牛文花 陳少松

北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：地磁擾動(dòng)時(shí)刻都在發(fā)生，近幾年通過智能電位測(cè)試樁的監(jiān)測(cè)，在我國不同地域的管道上均監(jiān)測(cè)到了顯著的地磁干擾現(xiàn)象。本文首先介紹了地磁干擾的原理，并通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)埋地管道地磁干擾加以識(shí)別，進(jìn)而開展干擾評(píng)價(jià)，總結(jié)了近三年以來埋地管道地磁干擾的規(guī)律，以期對(duì)埋地管道的地磁干擾識(shí)別、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：地磁干擾；地磁暴；埋地管道；智能監(jiān)測(cè)分析

1  地磁干擾的原理

地磁場(chǎng)由源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)和源于地球外部的變化磁場(chǎng)組成，變化磁場(chǎng)起源于分布在地表以上的各種空間電流體系，主要位于電離層、磁層和空間。地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)由于磁場(chǎng)穩(wěn)定一般產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流非常微弱，影響有限。然而，變化磁場(chǎng)的存在，特別是太陽活動(dòng)引起的磁暴期會(huì)產(chǎn)生變化幅度較大的地磁感應(yīng)電流，可能對(duì)各種人工長(zhǎng)距離導(dǎo)電體造成顯著影響。國外（特別是高緯度國家，如加拿大、芬蘭等）對(duì)地磁感應(yīng)電流干擾管道的現(xiàn)象開展了長(zhǎng)期的觀測(cè)、理論研究與預(yù)測(cè)。根據(jù)所建立的管道地磁感應(yīng)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的記錄，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)（磁暴）時(shí)，感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到每公里幾伏至幾十伏，因而對(duì)地下管道產(chǎn)生的雜散電流干擾腐蝕就成為一個(gè)不可忽視的因素。

地磁場(chǎng)強(qiáng)弱與多個(gè)因素有關(guān)：

（1）太陽周期變化：太陽周期在大約11年的間隔里出現(xiàn)一次活動(dòng)高峰。這些周期對(duì)應(yīng)著太陽的南北磁極位置的變化。

（2）太陽自轉(zhuǎn)頻率：太陽自轉(zhuǎn)頻率大約是27天，由于太陽黑子和太陽耀斑在表面并不是均勻分布的，自轉(zhuǎn)會(huì)引起太陽等離子體的變化。

（3）地球自轉(zhuǎn)：隨著地球自轉(zhuǎn)，金屬結(jié)構(gòu)物會(huì)在地球的晝夜間經(jīng)歷地磁的變化。因此，管地電位具有24小時(shí)重復(fù)性的變化，被稱為晝間波動(dòng)。

（4）等離子體磁場(chǎng)方向：等離子體磁場(chǎng)的方向?qū)Φ仉妶?chǎng)的大小有著重要的影響。當(dāng)?shù)入x子體磁場(chǎng)指向南（即逆著地球磁場(chǎng)）時(shí)，地磁暴產(chǎn)生一個(gè)較大的地電場(chǎng)。但是當(dāng)?shù)入x子體磁場(chǎng)朝北時(shí)，地電場(chǎng)則沒有明顯變化。因此，日冕質(zhì)噴射對(duì)地電場(chǎng)的影響與太陽磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)的排列關(guān)系密切相關(guān)。

（5）管道與海/湖岸線的接近性：由于低電阻率水體和高電阻率大地之間存在電壓差，接近海/湖岸線也會(huì)引起管道的電位變化。相比于大地，水體中存在更大的感應(yīng)電流，從而引起水體中的電荷積累會(huì)增加靠近海/湖岸的大地電位。這種現(xiàn)象也存在于大地中高低電阻率土壤的突然變化處。另外，由于霍爾效應(yīng)，水體的潮汐活動(dòng)也能產(chǎn)生感應(yīng)電流，加劇管道電位變化。實(shí)際上，大地電性結(jié)構(gòu)的分界處容易加劇管道腐蝕，穿過大地分界面的管道在分界點(diǎn)處受到的地磁暴致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)比較大。

（6）管道緯度：管道相對(duì)于地磁極的位置對(duì)其上感應(yīng)電場(chǎng)的大小也存在影響。在中緯度區(qū)地磁峰值發(fā)生的概率最高，而沿著到北極和到赤道的方向減小。

