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        某油田海底管道抗電磁干擾腐蝕研究

        2022-04-28 02:33:08
        中國(guó)修船 2022年2期
        關(guān)鍵詞:故障

        胡 江

        (中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津 300459)

        海底管道擔(dān)負(fù)著輸送石油、天然氣等的重要任務(wù),可以說(shuō)是海上油田的動(dòng)脈。通常在海底管道布置時(shí),與海底電纜的最小間距控制在20 m左右,這樣可以有效避免電流干擾的影響。但是在一些特殊情況下,海底管、纜的布置間距會(huì)比較小。由于交流干擾的作用,管道會(huì)感應(yīng)交流電流,這些感應(yīng)的交流電流會(huì)在管道涂層破損處(或者涂層質(zhì)量較差的地方)流出管道,從而造成管道涂層破損處的交流腐蝕。根據(jù)《埋地鋼制管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,采用加拿大CDEGS軟件仿真計(jì)算線路正常負(fù)載運(yùn)行和接地工況下管道的干擾分布情況,評(píng)估對(duì)管道腐蝕影響。本文以渤海油田某油氣混輸海底管道在穿越航道區(qū)域與海底電纜交叉并近距離并行布置的情況為例,考慮到電磁干擾可能加速海底管道的腐蝕,為避免此類(lèi)事情發(fā)生,在工程前期進(jìn)行專(zhuān)題研究。

        1 海底管道與海底電纜設(shè)計(jì)參數(shù)

        海底管道總長(zhǎng)約28.9 km,管材為API5L×65,涂層類(lèi)型為3LPE。管道埋深,非航道區(qū)1.5 m,航道區(qū)3.5 m;管道直徑,457 mm;管道壁厚,12.7 mm;涂層電阻率,1×105Ω·m2。

        海底電纜規(guī)格為35 kV/110 kV 三芯海底電纜,其中35 kV電纜額定載流量為422 A,電流不平衡度為4%,單相短路故障電流為0.75 kA;110 kV電纜額定載流量為698 A,電流不平衡度為4%,在航道處單相短路故障電流為7.65 kA,其余位置單相短路故障電流為9.06 kA。海底電纜在海上平臺(tái)處接地,接地方式為鎧裝、鉛套三相互聯(lián)接地,接地電阻為0.5 Ω。

        海底電纜埋設(shè)在海床以下3.5 m,管道在非航道區(qū)埋深1.5 m,在航道區(qū)埋深3.5 m。在航道區(qū)海床以上約有26 m的海水層,非航道區(qū)海床以上約有20 m的海水層,海水層電阻率為0.25 Ω·m,海泥層電阻率為1.0~3.5 Ω·m。

        ??颂m群島戰(zhàn)役中皇家海軍大敗德國(guó)一支艦隊(duì),1914年12月,從而剝奪了德國(guó)進(jìn)入世界各貿(mào)易中心的權(quán)利。不過(guò),雙方艦隊(duì)只有一次大交鋒,即1916年5月21日的日德蘭海戰(zhàn)。此次海戰(zhàn)從戰(zhàn)術(shù)上講,德國(guó)成功地避開(kāi)了陷阱,取得了勝利。但從戰(zhàn)略上講,英國(guó)人才是勝利者。因?yàn)樗麄儚拈_(kāi)始直到戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束始終控制著北海,并迫使德國(guó)艦隊(duì)困于本土基地?zé)o法出動(dòng)。

        2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和故障情況時(shí)的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判指標(biāo)

        當(dāng)海底電纜發(fā)生單相短接時(shí),即35 kV、110 kV海纜內(nèi)部鉛套和纜芯均發(fā)生短接。通過(guò)電纜發(fā)生故障的狀況進(jìn)行模擬計(jì)算,包括35 kV海纜起點(diǎn)處、海纜與原有管道開(kāi)始并行位置、KP0位置(航道起點(diǎn)處)、KP1.085位置(跨接點(diǎn)處)、KP1.5位置(航道拐點(diǎn)第一處)、KP2.0位置(航道拐點(diǎn)第二處)、KP2.996位置(航道終點(diǎn)處)、35 kV、110 kV海纜終點(diǎn)處,海纜單相故障位置示意圖如圖5所示。

        表1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下交流干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

        根據(jù)前述的數(shù)據(jù),建立了跨接點(diǎn)位于KP-7處和跨接點(diǎn)位于KP1.085處2種模型,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)跨接點(diǎn)位于KP1.085(航道起點(diǎn)處)時(shí),管道的交流干擾水平更低,建議選擇KP1.085處為跨接點(diǎn)(如圖3所示)。

