葉青

中國石化銷售有限公司華中分公司

摘要：隨著能源交通基礎設施大規模建設，土壤電磁環境日益惡化，埋地金屬管道交流干擾問題日益突出。介紹了目前國內外交流干擾緩解技術的發展狀況，以安亳成品油管道為例分析了交流干擾緩解工程，展望了交流干擾治理發展方向。

關鍵詞：交流干擾；緩解技術；安亳成品油管道

油氣管道與電力線路、電氣化鐵路等線性工程常常共用一條走廊，因此對管道產生了交流干擾，甚至造成管道腐蝕穿孔（即交流腐蝕）[1-3]，嚴重威脅管道及其相關設備的安全。

針對交流干擾問題，目前國內外學者的相關研究仍難以確定統一的評價標準和合理有效的緩解方案[4-5]。

1 交流干擾危害及緩解防護目標

1.1 人身安全危害

穩態交流干擾危害，各國標準中人身安全電壓的限值見表 1 [6] 。其中美國NACE標準考慮比較全面，而且一般情況下15 V的穩態安全電壓容易緩解達到，因此推薦使用。特殊情況下，可設置防觸碰裝置或均壓墊等措施進行重點防護。

暫態交流干擾情況下，由于出現概率低而且持續時間較短（一般小于0.1 s），主要考慮的是保護生命安全不引起心室顫動的安全限值。可參照我國電力行業標準DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》計算即可。

1.2 管道損傷

穩態的交流干擾可能導致管道發生交流腐蝕。目前，對于交流腐蝕的評價指標國際上尚未統一。GB/T 50698―2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》吸取了歐洲標準規定：當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4 V時，應采用交流電流密度進行評估。當交流電流密度在30 A/m2以下時，交流腐蝕風險較弱（表 2）。

暫態交流干擾下管道上會產生很高的交流電壓，嚴重時會擊穿管道涂層。Dabkowski[7]給出了各種不同涂層的安全耐受電壓(表 3)。

2 交流干擾緩解技術的發展

2.1緩解設計技術發展

傳統的經驗公式設計主要針對單點排流，采用幅值處緩解方針，根據現場調研和檢測結果，初步確定緩解方式和地床大小，再根據現場模擬緩解試驗確定緩解點和緩解量。對于不具備現場試驗的地段，可以根據經驗公式（1）和（2）計算緩解量和緩解線長度。對于穩態交流干擾而言，緩解效果主要依賴于緩解地床的接地電阻[8]。由于緩解的本質基于平均管地電位差，所以一味地增加緩解線長度以期降低接地電阻從而達到更好的緩解效果是不現實的。有學者提出存在緩解線長度極值，當緩解線長度大于該值時，增加緩解線長度并不能再有效地降低管道交流干擾電壓，該長度極值可根據公式（3）大致確定[9]。傳統方法操作簡單，適用于干擾程度和范圍較小的情況，是一種單點設計法，無法對管道全線進行綜合考慮，存在一定的局限性。

數值模擬（也稱計算機仿真模擬）設計法是近年來興起的管道交流干擾主流設計方法[10-11]。利用數值模擬軟件對“公共走廊”內管道和高壓輸電線路進行整體建模，通過麥克斯韋方程計算區域內電學參量分布情況。數值模擬綜合設計法適用范圍廣，可針對各種干擾狀況設計不同的緩解方案，參考價值較高。但需要大量的干擾源、被干擾物、土壤及地理信息等基礎數據，工作量大，且目前主要集中于處理穩態交流干擾，對于高速鐵路等引起的暫態高頻率交流干擾還未建立有效的計算模型和模塊，有待進一步的系統研究。

在目前的技術水平下，為得到經濟有效的緩解方案，應綜合考慮傳統經驗設計和數值模擬綜合設計兩種方法。首先根據單點法確定所需的緩解線長度，再利用數值模擬軟件對其進行修正和調整，從而達到事半功倍的效果。

