張 良 何 沫 張凌帆

中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)距離大容量輸電，在我國能源需求快速發(fā)展、電力資源分布嚴(yán)重不平衡的背景下，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。特高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地返回運(yùn)行時(shí)，工作電流持續(xù)通過接地極注入大地，電流可經(jīng)由附近管道防腐層破損點(diǎn)進(jìn)入，沿管道流動(dòng)一定距離后再由管道流出，在流出點(diǎn)管壁處造成嚴(yán)重腐蝕[4-7]。為降低特高壓直流輸電接地極對(duì)埋地金屬管道的影響，國內(nèi)管道已采用多種防護(hù)手段控制金屬腐蝕，但尚未在正受干擾條件下開展過管道參數(shù)監(jiān)測工作[8-15]。筆者以西南某管道為研究對(duì)象，創(chuàng)新性提出管道受影響程度的測試方法，通過對(duì)特高壓直流接地極放電過程中管道腐蝕參數(shù)的監(jiān)測，研究該管道受影響程度及腐蝕防護(hù)措施有效性。

1 現(xiàn)場概況

西南某管道全長120 km，采用D813×9/10/11/14.2 mm螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管，管材為L485M鋼，全線采用三層PE外防腐層。沿線地形以山坡、旱地、坡地、梯田為主，管道附近土壤電阻率介于11.31～251.2 Ω·m，土壤腐蝕性以中等腐蝕性為主，強(qiáng)腐蝕性次之，少量基巖地區(qū)為弱腐蝕性。

管道沿線設(shè)置5座截?cái)嚅y室，陰極保護(hù)系統(tǒng)包括3座陰極保護(hù)站、120個(gè)普通測試樁、47處直流排流設(shè)施、2個(gè)線路分段隔離絕緣接頭。在進(jìn)、出閥室兩側(cè)管道的合適位置各設(shè)置1處過電位保護(hù)點(diǎn)，各過電位保護(hù)點(diǎn)安裝防浪涌保護(hù)裝置對(duì)閥室進(jìn)行排流保護(hù)，防止線路管道上的電涌對(duì)閥室內(nèi)設(shè)施設(shè)備的沖擊和干擾。全線共設(shè)置2處遠(yuǎn)端排流點(diǎn)，局部接地鋅帶排流點(diǎn)共45處，鋅帶平行于管道同溝敷設(shè)，埋深與管道底標(biāo)高相同，距離管道水平距離約0.3 m。閥室及陰極保護(hù)站分布情況如圖1所示。

管道附近接地極為800 kV特高壓直流輸電接地極，采用同心雙圓環(huán)依地勢水平敷設(shè)，外環(huán)半徑為315 m，內(nèi)環(huán)半徑為240 m。內(nèi)環(huán)、外環(huán)均采用焦炭填充，截面為0.6 m×0.6 m，內(nèi)環(huán)埋設(shè)深度為3.5 m，外環(huán)埋設(shè)深度為4.0 m。該接地極與管道最小間距為14.8 km，設(shè)計(jì)性能：額定電流為4 540 A，暫態(tài)電流為6 045 A，最大電流為8 500 A。本次輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行從0:20:00開始，至0:58:55結(jié)束，歷時(shí)38分55秒，接地極負(fù)極放電電流為2 375 A，最大峰值電流為2 420 A。

圖1 管道閥室及陰極保護(hù)站分布圖

2 技術(shù)方案

為測試出接地極放電過程中管道的腐蝕情況，根據(jù)管道現(xiàn)場情況，創(chuàng)新性形成了特高壓接地極放電過程中附近管道受影響程度測試方法。所采用的技術(shù)手段如下。

2.1 管道陰極保護(hù)有效性測試

對(duì)目標(biāo)管道的恒電位儀性能、通斷電位、絕緣法蘭性能和排流設(shè)施性能進(jìn)行綜合測試，確定管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

2.2 恒電位儀輸出電流監(jiān)測

在接地極放電過程中，同步對(duì)3座陰極保護(hù)站的強(qiáng)排性恒電位儀的電流輸出進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)測試結(jié)果判斷恒電位儀在受影響過程中發(fā)揮的作用。