        表2 故障時(shí)避免電弧放電的安全距離

        3 建立模型及仿真

        根據(jù)前期調(diào)研及查閱資料,構(gòu)建跨接點(diǎn)位于KP1.085處的數(shù)值模擬計(jì)算模型,對(duì)海纜常態(tài)運(yùn)行下對(duì)管道干擾的影響進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)構(gòu)建的計(jì)算模型,管道干擾水平出現(xiàn)了3個(gè)峰值點(diǎn)和1個(gè)低谷點(diǎn),其中第1個(gè)小峰值尖點(diǎn)位于管道與2條電纜初次交匯處,即KP-7處,管道路由約為12 344 m;第二個(gè)峰值點(diǎn)位于跨接處,即KP1.085處,管道路由約為20 459 m;低谷點(diǎn)位于航道中點(diǎn)處,即KP1.797處,管道路由約為21 300 m;最高點(diǎn)位于穿越航道后海纜與管道分離處,即KP2.996處,管道路由約為22 412 m。管道的最大交流干擾電壓為1.28 V,最大交流電流密度為288.92 A/m2,最小交流電流密度為98 A/m2,管道整體的交流電流密度基本都高于嚴(yán)重交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)所規(guī)定的100 A/m2,存在很高的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施減小干擾。

        圖1 建模及干擾評(píng)估流程圖

        在故障工況下,考慮海管涂層材料為3LPE,其耐受電壓評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)IEE Std 80-2013 《交流變電站接地安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》),面電阻率為1×105Ω·m2的涂層,其安全耐受電壓為10 kV。故障時(shí)避免電弧放電的安全距離見(jiàn)表2,已知35 kV的單相故障電流0.75 kA,110 kV在航道區(qū)的單相故障電流7.65 kA,在其余位置處的單相故障電流9.06 kA,電阻率按最保守估計(jì)取1 Ω·m。

        圖2 海底電纜、管道及航道模型圖

        4 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),海纜對(duì)管道干擾評(píng)估

        前期通過(guò)收集和調(diào)研獲得相關(guān)資料,并根據(jù)所得資料進(jìn)行建模計(jì)算,建模及干擾評(píng)估流程圖見(jiàn)圖1。海底電纜、管道及航道模型圖如圖2所示,交流干擾位置與電壓關(guān)系圖如圖3所示,交流干擾位置與電流關(guān)系圖如圖4所示。跨接點(diǎn)位置于KP1.085處。由于海泥層電阻率是一個(gè)范圍,因此采取最保守的值1 Ω·m。其中航道處管道與電纜間距約為0.3 m,其余并行段間距約為30 m。

        故障工況下,通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模擬計(jì)算模型,獲得海底電纜在不同位置發(fā)生單相短接時(shí),管道遭受的干擾情況、管道的接觸電壓及涂層耐受電壓數(shù)據(jù)。根據(jù)計(jì)算模型顯示,管道的接觸電壓及涂層耐受電壓呈現(xiàn)的規(guī)律相同,并且數(shù)值相差無(wú)幾,管道遭受的干擾整體呈現(xiàn)先上升再下降,最后上升到峰值,并基本穩(wěn)定的規(guī)律。其中第一個(gè)峰值點(diǎn)的位置大約在KP0處,低谷點(diǎn)大約在KP1.8處,最高的峰值點(diǎn)則位于KP2.996。而且當(dāng)海纜在A位置和H位置發(fā)生故障時(shí),管道遭受的干擾水平最大,接觸電壓與耐受電壓最大值為287.85 V;當(dāng)海纜在KP1.085位置和KP1.5位置發(fā)生故障時(shí),管道整體遭受的干擾水平最小,其接觸電壓與涂層耐受電壓最大值為232.78V。整體來(lái)看,海纜在KP1.085~KP2.996位置(航道區(qū))發(fā)生單相短接故障時(shí),管道遭受的干擾整體小于在其余位置發(fā)生單相短接故障時(shí)對(duì)管道造成的干擾。由此可見(jiàn),當(dāng)發(fā)生單相短接故障時(shí),管道的接觸電壓數(shù)值較高,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。而涂層耐受電壓對(duì)比規(guī)定的安全耐受電壓限值,可以判斷基本沒(méi)有涂層擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

        當(dāng)海底電纜發(fā)生單相接地故障,即海纜內(nèi)部鉛套和纜芯發(fā)生短接然后接地時(shí),由于該區(qū)域在進(jìn)出航道的2個(gè)位置(即KP1.085和KP2.996)的海纜埋深比較淺(1.5 m),海纜發(fā)生單相接地故障的風(fēng)險(xiǎn)很高,故需要在相應(yīng)的位置進(jìn)行單相接地短路故障評(píng)估。

        圖3 交流干擾位置與電壓關(guān)系圖

        圖4 交流干擾位置與電流關(guān)系圖

        5 單相短接故障時(shí),海纜對(duì)管道干擾評(píng)估

        根據(jù)海底管道和海底電纜的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,參考BS EN 15280-2013 《應(yīng)用于陰極保護(hù)埋地管道的交流腐蝕可能性評(píng)價(jià)》(以下簡(jiǎn)稱《評(píng)價(jià)》)及BS ISO 18086-2015 《金屬與合金的腐蝕AC腐蝕的測(cè)定保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》),穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下交流干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

