王愛玲

國家管網集團西南管道公司

 

摘要：對西南山區油氣并行管道干擾因素及規律進行了探究計算，采用BEASY軟件模擬研究多種因素對管道腐蝕的影響規律，并采用現場跨接實驗得出緩解并行管道干擾的規律。結果表明：并行管道的干擾隨管道間距的增大呈逐漸減小的趨勢；當破損率較大時受干擾管道電位負向偏移更多；并行管道間的干擾程度隨土壤電阻率的增大而增大，且電位偏移程度呈邊界遞減趨勢。

關鍵詞：并行管道；數值模擬；干擾程度；跨接實驗

 

針對西南山區油氣并行管道干擾程度影響和規律進行了探究和計算，采用仿真軟件研究管道間距、土壤電阻率、涂層破損率、陰極保護水平等因素對干擾的影響情況，并改變參數研究其影響規律，模擬獲得管道沿線電位分布，為探究西南山區并行管道陰極保護干擾系統間的影響程度提供參考，對于管道安全運行與維護具有重要意義。

1  實驗

西南山區多條管道存在并行情況，典型并行段（A-B段）陰極保護共涉及5座站場及14座閥室。其中某原油干線管道（A-C）全長619.52 km，管徑813 mm；某天然氣干線管道（A-C）全長618.81 km，管徑1016 mm；某成品油管道全長390.62 km，管徑406.4 mm；某原油管道支線（C-B）全長45.48 km，管徑610 mm；某天然氣管道支線（C-B）全長44.36 km，管徑813 mm。防腐蝕層均為3PE。

依據現場實際陰極保護系統輸出除以該管段的表面積得到各條管道的電流需求量，作為邊界條件中采用的電流密度。采用以上模型和邊界條件進行模擬計算，并保持陽極輸出與現場恒電位儀輸出一致。在現有陰保系統輸出下模擬計算得到陰極保護電位，并將計算結果與實測數據對比，結果表明平均誤差僅為10%。

管道間距、土壤電阻率、涂層破損率等因素對管道陰極保護的干擾具有重要影響，因此將采用上述數值模擬方法研究各因素對陰極保護的影響規律。原油管道和天然氣管道并行鋪設，管徑、埋深、土壤電阻率等參數（表 1）采用現場參數，實際測試干擾距離不足3 km。

表 1 模型基本參數

在進行以下模擬計算時，天然氣管道位置不動，電流需求量均為100μA/m²，輸出電流均為3.2 A。將管道間距分別設為200 m、50 m、10 m、2 m，模擬計算管道間距對干擾程度的影響。將原油管道陰極保護的輸出電流分別設為5.2 A、2.6 A、1.3 A，模擬計算原油管道陰極保護的輸出電流對干擾程度的影響。將涂層破損率分別設為0.01%、0.1%、1%，模擬計算原油管道涂層破損率對干擾程度的影響。將土壤電阻率分別設為1 Ω·m、10 Ω·m、30 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m，模擬計算土壤電阻率對干擾程度的影響。

研究還針對西南山區某油氣并行管道干擾情況進行電跨接實驗現場測試，跨接點和沿線電位監測點（圖 1）以某油氣管道K606到K22段為研究對象，在LF輸油氣站以及1#成品油閥室進行跨接實驗，對跨接后的并行管道測試評價方法適用性進行分析。

圖 1 跨接實驗測試點平面分布示意

2  結果與討論

2.1  并行管道間距對干擾程度的影響規律

探究不同管道間距條件下的并行管道干擾情況，電位偏移隨管道間距的變化呈現邊際效應遞減趨勢（圖 2），表現為電位偏移隨著管道間距的增大而逐漸減小，最后趨于平緩。這主要是隨著兩管道間距的增加，兩條管道之間相互干擾的強度減小。一個極端的例子：如果兩管道相距無窮遠，那么它們之間就不會有干擾，因而干擾強度也隨著兩管道距離的增加而降低[1-2]。

圖 2 不同管道間距下保護電位隨距離的變化曲線

2.2  涂層破損率對干擾程度的影響規律

分別模擬計算了無干擾管道、涂層破損率為0.01%、涂層破損率為0.1%以及涂層破損率為1%時天然氣管道的電位，當受干擾管道涂層破損率為0.01%和0.1%時，相對于無干擾管道時其電位負向偏移程度不太明顯，而當涂層破損率為1%時，受干擾管道的電位比無干擾管道電位負向偏移更多（圖 3）。此外，當防腐層破損率越大時，裸露的金屬面積越大，即防腐層面電阻率越低，則防腐層單位破損面積流入或流出的電流越少，管道受干擾程度越輕。

圖 3 不同破損率下保護電位隨距離的變化曲線

2.3  土壤電阻率對干擾程度的影響規律

分別計算了土壤電阻率為1 Ω·m、10 Ω·m、30 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m時無干擾與有干擾情況下的管道電位分布情況，電位偏移隨著土壤電阻率的增大而增大，且呈現邊際效應遞減的趨勢（圖 4）。說明并行管道間的干擾程度隨著土壤電阻率的增大而增大。這主要是因為較高的土壤電阻率意味著較大的土壤電阻，輔助陽極釋放的電流更多地將從管道的中心區域流入管道而無法從較遠的區域流入管道，因而導致并行管道間的干擾程度增加[3]。

圖 4 不同土壤電阻率在有無干擾情況下保護電位分布

2.4  并行管道跨接實驗現場測試結果

C站場內無合適通電點測試樁進行跨接實驗，本次實驗于陰保間進行測試，將天然氣干線與原油干線陰極保護系統恒電位儀的陰極進行跨接。分別采用天然氣干線陰極保護系統保護原油和天然氣管道，原油干線陰極保護系統保護原油和天然氣管道，以及關閉其中一套陰極保護系統各自獨立保護自身陰保系統的實驗，輸出電流均為跨接前原有電流量的總和0.22 A，得出不同工況下沿線測試樁電位結果（圖 5）。

