代書(shū)龍，劉百爽

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

高壓直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、逆變站、輸電線路以及接地極組成，正常運(yùn)行時(shí)，主要有雙極運(yùn)行方式、單極大地回線運(yùn)行方式以及單極金屬回線運(yùn)行方式。雙極運(yùn)行方式中又包含雙極平衡運(yùn)行以及雙極不平衡運(yùn)行兩種方式。其中，直流系統(tǒng)處于單極大地回線運(yùn)行方式以及雙極不平衡運(yùn)行方式時(shí)，大地中會(huì)流過(guò)強(qiáng)大的入地電流，特別是在單極大地回線方式下，入地電流高達(dá)數(shù)千安培。

隨著我國(guó)西電東送以及西氣東輸工程的大量投產(chǎn)，直流接地極與埋地油氣管道鄰近的情況已不可避免[1-2]。直流接地極對(duì)鄰近埋地油氣管道的腐蝕影響和危險(xiǎn)影響問(wèn)題日益突出[3-6]。接地極與天然氣管道的布置示意圖如圖1 所示，d 為接地極與輸氣管道之間的距離，通常接地極為水平雙圓環(huán)布置，正常情況下，天然氣管道表面有絕緣涂層，入地電流流經(jīng)天然氣管道表面時(shí)，對(duì)管道表面的腐蝕不大，但當(dāng)管道表面出現(xiàn)破損時(shí)，強(qiáng)大的入地電流流經(jīng)破損點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致金屬管道出現(xiàn)電解腐蝕，且入地電流會(huì)在管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電位升高可能對(duì)人身安全帶來(lái)威脅，電流腐蝕直接影響到金屬構(gòu)件的壽命，對(duì)油氣管道還會(huì)帶來(lái)其它一系列安全問(wèn)題[7-9]。因此，如何降低甚至消除接地極入地電流對(duì)天然氣管道的腐蝕影響已成為亟需解決的問(wèn)題。

當(dāng)前科技工作者的研究主要集中在高壓直流入地電流對(duì)天然氣管道影響機(jī)理，天然氣管道腐蝕成因等方面，鮮有文獻(xiàn)提出有建設(shè)性的降低天然氣管道腐蝕具體措施，而本文的重點(diǎn)正在于對(duì)接地極周?chē)妶?chǎng)分布情況進(jìn)行深入研究后，提出有效的降低管道腐蝕方法。

本文先對(duì)接地極周?chē)妶?chǎng)在均勻土壤以及不同土壤電阻率中的分布情況進(jìn)行分析，并根據(jù)法拉第電解定律找出與天然氣管道腐蝕相關(guān)的物理量，據(jù)此提出三種降低天然氣管道腐蝕的具體措施。

圖1 接地極與輸氣管道布置示意圖

1 接地極附近電場(chǎng)分布

若接地極埋設(shè)在土壤電阻率均勻的大地中，通過(guò)接地極入地電流的電流線是垂直于接地極等效半球體表面向外輻射的，大地中任意半徑為R 的半球表面上各點(diǎn)的電流密度均勻并且相等，示意圖如圖2 所示，大地中任意半徑等效半球體表面的電流密度[10]為：

式中，JR為半球體表面的電流密度，Id為接地極入地電流，2πR2為等效半球體表面積，半球體表面的土壤電位梯度為：

式中：ER為等效半球體表面的電位梯度，ρ為土壤電阻率。不難看出，在相同的入地電流下，半球體表面的電位梯度與土壤電阻率及半球體的半徑密切相關(guān)，天然氣管道離接地極越遠(yuǎn)，管道上的電流密度越小。此外，若采用深埋接地極的方式，并將接地極由半球體改成球體，則電位梯度變?yōu)槭剑?）表達(dá)式，由于半球體變?yōu)榍蝮w后，表面積增加一倍，對(duì)減小電位梯度大有益處，因此可采取深埋接地極的方式裝設(shè)接地極。

圖2 均勻土壤中接地極附近電場(chǎng)分布

然而，大地中的土壤電阻率并非完全相同，大地土壤電阻率模型通常可等效為水平多層土壤結(jié)構(gòu)，不同地區(qū)的土壤層數(shù)以及每層土壤的電阻率及高度均有區(qū)別。

圖3 第一層土壤電阻率小于第二層時(shí)電場(chǎng)分布

圖4 第一層土壤電阻率大于第二層時(shí)電場(chǎng)分布

從接地極流出的電流線經(jīng)過(guò)不同電阻率的分界面時(shí)，由于電阻率大的土壤對(duì)電流線的阻礙作用更大，因此電流被擠向電阻率更小層的土壤，當(dāng)土壤電阻率ρ1＜ρ2，電流密度J1＜J2時(shí)，第二層土壤電位梯度衰減比第一層慢，如圖3所示。圖形中，ρ1為第一層土壤電阻率，h1為第一層土壤高度，ρ2為第二層土壤電阻率，h2為第二層土壤高度，ρn為第n 層土壤電阻率，hn為第n 層土壤高度。當(dāng)土壤電阻率ρ1＞ρ2，電流密度J1＜J2時(shí)，第二層土壤電位梯度衰減比第一層快，如圖4 所示。若其中一層土壤電阻率相對(duì)另一層為無(wú)窮大，則電流不流經(jīng)無(wú)窮大層的土壤。