地磁活動(dòng)可以用Kp指標(biāo)來表征。Kp指數(shù)是由全球地磁臺(tái)網(wǎng)中13個(gè)地磁臺(tái)站的K指數(shù)計(jì)算得到，用于表示全球地磁活動(dòng)性，每3小時(shí)采集一個(gè)值。Kp指數(shù)是基于3小時(shí)間隔的算術(shù)平均數(shù)。該指數(shù)是對(duì)數(shù)值，范圍從0（靜止）到9（嚴(yán)重），Kp指數(shù)超過4的活動(dòng)被認(rèn)為是地磁暴。隨著Kp指數(shù)增大，地磁暴發(fā)生的概率對(duì)數(shù)地減小。一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴。由圖 1可知，地磁小擾動(dòng)頻繁發(fā)生，但嚴(yán)重的地磁暴幾乎不發(fā)生。Kp=6的地磁暴可能發(fā)生的概率為2%，可產(chǎn)生平均100 mV/km大小的地電場(chǎng)，其電場(chǎng)范圍大致是30 mV/km～300 mV/km（圖 2）。

圖 1 不同Kp指數(shù)等級(jí)地磁活動(dòng)的平均發(fā)生率

圖 2 地電場(chǎng)峰值大小與Kp指數(shù)的關(guān)系

2  埋地管道地磁干擾的識(shí)別

埋地油氣管道受到雜散電流干擾時(shí)，識(shí)別干擾源是保證管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。與高壓輸電線路、地鐵、高鐵等干擾源不同，地磁干擾很難直接辨識(shí)。為了確定埋地管道是否受到地磁干擾的影響，可以結(jié)合地磁干擾的特點(diǎn)從以下三方面進(jìn)行辨識(shí)。

（1）地磁干擾對(duì)埋地管道電位影響表現(xiàn)為電位呈現(xiàn)無規(guī)律波動(dòng)，且近似存在24小時(shí)的晝夜周期；電位波動(dòng)不僅持續(xù)存在，且波動(dòng)幅度隨著地磁暴等級(jí)增加而增加。

（2）地磁干擾對(duì)大地中所有的埋地金屬結(jié)構(gòu)物都會(huì)產(chǎn)生影響，因此，不僅受干擾管道全線都會(huì)受到影響，而且分布在不同地理位置的管道也同時(shí)受到影響，這一點(diǎn)在發(fā)生強(qiáng)地磁暴時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。發(fā)生強(qiáng)地磁暴時(shí)，分布在不同地理位置的管道電位波動(dòng)同時(shí)同步增加；可以利用這一點(diǎn)來明確管道電位的無規(guī)則波動(dòng)是地磁干擾所致。

（3）中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（NSSC）空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心（網(wǎng)站：http://www.sepc.ac.cn/）會(huì)發(fā)布已發(fā)生的地磁暴事件并對(duì)未來短時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的地磁暴事件進(jìn)行預(yù)報(bào)。埋地管道受到地磁干擾電位波動(dòng)幅度增加時(shí)，可以通過查找對(duì)應(yīng)時(shí)段與中心發(fā)布的地磁暴時(shí)間是否吻合來進(jìn)一步確認(rèn)地磁干擾的影響。

3  埋地管道受到地磁干擾的監(jiān)測(cè)分析與評(píng)價(jià)

通過智能電位測(cè)試樁的監(jiān)測(cè)，目前已在我國不同地理位置的埋地管道上監(jiān)測(cè)到了地磁干擾現(xiàn)象。這些位置既有高緯度地區(qū)，例如新疆賽里木湖附近、黑龍江漠河附近。也有低緯度地區(qū)，例如廣西北部灣附近、廣東湛江附近，還有濱海地區(qū)，例如華北渤海灣、華東黃海海域附近等。

3.1  地磁干擾的監(jiān)測(cè)

以下為2020—2022年地磁暴等級(jí)達(dá)到3年來最高的一次（Kp=7）案例。

2021年5月，通過對(duì)某管線上智能電位測(cè)試樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)沿線智能電位測(cè)試樁通電電位和斷電電位均存在持續(xù)不規(guī)則波動(dòng)，波動(dòng)趨勢(shì)一致，但均未呈現(xiàn)出明顯的隨時(shí)間變化的周期性特點(diǎn)，也無明顯的靜息期，如圖 3所示。經(jīng)查詢空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心網(wǎng)站（圖 4），5月12日12:00—18:00這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生Kp=7的大地磁暴事件，因此該時(shí)段內(nèi)管道受到的地磁干擾相較于其他時(shí)間明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為通電電位波動(dòng)幅度顯著增大，且斷電電位波動(dòng)幅度也有所增大。