        圖5 海纜單相故障位置示意圖

        港口需求與投資能力是有上限的,不同港口城市投資港口的回報(bào)也不同,因此,合理確定港口需求、預(yù)測(cè)投資回報(bào)、分析相互競(jìng)爭(zhēng)的港口城市的投資行為以及應(yīng)有的均衡狀態(tài)是必要的。本文分兩種投資主體,研究多港口地區(qū)的港口投資均衡問(wèn)題,找出港口企業(yè)以自身利潤(rùn)最大化為原則投資和港口城市以城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展為導(dǎo)向投資時(shí)的策略空間,分析在兩種投資行為下的港口規(guī)模的均衡狀態(tài)。

        Kentar Y, Zastrow R, Bradley H, et Al. Prevalence of Upper Extremity Pain in a Population of People with Paraplegia. Spinal Cord, 2018, 56(7): 695-703.

        6 單相接地故障時(shí),海纜對(duì)管道干擾情況

        學(xué)生是課本劇的主體,教師卻是課本劇的引領(lǐng)者。教師對(duì)課本劇的評(píng)價(jià)可以從學(xué)生的表演、劇情的開(kāi)展、學(xué)生的表達(dá)、場(chǎng)邊情況、道具準(zhǔn)備情況多方面對(duì)課本劇進(jìn)行整體分析,讓學(xué)生從大方向正確理解每一次課本劇的真實(shí)情況,從而讓學(xué)生查缺補(bǔ)漏,在課本劇中全面成長(zhǎng)。

        故障工況下,通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模擬計(jì)算模型,獲得海底電纜在2個(gè)位置發(fā)生單相接地故障時(shí),管道遭受的干擾情況以及管道的接觸電壓及涂層耐受電壓。結(jié)果顯示,管道的接觸電壓及涂層耐受電壓呈現(xiàn)的規(guī)律相同,并且數(shù)值相差無(wú)幾,管道遭受的干擾整體呈現(xiàn)先上升再下降最后上升到峰值并基本穩(wěn)定的規(guī)律。從圖3可以看出,在KP1.085處(即跨接點(diǎn))發(fā)生故障時(shí),對(duì)管道的干擾整體高于在KP2.996處(即海纜遠(yuǎn)離管道點(diǎn))。其中,在KP1.085位置發(fā)生故障的接觸電壓與涂層耐受電壓最大值為271.47 V,而在KP2.996處發(fā)生故障的接觸電壓與涂層耐受電壓最大值為250.38 V;另外針對(duì)3種工況進(jìn)行了模擬,其中35 kV單相接地故障對(duì)管道產(chǎn)生的干擾遠(yuǎn)小于110 kV單相接地故障與35 kV、110 kV同時(shí)單相接地故障2種工況下對(duì)管道產(chǎn)生的干擾,而35 kV、110 kV同時(shí)單相接地故障相比于110 kV單相接地故障對(duì)管道的干擾更嚴(yán)重;所有工況下管道的峰值處均在KP2.996處產(chǎn)生。單相接地故障電壓峰值如表5所示。

        表5 單相接地故障電壓峰值

        7 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)35 kV、110 kV海底電纜與附近的管道以及所處環(huán)境資料收集,并利用數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬計(jì)算模型對(duì)海底管道進(jìn)行電磁干擾計(jì)算分析。對(duì)在不同工況條件下海底電纜對(duì)海底管道電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,重點(diǎn)對(duì)穿越段海底管道面臨的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論。

        3)出現(xiàn)085故障時(shí),檢查EBV控制節(jié)點(diǎn)上黃燈。如果穩(wěn)定或者閃爍,重裝程序或者更換EBV;如果斷電恢復(fù)后紅燈仍亮,更換EBV。

        1)構(gòu)建2種不同跨接位置模型,計(jì)算分析了35 kV、110 kV 2條電纜在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下對(duì)海底管道交流干擾風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果顯示當(dāng)跨接點(diǎn)位于KP1.085(航道起點(diǎn)處)時(shí),管道的交流干擾水平比跨接點(diǎn)位于KP-7(海纜與管道初次并行處)時(shí)低,建議選擇KP1.085處為跨接點(diǎn)。

        2)構(gòu)建模型計(jì)算分析了35 kV、110 kV 2條電纜在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下對(duì)海底管道交流干擾風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果顯示,管道在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)干擾最大點(diǎn)出現(xiàn)在KP2.996,即穿越航道后海纜與管道分離處。根據(jù)《評(píng)價(jià)》和《標(biāo)準(zhǔn)》,在海纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下,海底管道全線的交流電流密度均高于30 A/m2,有85%的管線高于100 A/m2,交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)判定為高,需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施減小干擾。

        3)故障工況下,模擬計(jì)算的結(jié)果顯示最大涂層耐受電壓僅為287.85 V,根據(jù)《導(dǎo)則》中的規(guī)定,涂層面電阻率為1×105Ω·m2時(shí),其涂層耐受電壓為10 kV,本項(xiàng)目中,不存在在故障工況下涂層被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

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