2.3 管地電位連續(xù)監(jiān)測

為明確雜散電流干擾下管道的吸收和排放電流區(qū)域，記錄放電過程中管道出現(xiàn)的最大電位偏移值，選擇17個(gè)測試點(diǎn)，應(yīng)用電位數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄管道沿線各點(diǎn)電位變化情況。

2.4 管中電流連續(xù)監(jiān)測

采用環(huán)式直流電流測試儀連續(xù)記錄放電過程中管中直流電流的大小和方向。測試點(diǎn)位置選定數(shù)值模擬中干擾強(qiáng)烈的區(qū)域間隔1 km開挖2處探坑。

2.5 管體腐蝕監(jiān)測

在接地極放電開始前，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選擇3處腐蝕嚴(yán)重位置設(shè)置由ER腐蝕探針和腐蝕檢查片組成的智能陰極保護(hù)評(píng)估系統(tǒng)。在放電結(jié)束后使用配套的手持機(jī)采集ER探針的腐蝕速率。

3 測試結(jié)果

3.1 管道陰極保護(hù)有效性測試

根據(jù)測試結(jié)果，各陰極保護(hù)站恒電位儀均運(yùn)行正常，管道沿線102處測試樁的通/斷電位均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，各站及沿途分段隔離絕緣接頭測試結(jié)果為合格。在50號(hào)和51號(hào)測試樁處測得排流鋅帶接地電阻過大，其余測試樁鋅帶接地電阻均達(dá)到要求。

3.2 恒電位儀電流監(jiān)測

在放電時(shí)間點(diǎn)前，3臺(tái)恒電位儀電流輸出平穩(wěn)，放電后為抑制雜散電流干擾，恒電位儀開始增大輸出，預(yù)期3號(hào)閥室干擾嚴(yán)重段輸出增加幅值最大，由0.91 A增加至4.64 A，輸出調(diào)整量為3.73 A。3臺(tái)恒電位儀在放電結(jié)束點(diǎn)輸出瞬間下降至正常范圍，對(duì)雜散電流干擾相應(yīng)快速，自動(dòng)調(diào)整時(shí)間基本無遲滯現(xiàn)象（圖2）。

圖2 恒電位儀電流輸出曲線

3.3 管地電位監(jiān)測

對(duì)所選的17個(gè)測試樁進(jìn)行了管地電位連續(xù)監(jiān)測，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如下：

1）2號(hào)、3號(hào)閥室測試點(diǎn)位于恒電位儀通電點(diǎn)附近，結(jié)果顯示管道電位受到鉗制作用，放電期間保護(hù)電位基本穩(wěn)定，2號(hào)閥室為－1.3～－1.4 V，3號(hào)閥室為－1.0～－1.2 V。

2.牢固樹立經(jīng)濟(jì)效益的理念。效益是企業(yè)的立身之本，沒有效益就沒有一切?，F(xiàn)在，油田調(diào)整了經(jīng)營考核辦法，將過去考核返還的部分納入成本管理；同時(shí)，員工住房補(bǔ)貼增長、療養(yǎng)補(bǔ)助發(fā)放的政策執(zhí)行，都意味著公司成本支出大幅提高。成本增加了，效益就會(huì)受到影響。公司的工作重點(diǎn)，就是要努力用效益的增長來彌補(bǔ)成本剛性增長的空缺。要堅(jiān)決突出效益第一位置，加強(qiáng)經(jīng)營管理，降低成本、挖潛增效，不斷提高公司經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量。

2）50號(hào)測試樁和4號(hào)閥室是發(fā)生電位正負(fù)交變的邊界線，2號(hào)閥室至50號(hào)測試樁段，以及4號(hào)閥室至納溪西站段是本次放電期間的陰極區(qū)，接地極的干擾由此區(qū)域流入管道，管道表面無腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，但大電流極化管道，可能導(dǎo)致陰極剝離，甚至金屬表面氫損傷。

3）50號(hào)測試樁至4號(hào)閥室段是本次放電期間的陽極區(qū)，接地極的干擾由此區(qū)域流出管道，管道表面漏損點(diǎn)位置有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4）64號(hào)樁監(jiān)測點(diǎn)在0:52正向偏移達(dá)到全線最大值為＋568 mV，偏移量為1 500 mV，為電流流出區(qū)域。

