 8 Pipeline potential distribution at 3 000 A of grounding anode discharge

在接地極陰極放電1 125 A(高壓直流接地極流入電流)時(shí)，管道受干擾時(shí)電位分布變化如圖9所示?？拷拥貥O2的管道電位正向偏移，測試樁KP4829+1位置的最正電位達(dá)到77.2 V。受接地極陰極干擾時(shí)，此段管道為雜散電流流出區(qū)域，遠(yuǎn)離接地極2段管道負(fù)向偏移，測試樁KP4717位置的最負(fù)電位達(dá)到-12.5 V，此段管道為雜散電流流入?yún)^(qū)域。

圖9 接地極陰極放電1 125 A時(shí)的管道電位分布Fig. 9 Pipeline potential distribution at 1 125 A grounding anode discharge

管道的雜散電流流入和流出區(qū)域，隨著接地極入地電流極性變換而發(fā)生改變，接地極入地電流越大，管道的受干擾程度越大。在此管段上，靠近接地極的管段受干擾程度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離接地極的管段。

5 直流雜散電流干擾對管道造成的危害

此段天然氣管道在受到直流雜散電流影響期間，在以下幾方面嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行，對管道造成不同形式的危害。

(1) 閥室的絕緣卡套發(fā)生放電燒蝕

在對閥室絕緣卡套的完好情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)2個(gè)閥室(閥室3和閥室8)內(nèi)的絕緣卡套內(nèi)部或外部有放電燒蝕的痕跡。由于高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地回路運(yùn)行對管道造成干擾，閥室內(nèi)絕緣卡套兩端電壓差升高，造成絕緣卡套內(nèi)部或外部發(fā)生放電燒蝕[3]。

(2) 恒電位儀內(nèi)部元器件燒毀

在一次高壓直流接地極單極大地回路運(yùn)行之后，發(fā)現(xiàn)閥室2位置的恒電位儀內(nèi)部元器件發(fā)生了燒毀。

(3) 恒電位儀無法正常運(yùn)行

由于直流雜散電流干擾造成管道電位波動嚴(yán)重，站場2位置的恒電位儀無法正常采用恒電位模式運(yùn)行，只能采用恒電流模式；閥室6位置的恒電位儀輸出大部分時(shí)間為0 A，并且經(jīng)常會跳轉(zhuǎn)至恒電流模式。

(4) 管道防腐層破損點(diǎn)位置發(fā)生嚴(yán)重腐蝕

對本段管道不同位置的12處防腐蝕層破損點(diǎn)開挖檢測結(jié)果顯示，管道破損點(diǎn)位置均有不同程度的腐蝕坑深，腐蝕坑內(nèi)有明顯的黑色腐蝕產(chǎn)物，12處防腐蝕層破損點(diǎn)處管體最大腐蝕深度統(tǒng)計(jì)見表3。本段管道由于全線都受到嚴(yán)重的高壓直流接地極干擾，因此全線管道的防腐蝕層破損點(diǎn)均有不同程度的腐蝕，其中靠近站場2附近管道KP4827+132 m位置缺陷腐蝕深度最大，達(dá)到3.69 mm，占壁厚的13.42%。此段管道受高壓直流接地極2單極大地回路運(yùn)行模式干擾嚴(yán)重，同時(shí)由于高壓直流接地極不平衡電流和地鐵雜散電流干擾，管道長期處于欠保護(hù)狀態(tài)，因此該管段各缺陷點(diǎn)腐蝕深度整體較其他管段的大。

表3 防腐蝕層破損點(diǎn)位置管體腐蝕深度Tab. 3 Corrosion depth of the pipe at the damage points of the anti-corrosion layer

6 結(jié)束語

(1) 通過24 h通/斷電電位數(shù)據(jù)檢測，發(fā)現(xiàn)管道同時(shí)存在高壓直流輸電系統(tǒng)的不平衡電流和地鐵雜散電流的干擾，使部分管道長期處于陰極保護(hù)欠保護(hù)狀態(tài)。

(2) 通過電位監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到高壓直流接地極單極大地回路運(yùn)行時(shí)，全線管道受干擾嚴(yán)重，在此運(yùn)行模式下，管道KP4829+1測試樁持續(xù)最正電位達(dá)到了77.2 V，持續(xù)最負(fù)電位達(dá)到了-174.6 V。管道的雜散電流流入和流出區(qū)域隨著接地極入地電流極性變換而發(fā)生改變；接地極入地電流越大，管道受干擾程度越大，靠近接地極的管段受干擾程度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離接地極的管段。

(3) 由于直流雜散電流干擾，管道的運(yùn)行安全面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)，會造成閥室絕緣卡套放電燒蝕、恒電位儀內(nèi)部元器件燒毀、恒電位儀無法正常運(yùn)行等事故，甚至導(dǎo)致管道發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。