圖5 電流流經(jīng)絕緣涂層完好管道的電場(chǎng)分布

圖6 電流流經(jīng)絕緣涂層破損管道的電場(chǎng)分布

2 天然氣管道腐蝕機(jī)理

根據(jù)法拉第電解定律可知：

m 為天然氣管道在破損點(diǎn)腐蝕的質(zhì)量，M為被腐蝕的管道摩爾質(zhì)量，Q 為總的泄露電流電量，n 為管道在發(fā)生腐蝕后化合價(jià)的變化量，F(xiàn) 為法拉第電解常數(shù)，i 為電流，T 為統(tǒng)計(jì)時(shí)間，JN為管道上等效泄露電流密度，Sd為管道破損點(diǎn)面積。通過(guò)法拉第電解定律可知：當(dāng)管道上通過(guò)相同的電量時(shí)，管道上沉積的物質(zhì)的質(zhì)量與其M/m 成正比；管道上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過(guò)管道的電量成正比。本文主要從降低通過(guò)管道上的電量方面展開(kāi)研究。

輸氣管道表面絕緣涂層完好時(shí)，由于絕緣涂層的電阻率大，由接地極流出的電流在土壤中流經(jīng)管道時(shí)可繞過(guò)管道流向另一側(cè)，如圖5所示，因此管道上的電流密度極小，天然氣管道幾乎不被腐蝕。但當(dāng)管道出現(xiàn)破損時(shí)，由于破損點(diǎn)處出現(xiàn)裸露的金屬導(dǎo)體，而金屬導(dǎo)體的電阻率比土壤電阻率小，因此破損點(diǎn)周?chē)碾娏鲗⒋罅苛飨蚱茡p點(diǎn)，如圖6 所示，導(dǎo)致破損點(diǎn)的泄露電流密度增大，根據(jù)法拉第電解定律可知，管道腐蝕質(zhì)量也將增大。此外，破損點(diǎn)面積越大時(shí)，腐蝕越嚴(yán)重。

3 降低天然氣管道腐蝕措施

天然氣管道深埋于大地，管道難以避免的會(huì)出現(xiàn)破損情況，由于電位梯度及管道腐蝕質(zhì)量均與泄露電流密度成正相關(guān)關(guān)系，減小管道泄漏電流密度便可減小管道的腐蝕，為此，本文提出三種通過(guò)人工干預(yù)的方式引導(dǎo)從接地極流出的電流，使之偏離天然氣管道的破損點(diǎn)。

由于電流流經(jīng)不同電阻率的材料時(shí)，電流會(huì)被擠向電阻率更小的材料，因此若在輸氣管道兩側(cè)裝設(shè)比土壤電阻率更小的矩形扁鐵，并將兩側(cè)的扁鐵用導(dǎo)線連接，由于矩形扁鐵及導(dǎo)線的電阻率比土壤及輸氣管道的電阻率小，由接地極流向輸氣管道的電流將被迫轉(zhuǎn)移至矩形扁鐵，因此流過(guò)輸氣管道的電流將會(huì)大大減小，縱然輸氣管道的絕緣涂層存在破損，破損處流過(guò)的電流減小后，管道的腐蝕也將減小，從而起到了保護(hù)管道的作用。保護(hù)原理示意圖如圖7 所示。

此外，若在輸氣管道靠近接地極一側(cè)裝設(shè)高電阻率材料，由于高電阻率材料對(duì)電流的阻礙作用，將引起本應(yīng)流過(guò)輸氣管道的電流方向發(fā)生彎曲，偏離原路線，偏離原路線的電流繞過(guò)高電阻率材料的同時(shí)也繞過(guò)了輸氣管道，高電阻率材料同樣對(duì)輸氣管道起到了保護(hù)作用。其保護(hù)原理如圖8 所示。

圖7 管道兩側(cè)加裝扁鐵時(shí)電場(chǎng)示意圖

圖8 管道靠接地極側(cè)裝高電阻率材料時(shí)電場(chǎng)示意圖

圖9 接地極與輸氣管道分層布置時(shí)電場(chǎng)示意圖

另外，由于大地為多層電阻率土壤結(jié)構(gòu)，而由接地極流出的電流更容易流向電阻率更小的土壤中。因此，若將接地極布置于土壤電阻率小的土壤中，而將輸氣管道布置于高電阻率土壤中，此時(shí)高電阻率土壤中的電流密度變小，從而降低了對(duì)輸氣管道的腐蝕作用，原理示意圖如圖9 所示，示意圖中以第一層土壤電阻率小于第二層土壤電阻率為例，若第一層土壤電阻率大于第二層土壤電阻率，應(yīng)將接地極裝設(shè)于第二層土壤，而將輸氣管道裝設(shè)于第一層土壤。

4 結(jié)束語(yǔ)

入地電流流過(guò)天然氣管道時(shí)，管道的腐蝕主要發(fā)生在破損點(diǎn)處，流過(guò)管道的泄露電流以及管道破損點(diǎn)面積越大，發(fā)生腐蝕的金屬質(zhì)量越大。

在輸氣管道兩側(cè)裝設(shè)比土壤電阻率更小的矩形扁鐵，并將兩側(cè)的扁鐵用導(dǎo)線連接時(shí)，流過(guò)輸氣管道破損點(diǎn)的泄露電流密度大大減小，有效保護(hù)了輸氣管道。

在輸氣管道靠近接地極一側(cè)裝設(shè)高電阻率材料，高電阻率材料將迫使電流線偏離原路徑，從而電流線避開(kāi)了輸氣管道，降低了天然氣管道的腐蝕。

將接地極布置于電阻率低的土壤中，而將輸氣管道布置于電阻率較高的土壤中時(shí)，由于電阻率高的土壤中電流密度小，因而可降低入地電流對(duì)天然氣管道的腐蝕。