李昆

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部?jī)?chǔ)運(yùn)公司徐州輸油處

摘要：沿海長(zhǎng)輸管道因潮汐地磁干擾引起的地電場(chǎng)變化會(huì)影響其陰極保護(hù)系統(tǒng)。簡(jiǎn)述了潮汐地磁干擾產(chǎn)生原理及對(duì)沿海管道的作用機(jī)理及干擾特點(diǎn)，并通過(guò)相關(guān)案例對(duì)我國(guó)東部沿海長(zhǎng)輸管道因潮汐地磁干擾引起的管地電位波動(dòng)異常及波動(dòng)規(guī)律特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了受潮汐地磁干擾管道的緩解、監(jiān)測(cè)及日常管理維護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：潮汐感應(yīng)；地磁干擾；陰極保護(hù)；管地電位；長(zhǎng)輸管道

腐蝕是引起埋地管道破壞和失效的主要原因之一。目前我國(guó)沿海管道遭受潮汐地磁干擾引起地電場(chǎng)變化導(dǎo)致其陰極保護(hù)系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象越來(lái)越多，地磁感應(yīng)電流（GIC）對(duì)管道的干擾腐蝕影響與檢測(cè)應(yīng)得到行業(yè)重視，并采取針對(duì)性防護(hù)措施。

1  潮汐地磁干擾機(jī)理及特點(diǎn)

太陽(yáng)黑子的活動(dòng)引起太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)度的變化，使地球磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變形。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在閉合導(dǎo)體回路中，磁通量變化時(shí)，就會(huì)在該回路上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電勢(shì)，在埋地長(zhǎng)輸油氣管道及其涂層與大地所構(gòu)成的分布式閉合導(dǎo)體回路內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，即地磁感應(yīng)電流（GIC）[1]。

沿海埋地管道除了受到GIC影響之外，還受潮汐感應(yīng)作用影響。潮汐感應(yīng)是由于太陽(yáng)和月亮引力作用的結(jié)果，潮汐運(yùn)動(dòng)在海里產(chǎn)生的二次電場(chǎng)以及在沿海附近陸地地區(qū)產(chǎn)生電勢(shì)，當(dāng)海岸兩側(cè)電位升高之后，附近埋地油氣管道的電位也會(huì)隨之上升，如圖 1、圖 2所示。管道上感應(yīng)電流的大小與土壤電位梯度大小及水的流速、海水電導(dǎo)率有關(guān)[2]。

圖 1 潮汐地磁感應(yīng)作用于沿海管線

圖 2 潮汐感應(yīng)、電離層電流作用于沿海管道

潮汐地磁干擾的特點(diǎn)。潮汐24小時(shí)內(nèi)呈現(xiàn)“兩峰兩谷”特性，相鄰兩波峰或波谷間隔約12 h（波動(dòng)周期）。高潮時(shí)，地電位梯度是管道側(cè)大于海岸線側(cè)，管道電位正向偏移，低潮時(shí)則相反。地電位梯度隨著靠近高潮時(shí)間的不斷累積，也隨之增大，低潮時(shí)則相反。受干擾管道電位隨著時(shí)間緩慢變化（逐漸正向或負(fù)向偏移），且各管段波動(dòng)規(guī)律一致。沿海岸線或距海岸線較近敷設(shè)的管道均受潮汐能干擾可能性大，而且管道越長(zhǎng)，防腐層越好，所感應(yīng)的電壓（VP，g）就越大[3]。如圖 3所示。

圖 3 較差防腐層與良好防腐層管道典型的地磁感應(yīng)電位分布曲線

2  案例分析

日照—儀征原油管道（簡(jiǎn)稱日儀線）全長(zhǎng)390 km，近海岸線敷設(shè)，選用直徑914 mm螺旋縫和直縫埋弧焊鋼管，采用外加電流陰極保護(hù)和環(huán)氧粉末防腐涂層相結(jié)合的保護(hù)方式。

2020年，日儀線雜散電流專項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該管道整體受東部沿海潮汐產(chǎn)生的地電流干擾特征較明顯，連云港境內(nèi)靠近海岸線16#樁～80#樁管段干擾最為嚴(yán)重，管道電位波動(dòng)區(qū)間在+1000 mVCSE～ ﹣3500 m VCSE（圖 4）。

圖 4 日儀線16#樁～ 80#樁管段管地電位24 h監(jiān)測(cè)曲線

在日儀線16#樁、62#樁位置各設(shè)置1臺(tái)DL-1靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)管道管地電位進(jìn)行長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)，采集頻率為1次/30 s。發(fā)現(xiàn)2處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管地電位正偏移波峰、負(fù)偏移波谷時(shí)間節(jié)點(diǎn)與江蘇新洋港附近海域潮汐高潮、低潮時(shí)間節(jié)點(diǎn)吻合，規(guī)律一致，呈現(xiàn)24 h周期內(nèi)“兩峰—兩谷”特征，且相鄰2次管地電位正向（漲潮）或負(fù)向（低潮）偏移時(shí)間間隔均為12 h，兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)管道管地電位波動(dòng)情況一致，均為典型的潮汐地磁干擾特征（圖 5）。