2.2 緩解防護技術發展

為防止埋地管道受到交流干擾，最有效的辦法就是盡可能的增大管道與干擾源的距離。GB/T 21447－2008《鋼質管道外腐蝕控制規范》中給出在路徑受限地區，220 kV、330 kV、500 kV高壓輸電等級時埋地管道與桿塔接地極的水平距離應分別不小于5.0 m、6.0 m和7.5 m；CAN/CSA-C22.3 NO.6-M91《管道與電力供應線之間協調性原則及作法》建議管道與桿塔接地體之間的距離應大于10 m；Dawalibi等[12]則認為埋地管道的安全距離應不小于300 m。這些間距設定的出發點主要是考慮故障情況下電弧放電對管道防腐層以及人觸電的危害。而對于電磁感應干擾，GB/T 50698－2011中規定當管道與高壓交流輸電線路、交流電氣化鐵路的間隔距離大于1 000 m時，不需要進行干擾調查測試。

實際情況下很難使管道與干擾源保持足夠的安全距離，可采用集中接地、梯度控制墊、絕緣接頭和緩解線等方法實施緩解。其中，緩解線+固態直流去耦合器是目前最主要的交流干擾緩解措施。該方法通過沿埋地管道近距離鋪設裸露的導體帶或者地床，并通過固態直流去耦合器將緩解線策略性的與管道電連接，可有效的平均管道電位和地電位，降低管地電位差。目前，該方法在西氣東輸、蘭鄭長成品油、川氣東送、安亳成品油、洛駐成品油等管道上得到了很好的應用。其中，陜京三線采用該方法后全線交流干擾緩解率為65%[13]；北京燃氣次高壓管線阜石路段實施排流后，平均緩解率達到72%，效果明顯。

3 安亳成品油管道交流干擾緩解工程

3.1 交流干擾情況

安亳成品油管道淮南―蚌埠段分別與220 kV洛爐線、500 kV懷店線、500 kV懷孔線、220 kV洛燕線、220 kV田秦線、500 kV懷蕪I/II線、高速鐵路軌道和通訊信號發射塔存在并行或交叉穿越，“公共走廊”長度達27 km。

3.2現場調研測試

對淮南―蚌埠管線0～43 km里程管段開展了現場調研測試，內容包括：輸電線路塔腳與管道距離、交流干擾電壓、交流電流密度（根據GB/T 50698-2011中提供的公式和現場測得土壤電阻率計算得到）。結果顯示公共走廊區內輸電線路塔腳與管道距離滿足7.5 m的安全距離，電弧燒蝕風險較小。其他測試結果如圖 1所示，管道沿線交流干擾風險等級較高的區域可達31 km，最大干擾電壓為22.1 V，位于28 km處，大部分受干擾區域交流電流密度大于100 A/m2，受到強交流雜散電流干擾，最大干擾位于23 km+897 m處，交流電流密度高達488.07 A/m2。

圖 1  管道沿線交流干擾電壓和交流電流密度分布

使用ER腐蝕探頭對強交流干擾下管道腐蝕速率進行了實時監測，監測時間為2個月，將ER腐蝕探頭取出后，發現探頭存在較為嚴重的局部腐蝕現象（圖 2）。采用DDC-II型點腐蝕探測儀對探頭表面3個位置處的局部腐蝕速率進行檢測，結果見表 4，遠超ASTM標準中規定的10 μm/a限值。管道交流腐蝕風險較高，亟需對其進行緩解。此外，通過ER探頭測試結果可知試片的平均腐蝕速率為360 μm/a，這相當于0.31 A/m2的直流電流的腐蝕量。而此處的交流電流密度為488.07 A/m2，表明約0.06%的交流電流密度產生了腐蝕。

圖 2  探頭表面腐蝕（清洗后）

3.3 緩解防護措施及效果

采用目前國際上主流的緩解線+固態直流去耦合器方式進行緩解。緩解目標采用GB/T 50698－2011要求，結合受干擾區域土壤電阻率分布情況，選用“管線沿線交流干擾電壓低于4 V”作為緩解目標。

采用“現場試驗+傳統經驗公式設計+數值模擬綜合設計”方式對該管線交流干擾進行緩解設計，根據公式（1）和（2），以交流干擾電壓最高的22.1 V作為首要緩解對象，初步計算得到需要60 m長鍍鋅扁鋼，再利用數值模擬軟件對管道全線進行建模，對初步計算得到的緩解方案進行校核比對，結合現場情況，最終確定采用“40 m鍍鋅扁鋼+40 m鍍鋅角鋼”的“水平接地極+垂直接地極”的方式進行緩解，緩解地床安裝位置分別位于：005 km、012 km+089 m、016 km+823 m、019 km、022 km+735m、024 km+389m、027 km、030 km+168 m、033 km+064 m、036 km、038 km、044 km+221m、008 km+677 m、010 km+828 m、024 km+907 m、028 km+640 m、029 km+206 m，共17處，緩解地床通過Rustrol固態直流去耦合器連接至管道。

