顧清林1 曹國飛1 吳志平2 常景龍2

1.中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司； 2.中石油管道有限責(zé)任公司

摘 要： 為了掌握高壓直流輸電工程接地極對天然氣管道雜散電流干擾影響及規(guī)律，在全國17個(gè)高壓直流輸電工程接地極附近12條管道上安裝電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測管道電位，分析接地極的干擾頻次和干擾時(shí)間及天然氣管道受干擾程度、影響范圍和規(guī)律。結(jié)果顯示，能夠準(zhǔn)確判斷出接地極對管道的干擾。 2017年17個(gè)接地極干擾頻次為201次，干擾總時(shí)長為657.31小時(shí)，較2016年略有下降。 1 987 km天然氣管道受到接地極干擾，其中華南地區(qū)較華東、華中和西北地區(qū)的干擾程度大。接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的雜散電流流入流出的管段越短，對遠(yuǎn)離接地極端的管道的干擾程度越大，干擾范圍越廣。

關(guān)鍵詞： 高壓直流輸電工程；接地極；電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)；雜散電流；天然氣管道

目前，埋地鋼質(zhì)管道受高壓直流輸電工程接地極的影響問題越來越嚴(yán)重，對管道及其附屬設(shè)施會造成多種危害，其中腐蝕影響尤為明顯[1]。其他如天然氣閥室內(nèi)絕緣卡套或者引壓管之間出現(xiàn)打火放電燒蝕現(xiàn)象[2,3]；部分管道直流干擾電壓超過人體安全電壓，存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)[4]；在干擾嚴(yán)重區(qū)段的陰極保護(hù)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會造成恒電位儀燒毀。在使用高強(qiáng)度鋼的埋地管道，由于高壓直流輸電工程干擾造成電位過負(fù)，存在管道本體發(fā)生氫脆或氫致開裂的風(fēng)險(xiǎn)[5,6]。

為了掌握目前全國各個(gè)地區(qū)的高壓直流輸電工程接地極對埋地鋼質(zhì)管道的干擾頻次、時(shí)長和干擾程度，采用電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，對全國17個(gè)接地極附近的天然氣管道受干擾情況進(jìn)行了長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測。

1 監(jiān)測設(shè)備和方法

采用極化探頭法[7]和電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過通電電位的變化，判斷管道是否受到接地極干擾。極化探頭由與管道相同材質(zhì)的極化試片和長效硫酸銅電極構(gòu)成，試片面積6.5 cm2 [8]。電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)（圖 1）由電位監(jiān)測終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器構(gòu)成。極化探頭通過電位監(jiān)測終端與管道進(jìn)行連接。電位監(jiān)測終端自動通斷試片，采集試片的通/斷電電位，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，將測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的服務(wù)器內(nèi)。測試人員通過專業(yè)軟件讀取傳輸至服務(wù)器內(nèi)的通/斷電電位。電位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置10分鐘采集1組通/斷電電位。

圖 1  電位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 接地極干擾識別

高壓直流輸電工程有兩個(gè)接地極，其中一個(gè)流入電流，另外一個(gè)流出電流。在接地極流入電流時(shí)，靠近接地極管道電位正向偏移，遠(yuǎn)離接地極管道電位負(fù)向偏移；在接地極流出電流時(shí)，靠近接地極管道電位負(fù)向偏移，遠(yuǎn)離接地極管道電位正向偏移。在接地極附近的天然氣管道上設(shè)置多個(gè)電位監(jiān)測點(diǎn)，分別在離接地極最近位置和遠(yuǎn)離接地極位置同時(shí)設(shè)置，對管道電位進(jìn)行連續(xù)不間斷監(jiān)測。通過同一條管道多個(gè)位置的通電電位同時(shí)發(fā)生正向或者負(fù)向偏移，判斷管道是否受到接地極的干擾。

以華東地區(qū)接地極4對管道8的干擾監(jiān)測為例。在管道8設(shè)置了7處電位監(jiān)測點(diǎn)。 4處（1―4）設(shè)置在靠近接地極的管段， 3處（5―7）設(shè)置在遠(yuǎn)離接地極的管段（圖 2）。 19:19， 1―3處電位同時(shí)往負(fù)方向偏移， 4―7處電位同時(shí)往正方向偏移； 19:50， 7處同時(shí)恢復(fù)為正常的保護(hù)電位（圖 3）�？梢耘袛�19:19～19:50管道8受到接地極4的干擾。