（a） 16#樁

（b） 62#樁

圖 5 日儀線管地電位監(jiān)測(cè)曲線與對(duì)應(yīng)時(shí)間段附近海域潮汐曲線對(duì)比圖

后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，隨著日儀線往南逐漸遠(yuǎn)離東部海岸線深入內(nèi)陸，管道受到潮汐地磁干擾越來(lái)越弱，管地電位波動(dòng)區(qū)間逐漸收窄，進(jìn)入淮安境內(nèi)管地電位趨于平穩(wěn)。

3  干擾緩解目標(biāo)及措施

3.1  緩解目標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均未給出專門(mén)針對(duì)潮汐地電流干擾管道的保護(hù)準(zhǔn)則，行業(yè)內(nèi)普遍使用澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1―2015《金屬的陰極防護(hù). 管道和電纜》中的保護(hù)準(zhǔn)則：

（1）進(jìn)行管道地電流影響測(cè)試時(shí)，通常必須記錄 20 h的電位。如果采用數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測(cè)電位，其采樣頻率應(yīng)不低于1次/min。

（2）受地電流影響的管道電位正于保護(hù)準(zhǔn)則的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)測(cè)試時(shí)間的10％。確定電位的變化幅度時(shí)，應(yīng)對(duì)記錄期間電離層擾動(dòng)的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2  緩解措施

（1）在陰極保護(hù)極化電位不超限的情況下，盡可能調(diào)大管道恒電位儀的輸出，以抵消潮汐地磁干擾帶來(lái)的管地電位正向波動(dòng)影響。受干擾管段的陰極保護(hù)極化電位滿足AS 2832.1―2015要求，可以有效抑制潮汐地磁干擾對(duì)管道的影響，暫不會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生干擾腐蝕影響。

（2）在干擾嚴(yán)重、陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)管段，采取負(fù)接地極（一般采用鎂合金犧牲陽(yáng)極）+極性排流器組合方式進(jìn)行排流防護(hù)（圖 6）。

圖 6 排流防護(hù)裝置示意圖

（3）加強(qiáng)干擾管段管道極化電位精確測(cè)量及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。潮汐地磁干擾地電流對(duì)管道陰保效果測(cè)試評(píng)價(jià)的主要影響在于干擾精準(zhǔn)測(cè)量管線極化電位（Ep）的能力，土壤中的地電流活動(dòng)在參比電極和管道缺陷之間的土壤中產(chǎn)生一個(gè)附加的電壓降Vt。通過(guò)斷電法測(cè)試極化電位可以消除土壤電壓降（Ve），但無(wú)法消除地電流附加的電壓降Vt。圖 7所示為一種不需要斷開(kāi)測(cè)試片連接就可以減少IR降誤差的檢測(cè)裝置[3]。

圖 7 陰保測(cè)試中減少IR降誤差的檢測(cè)裝置示意圖

受測(cè)試人員經(jīng)驗(yàn)、測(cè)試設(shè)備精度、環(huán)境等因素影響，人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試陰保效果的精準(zhǔn)度不高，建議在潮汐地磁干擾嚴(yán)重或地磁感應(yīng)電壓峰值出現(xiàn)位置設(shè)置智能陰保監(jiān)測(cè)樁進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。重點(diǎn)關(guān)注地磁感應(yīng)電壓峰值出現(xiàn)在管道上的位置，如絕緣接頭處、管道方向改變處、在海岸處或其附近、在地質(zhì)條件劇烈轉(zhuǎn)變處或異常處及其附近，以及高電阻率土壤中[3]。

4  結(jié)語(yǔ)

沿海管道管地電位有“雙峰—雙谷”特性，并且與潮汐表變化趨勢(shì)一致，干擾特征顯著，應(yīng)采取措施緩解干擾影響。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)突飛猛進(jìn)，CDEGS、BEASY模擬軟件已在管道雜散電流干擾影響評(píng)估及排流防護(hù)設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用。通過(guò)深入研究海岸效應(yīng)，建立管道潮汐地磁干擾理論模型，為管線受潮汐地磁干擾影響的評(píng)估、緩解及日常管理維護(hù)提供科學(xué)理論依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于潮汐地磁干擾對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道影響方面的研究較少，應(yīng)對(duì)遭受潮汐地磁干擾管道的腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步做好沿海長(zhǎng)輸管線腐蝕防護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]李家龍，胡黎花，王培金. 地磁感應(yīng)電流對(duì)管道影響研究現(xiàn)狀[J].天津科技.2016，43(7)：5-8.

[2]熊樹(shù)海.潮汐感應(yīng)和地磁海岸效應(yīng)對(duì)沿海埋地管線腐蝕機(jī)理的研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)（北京），2017.

[3]NACE International,2005. CP3- Cathodic Protection Technologist. 3:61-3:62.

作者簡(jiǎn)介：李昆，1983年生，本科，政工師，2006年畢業(yè)于南通大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)擔(dān)任徐州輸油處管道保衛(wèi)科科長(zhǎng)。聯(lián)系方式：18552922110，likun_2008@126.com。