圖 5 C站跨接前后沿線測試樁電位

跨接前后測試樁通斷電電位無明顯變化，其原因是天然氣干線和成品油干線沿線無絕緣接頭，管道沿線存在多套干線陰極保護系統，并且新建管線防腐層質量較好，上下游的陰極保護系統可以保護的距離足夠覆蓋當前測試管段。當C站陰極保護系統進行調整時（跨接間隙，開閉陰極保護系統），沿線測試樁通斷電電位均有明顯的負向偏移，說明上下游陰極保護系統也會對測試段產生較大的影響。對比跨接前各陰極保護系統獨立輸出、跨接后天然氣干線陰極保護系統輸出以及跨接后原油干線陰極保護系統輸出結果可知，天然氣陰極保護系統輸出時通電電位波動幅度大于各陰極保護系統獨立輸出時通電電位波動幅度，大于原油干線陰極保護系統輸出時通電電位波動幅度。表明C站干線陰極保護之間相互干擾主要是由于天然氣陰極保護系統造成。

關閉F支線和G支線原有陰極保護系統，將天然氣F支線、B原油支線和成品油干線管線跨接保護，由成品油1#閥室恒電位儀的陰極進行恒電位輸出，設置通電點電位分別為1300 mV、1500 mV和1700 mV，得出不同工況下的電位結果（圖 6）。

圖 6 天然氣K15測試樁跨接前后沿線測試樁電位

可以看出，跨接前后測試樁通斷電電位變化顯著。相比C站干線陰極保護系統上下游多套陰極保護系統相互影響，B原油支線和F天然氣支線陰極保護系統較為單一，跨接試驗前后已將其關閉，因此跨接后B原油支線、F天然氣支線和成品油干線電位變化顯著。當1#成品油閥室恒電位輸出1300 mV時，K016測試樁處B原油支線、F天然氣支線和成品油干線電位均能滿足標準要求，其有效保護范圍約3 km，并且管道沿線K019和K022測試樁處仍然有一定保護效果，但其管道斷電電位已經不滿足標準﹣850 mV準則。繼續增大1#成品油閥室輸出至1500 mV和1700 mV，靠近跨接點的B原油支線、F天然氣支線和成品油干線K015和K016測試樁處陰極保護效果有部分提升，但遠離跨接點的K019和K022測試樁保護效果無明顯提升。其結果說明跨接能有效提升原本陰極保護水平較差的F天然氣支線的陰極保護效果，但是單靠單點的跨接作用的范圍較為有限，無法使管道沿線電位均達到標準要求。

3  結論

（1）并行管道陰保系統之間的干擾存在一定的規律，其中，保護電位在管道中心位置變負，在遠端變正；并且隨著管道間距的增大，干擾逐漸減小；干擾引起的電位偏移與管道間距呈非線性的減小趨勢；一個極端的例子：如果兩管道相距無窮遠，那么它們之間就不會有干擾。因而干擾強度也隨著兩管道距離的增加而降低。

（2）并行管道陰保系統之間的干擾程度與涂層破損率大小相關，當涂層破損率越小時，受干擾管道的保護電位相對于無干擾管道負向偏移不顯著，而當涂層破損率較大時，受干擾管道的電位負向偏移更明顯。

（3）土壤電阻率會對并行管道陰保系統之間的干擾產生不同程度的影響，隨著土壤電阻率的增大干擾逐漸增大，且電位偏移的幅度呈邊界效應遞減趨勢。土壤電阻率較高意味著輔助陽極釋放的電流更多的從管道中心處流入管道而無法從較遠處流入管道，從而增強了并行管道之間的干擾。

（4）天然氣干線和成品油干線沿線無絕緣接頭，管道沿線存在多套干線陰極保護系統，并且新建管線防腐層質量較好，上下游的陰極保護系統可以保護的距離足夠覆蓋測試管段，跨接前后測試樁通斷電電位無明顯變化，不建議在干線進行多處跨接來緩解目前可接受的干擾問題。

（5）天然氣陰極保護系統輸出時通電電位波動幅度大于各陰極保護系統獨立輸出時通電電位波動幅度，大于原油干線陰極保護系統輸出時通電電位波動幅度，表明C站干線陰極保護之間相互干擾主要是由于天然氣陰極保護系統引起的。

（6）靠近跨接點的B原油支線、F天然氣支線和成品油干線測試樁處陰極保護效果有部分提升，但遠離跨接點的測試樁保護效果提升不明顯，保護范圍約3 km，說明跨接能有效提升原陰極保護水平較差的F天然氣支線的陰極保護效果，但是僅通過單點跨接作用的范圍較為有限，無法使管道沿線電位均達到標準要求，建議首先考慮優化天然氣F支線陰極保護輸出。

 

參考文獻：

[1]高祥，曾富菁，黨玉儒，等.并行管道陰極保護干擾分析[J].科技資訊，2012，10(34)：68.

[2]李丹丹，畢武喜，祁惠爽，等.交叉并行管道陰極保護干擾數值模擬[J].油氣儲運，2014，33(3)：287-291.

[3]李薦樂.三維地形下并行管道陰保干擾規律數值模擬研究[J].裝備環境工程，2020，17(6)：58-65.

 

（原文發表于《腐蝕與防護》2024年2月刊，轉載時作者對部分內容進行了補充和刪節。）

作者簡介：王愛玲，1988年生，碩士，高級工程師，從事管道腐蝕防護、完整性管理相關工作。聯系方式：17713614023，411692359@qq.com。