圖 2  管道8的電位監(jiān)測點(diǎn)和接地極相對位置示意圖

圖 3  管道8的7處電位監(jiān)測點(diǎn)同一時(shí)間點(diǎn)發(fā)生電位偏移

3 接地極干擾監(jiān)測結(jié)果

3.1 干擾頻次和干擾時(shí)長

對全國17個(gè)接地極附近的12條天然氣管道長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測， 分別得到2016年和2017年的干擾頻次和干擾時(shí)長（表 1）。 2016年17個(gè)接地極造成干擾次數(shù)281次，干擾總時(shí)長674.07小時(shí)； 2017年干擾次數(shù)201次，干擾總時(shí)長657.31小時(shí)。對比兩年的監(jiān)測結(jié)果可以看出， 2017年的干擾頻次和干擾總時(shí)長均有降低。華東地區(qū)接地極4和華南地區(qū)接地極4干擾頻次和干擾總時(shí)長均較��；華東接地極4和華南接地極1干擾頻次和干擾總時(shí)長均較大；華中接地極6、華東接地極5和接地極6干擾總時(shí)長超過高壓直流接地極設(shè)計(jì)文件要求的1%（3.65天）故障率。

3.2 干擾程度和干擾范圍

對17個(gè)接地極附近的12條管道通/斷電電位進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果（表 2）顯示，在接地極干擾下管道斷電電位的最正值和最負(fù)值均超過標(biāo)準(zhǔn)[9]要求的陰極保護(hù)電位的上下限。其中受干擾最大的管道（管道11）電位達(dá)到了304.40 V（圖 4），遠(yuǎn)超過人體安全電壓。數(shù)據(jù)顯示，共有5條管道的通電電位絕對值高于4 V，管道上閥室內(nèi)的絕緣卡套和引壓管存在打火放電燒蝕風(fēng)險(xiǎn)[2,3]。其中華南地區(qū)接地極1對其附近的3條管道（管道10、 11、 12）的干擾均能達(dá)到幾十伏，干擾最為嚴(yán)重。華南地區(qū)接地極2與管道10的垂直距離56 km，造成的最大干擾電位能達(dá)到﹣10.63 V。華中和華東地區(qū)接地極與管道垂直距離相同時(shí)，最大干擾電位偏移量只有幾百毫伏。華東地區(qū)接地極6對管道9的干擾電位最大值能達(dá)到﹣8.91 V。華中地區(qū)和西北地區(qū)干擾相對較小。共有1 987 km管道受到接地極干擾（接地極有入地電流時(shí)，管道電位有明顯的波動），其中1 707 km管道斷電電位超過標(biāo)準(zhǔn)要求電位的上下限。

圖 4  管道11受華南地區(qū)接地極4干擾時(shí)通電電位分布圖

4 接地極干擾規(guī)律分析

華南地區(qū)接地極1和接地極2與管道10的垂直距離分別為3.5 km和小于100 m，與管道10垂直點(diǎn)位置位于管道的10 km和72 km里程位置（圖 5）。

圖 5  華南地區(qū)2個(gè)接地極與管道相對位置

華南地區(qū)接地極1流出1 000 A電流時(shí)，管道受干擾時(shí)和未受干擾時(shí)的通電電位分布見圖 6，靠近接地極約31 km長的管段通電電位負(fù)向偏移，監(jiān)測范圍內(nèi)遠(yuǎn)離接地極約239 km管道通電電位正向偏移，靠近接地極端管道電位偏移量大于遠(yuǎn)離接地極的電位偏移量，靠近接地極端管道電位最負(fù)偏移至﹣50.58 V，遠(yuǎn)離接地極端管道電位最正偏移至+6.43 V，表明靠近接地極端管道的干擾大于遠(yuǎn)離接地極端。管道10在受華南地區(qū)接地極1干擾時(shí)，管道分為兩個(gè)雜散電流流入流出管段，管道一端電位負(fù)向偏移，雜散電流流入；管道另外一端電位正向偏移，雜散電流流出，管道兩端互為雜散電流的流入流出點(diǎn)（圖 7）。