對緩解后管道沿線的交流干擾狀況檢測結果(圖 3)可知，實施緩解后，管道沿線交流干擾電壓均小于4 V，滿足標準要求，緩解效果良好。

圖 3  緩解后管道沿線交流干擾分布

4 交流干擾緩解技術未來發展方向

（1）雜散電流干擾實時監測的普及化和多元化。推動雜散電流干擾實時監測的普及化，有利于隨時掌握管道干擾狀態，了解轄區電流干擾的變化規律，指導防治工作。采用腐蝕速率監測、環境監測等多元化監測手段，能夠更好地了解雜散電流對管道腐蝕及其他方面的影響。

（2）管道方與電網、鐵路等干擾源方合作開展治理。目前所采取的措施只是暫時緩解，無法真正徹底解決雜散電流問題，排出的電流依舊存在于土壤中，治標不治本。理想的治理方式是使其“從哪來回哪去”，需要各方相互協調配合完成。

（3）數值模擬計算技術的普及化和軟件的國產化。目前我國亟需提高相關技術能力和普及程度。相關軟件的國產化是未來發展的主流方向。

參考文獻：

[1] Bosch R W, Bogaerts W F. A theoretical study of AC-induced corrosion considering diffusion phenomena[J]. Corros. Sci., 1998, 40(2): 323-336.

[2] Nielsen L V. Differential ER-technology for measuring degree of accumulated corrosion as well as instant  corrosion rate[A]. Corrosion/2003[C]. Houston, Texas: NACE, 2003, 443.

[3] Nielsen L V, Nielsen K V. AC-induced corrosion in pipelines: detection, characterization and mitigation[A].  Corrosion/2004[C]. Houston, Texas: NACE, 2004, 211.

[4] 楊光. 交流輸電線路單相接地故障下油氣管道交流干擾的緩解[J]. 腐蝕與防護, 2016, 37(2):165-170.

[5] 李自力, 孫云峰, 劉靜, 等. 埋地油氣管道交流干擾腐蝕及防護研究進展[J]. 腐蝕科學與防護技術, 2011, 23(5): 376-380.

[6] 郭劍, 曹玉杰, 胡士信, 等. 交流輸電線路對輸油輸氣管道電磁影響的限值[J]. 電網技術, 2008, 32(2):17-20.

[7] Dabkowski J. Pipeline coating impedance effects on power-line fault current coupling[R]. Electro Sciences, Inc., Crystal Lake, IL (USA), 1989.

[8] J. Dabkowski. Methodologies for AC interference[A]. Corrosion/2003[C]. Houston, Texas: NACE, 2003, paper No. 03703.

[9] 楊光. 交流輸電線路單相接地故障下油氣管道交流干擾的緩解[J]. 腐蝕與防護, 2016, 37(2):165-170.

[10] Southey R D, Dawalibi F , Vukonich W. Recent advances in the mitigation of AC voltages occurring in pipelines located close to electric transmission lines[J]. IEEE Trans.on Power Delivery, 1994, 9(2): 1090-1097.

[11] Markovic D, Smith V, Perera S, et al. Modelling of the Interaction between Gas Pipelines and Power Transmission Lines in Shared Corridors[A]. Australasian Universities Power Engineering Conference[C]. Brisbane, 2004.

[12] Dabkowski J, Kirkpatrick E L. Design considerations for mitigation of induced AC on pipelines[A]. Corrosion/2001[C]. Houston, Texas: NACE, 2001, paper No. 01579.

[13] 張平, 程明，屠海波. 陜京三線交流干擾防護新技術應用與優化[J].腐蝕與防護, 2012,， 33(8):724-727.

作者：葉青，中國石化銷售有限公司華中分公司管道油庫處技術科科長。

《管道保護》2018年第2期（總第39期）