圖 3 2021年5月12日大地磁暴（ Kp=7）時(shí)某管線4處智能測(cè)試樁的監(jiān)測(cè)電位-時(shí)間分布圖

圖 4 2021年5月12日—13日大地磁暴事件

3.2  地磁干擾的評(píng)價(jià)

埋地管道受到的地磁干擾屬于動(dòng)態(tài)直流干擾。在評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)效果或者干擾防護(hù)效果時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮地磁干擾的影響。目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1―2015和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21857―2021已提出埋地管道地磁干擾的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，而國內(nèi)尚無相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

AS2832.1―2015的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則提出：當(dāng)有跡象表明測(cè)試點(diǎn)最正峰值和最負(fù)峰值之間的電位差超過200 mV時(shí)，應(yīng)評(píng)估大地電流的影響。開展結(jié)構(gòu)物的大地電流影響評(píng)估時(shí)，必需記錄電位24小時(shí)以上，至少不少于20小時(shí)。如果使用數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測(cè)電位，其采樣頻率應(yīng)不小于每分鐘一次。受大地電流影響的整個(gè)管段均應(yīng)開展電位數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)量工作。受大地電流影響的結(jié)構(gòu)物的電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間不得超過測(cè)試時(shí)間的5%。在確定電位變化的程度時(shí)，應(yīng)評(píng)估電位測(cè)量時(shí)間段內(nèi)電離層干擾的程度。

ISO 21857―2021的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則提出：對(duì)于施加陰極保護(hù)的管道，如果受到的陽極干擾和陰極干擾隨時(shí)間變化，干擾可接受的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下：

（1）陽極干擾：無IR降電位EIR-free滿足EIR-free≤ Ep（即保護(hù)電位）；或者Eon,avg偏移滿足Eon,avg ≤ Eref（即參考電位）–ΔEa,avg。

（2）陰極干擾：平均陰極電位偏移ΔEc,avg滿足ΔEc,avg≤500 mV（包括IR降）。

4  地磁干擾的規(guī)律分析

空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心給出的2020—2022年全年地磁暴等級(jí)如表 1所示，Kp=7的大地磁暴2次、Kp=6的中小地磁暴21次、Kp=5的中小地磁暴134次，而Kp≤4的輕度地磁擾動(dòng)每天都在發(fā)生。通過對(duì)大量埋地管道智能電位測(cè)試樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)管道電位波動(dòng)的日最大電位差（即波動(dòng)幅度）正好是地磁暴等級(jí)較大的時(shí)候。其中，2021年5月12日地磁暴等級(jí)達(dá)到3年來最高，為Kp=7，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)6小時(shí)，僅占一年總時(shí)長(zhǎng)的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴，在2022年發(fā)生頻次較高，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占一年總時(shí)長(zhǎng)的0.07%～0.55%；Kp=5的中小地磁暴，同樣在2022年發(fā)生頻次最高，達(dá)到了89次，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占一年總時(shí)長(zhǎng)的0.51%～3.05%；Kp≤4的輕度地磁擾動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)占一年總時(shí)長(zhǎng)的96.37%～99.42%。從近三年監(jiān)測(cè)情況來看，2022年Kp≥5的地磁暴發(fā)生頻次較高，而絕大部分時(shí)間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾。

表 1 地磁暴等級(jí)占比時(shí)間（ 2020—2022年）

5  結(jié)語

目前行業(yè)內(nèi)對(duì)地磁干擾的關(guān)注并不太多，而埋地管道受到地磁干擾的研究則更少。近年來，智能測(cè)試樁的普遍應(yīng)用可有效提升對(duì)管道電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)情況的關(guān)注，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)埋地管道地磁干擾的認(rèn)識(shí)。針對(duì)埋地管道受到地磁干擾影響的評(píng)估工作，我國目前尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，可參考AS 2832.1―2015和ISO 21857―2021進(jìn)行干擾評(píng)價(jià)。開展埋地管道地磁干擾評(píng)價(jià)時(shí)，可結(jié)合地磁暴強(qiáng)度信息查詢結(jié)果，利用“干擾電位正于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保護(hù)電位（Ep）的時(shí)間占比不超過5%”確定干擾是否可以接受。

作者簡(jiǎn)介：牛文花，1986年生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事智能陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、故障診斷、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)融合等工作。聯(lián)系方式：18910386639，niuwh@ancorr.cn。