5）46號(hào)樁監(jiān)測點(diǎn)在0:52負(fù)向偏移達(dá)到全線最大值為－4 853 mV，偏移量為3 971 mV，為電流流入?yún)^(qū)域。

6）放電結(jié)束后管道電位恢復(fù)至放電前水平，可確定雜散電流干擾影響時(shí)間段為：00:26～00:54，管道受到約28 min持續(xù)放電干擾。

各點(diǎn)詳細(xì)測試結(jié)果如圖3、4所示：

圖3 管道沿線放電期間不同位置的電位分布圖

圖4 管道沿線放電期間不同時(shí)段的電位分布圖

3.4 管中電流監(jiān)測

針對(duì)預(yù)評(píng)估干擾較大區(qū)段，分別選擇在2號(hào)閥室下游5 m處和46號(hào)測試樁附近開挖探坑安裝電流環(huán)，監(jiān)測電流時(shí)序如圖5、6所示。監(jiān)測結(jié)果如下：

圖5 2號(hào)閥室處管中電流監(jiān)測圖

圖6 46號(hào)測試樁處管中電流監(jiān)測圖

接地極放電干擾前管道中的陰極保護(hù)電流量為0.09 A，00:23開始管道吸收入地電流并線性升高至1.5 A，至00:34電流瞬間升高到4 A，并持續(xù)至00:53后瞬間下降至0.19 A，持續(xù)時(shí)間30 min，基本與電位監(jiān)測結(jié)果一致。

干擾期間2號(hào)閥室附近監(jiān)測點(diǎn)測得最大管中電流為4.74 A，46號(hào)測試樁附近監(jiān)測點(diǎn)最大管中電流為4.84 A，較正常陰極保護(hù)電流分別增加了4.65 A和4.75 A。

3.5 管體腐蝕速率監(jiān)測

本次現(xiàn)場測試對(duì)管道沿線3處埋地腐蝕探頭進(jìn)行了腐蝕速率測試，測試結(jié)果反映出2號(hào)閥室旁，試片的外腐蝕速率超過NACE SP0169規(guī)定要求。測試結(jié)果如下：

1號(hào)腐蝕監(jiān)測點(diǎn)腐蝕速率為0.049 mm/a；2號(hào)腐蝕監(jiān)測點(diǎn)腐蝕速率為0；3號(hào)監(jiān)測點(diǎn)腐蝕速率為0.016 mm/a。

4 結(jié)論

1）特高壓直流輸電接地極入地電流對(duì)附近管道的影響程度可以通過管道陰極保護(hù)有效性測試、恒電位儀輸出電流監(jiān)測、管地電位監(jiān)測、管中電流監(jiān)測和管體腐蝕速率監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2）在未干擾條件下，該管道僅1處測試點(diǎn)極化電位不達(dá)標(biāo)，陰極保護(hù)系統(tǒng)總體運(yùn)行正常，管道沿線極化電位達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。另外存在2處排流鋅帶接地電阻過大。

3）接地極放電對(duì)管道全線均造成了干擾影響，管道陰極區(qū)即電流流入?yún)^(qū)域，最大負(fù)向偏移達(dá)到－4 853 mV，偏移量為3 971 mV，管道陽極區(qū)即電流流出區(qū)域，最大正向偏移達(dá)到＋568 mV，偏移量為1 500 mV，最大管中電流達(dá)到4.84 A。

4）在特高壓直流輸電接地極放電期間，管道強(qiáng)制電流恒電位儀自動(dòng)調(diào)節(jié)電流輸出量，低電阻鋅帶排流設(shè)施成為良好的干擾電流通道，各種腐蝕防護(hù)措施綜合發(fā)揮作用，對(duì)穩(wěn)定管道極化電位發(fā)揮積極作用，降低了管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

5）即使在多種管道腐蝕防護(hù)手段協(xié)同作用下，ER腐蝕探監(jiān)測管道外壁腐蝕的最大腐蝕速率0.049 mm/a，超過了管道設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，且本次放電涉及的電流量遠(yuǎn)低于額定值，由此可見特高壓直流輸電系統(tǒng)在單極大地返回運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)對(duì)附近管道造成較大影響。