圖 6  管道10受華南地區(qū)接地極1干擾時(shí)通/斷電電位分布圖

圖 7  管道10受華南地區(qū)接地極1干擾時(shí)雜散流入流出示意圖

華南地區(qū)接地極2流出1 100 A電流時(shí)，管道受干擾時(shí)和未受干擾時(shí)的通電電位分布見圖 8，靠近接地極約8 km長的管道通電電位負(fù)向偏移，監(jiān)測范圍內(nèi)遠(yuǎn)離接地極約262 km管道通電電位正向偏移，靠近接地極端管道電位偏移量大于遠(yuǎn)離接地極端的電位偏移量，靠近接地極端管道電位最負(fù)偏移至﹣31.00 V，遠(yuǎn)離接地極端管道電位最正偏移至+10.34 V，表明靠近接地極端的管道干擾大于遠(yuǎn)離接地極端。管道10在受華南地區(qū)接地極2干擾時(shí)，管道分為3個(gè)雜散電流流入流出管段，管道中間段電位負(fù)向偏移，雜散電流流入；管道另外兩端電位正向偏移，雜散電流流出，管道中間段和兩端互為雜散電流的流入流出點(diǎn)（圖 9）。

圖 8  管道10受華南地區(qū)接地極2干擾時(shí)通/斷電電位分布圖

圖 9  管道10受華南地區(qū)接地極2干擾時(shí)雜散流入流出示意圖

管道10受華南地區(qū)接地極1和接地極2干擾時(shí)，在雜散電流流入管段，斷電電位均負(fù)于﹣1.20 V；在雜散電流流出管段，斷電電位均正于﹣0.85 V（圖 6、 8），管道受這兩個(gè)接地極干擾時(shí)存在腐蝕和過保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。

可以看出，接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的雜散電流流入流出的管段越短，接地極2與管道的垂直距離較接地極1短，干擾時(shí)靠近接地極1端的雜散電流流入管段長度較接地極2長。接地極與管道垂直距離越短，對遠(yuǎn)離接地極端的管道的干擾程度越大，干擾范圍越廣。接地極處于管道一端時(shí)，管道受干擾時(shí)分為兩個(gè)干擾管段，兩個(gè)干擾管段互為雜散電流流入流出點(diǎn)。接地極處于管道中間位置時(shí)，管道受干擾時(shí)分為三個(gè)干擾管段，中間干擾段與兩端干擾段互為雜散電流流入流出點(diǎn)。

5 結(jié)束語

（1）在管道上設(shè)置長時(shí)間連續(xù)電位監(jiān)測點(diǎn)，可以準(zhǔn)確監(jiān)測高壓直流輸電工程接地極對管道的干擾，通過電位分析，可以判斷出每條管道受到某個(gè)高壓直流輸電工程接地極的干擾影響程度和范圍。

（2）接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的雜散電流流入流出的管段越短，對遠(yuǎn)離接地極端的管道的干擾程度越大，干擾范圍越廣。

（3）基于2016年、 2017年接地極放電監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)不同接地極的干擾頻次和干擾時(shí)長差異性較大，部分接地極的干擾頻次和時(shí)長可以控制在較小水平，可能與運(yùn)行維護(hù)技術(shù)有較大關(guān)系。

（4）分區(qū)域比較，華南地區(qū)管道受接地極干擾程度比華東、華中和西北地區(qū)嚴(yán)重，其中1 704km管道斷電電位不滿足陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）隨著干擾時(shí)間的積累，高壓直流干擾問題的嚴(yán)峻性和危害性正在日益凸顯，開挖調(diào)查發(fā)現(xiàn)由干擾造成管道腐蝕的情況日益增多。在國內(nèi)天然氣需求旺盛，油氣管網(wǎng)加速建成、管網(wǎng)密度進(jìn)一步加大的趨勢下，管道受影響的范圍與嚴(yán)重程度將進(jìn)一步加劇，在管道方采取防護(hù)措施效果有限的現(xiàn)狀下，亟需源頭治理措施的出臺。

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[8]國家能源局. SY/T 0029-2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》.北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[9] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

作者：顧清林，男， 1965年生，本科，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，就職于中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司，管道處處長，主要從事管道完整性管理工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術(shù)交流大會三等獎(jiǎng)，經(jīng)作者同意，本刊轉(zhuǎn)載時(shí)有刪改。）