叶青

中国石化销售有限公司华中分公司

摘要：随着能源交通基础设施大规模建设，土壤电磁环境日益恶化，埋地金属管道交流干扰问题日益突出。介绍了目前国内外交流干扰缓解技术的发展状况，以安亳成品油管道为例分析了交流干扰缓解工程，展望了交流干扰治理发展方向。

关键词：交流干扰；缓解技术；安亳成品油管道

油气管道与电力线路、电气化铁路等线性工程常常共用一条走廊，因此对管道产生了交流干扰，甚至造成管道腐蚀穿孔（即交流腐蚀）[1-3]，严重威胁管道及其相关设备的安全。

针对交流干扰问题，目前国内外学者的相关研究仍难以确定统一的评价标准和合理有效的缓解方案[4-5]。

1 交流干扰危害及缓解防护目标

1.1 人身安全危害

稳态交流干扰危害，各国标准中人身安全电压的限值见表 1 [6] 。其中美国NACE标准考虑比较全面，而且一般情况下15 V的稳态安全电压容易缓解达到，因此推荐使用。特殊情况下，可设置防触碰装置或均压垫等措施进行重点防护。

暂态交流干扰情况下，由于出现概率低而且持续时间较短（一般小于0.1 s），主要考虑的是保护生命安全不引起心室颤动的安全限值。可参照我国电力行业标准DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》计算即可。

1.2 管道损伤

稳态的交流干扰可能导致管道发生交流腐蚀。目前，对于交流腐蚀的评价指标国际上尚未统一。GB/T 50698―2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》吸取了欧洲标准规定：当管道上的交流干扰电压不高于4 V时，可不采取交流干扰防护措施；高于4 V时，应采用交流电流密度进行评估。当交流电流密度在30 A/m2以下时，交流腐蚀风险较弱（表 2）。

暂态交流干扰下管道上会产生很高的交流电压，严重时会击穿管道涂层。Dabkowski[7]给出了各种不同涂层的安全耐受电压(表 3)。

2 交流干扰缓解技术的发展

2.1缓解设计技术发展

传统的经验公式设计主要针对单点排流，采用幅值处缓解方针，根据现场调研和检测结果，初步确定缓解方式和地床大小，再根据现场模拟缓解试验确定缓解点和缓解量。对于不具备现场试验的地段，可以根据经验公式（1）和（2）计算缓解量和缓解线长度。对于稳态交流干扰而言，缓解效果主要依赖于缓解地床的接地电阻[8]。由于缓解的本质基于平均管地电位差，所以一味地增加缓解线长度以期降低接地电阻从而达到更好的缓解效果是不现实的。有学者提出存在缓解线长度极值，当缓解线长度大于该值时，增加缓解线长度并不能再有效地降低管道交流干扰电压，该长度极值可根据公式（3）大致确定[9]。传统方法操作简单，适用于干扰程度和范围较小的情况，是一种单点设计法，无法对管道全线进行综合考虑，存在一定的局限性。

数值模拟（也称计算机仿真模拟）设计法是近年来兴起的管道交流干扰主流设计方法[10-11]。利用数值模拟软件对“公共走廊”内管道和高压输电线路进行整体建模，通过麦克斯韦方程计算区域内电学参量分布情况。数值模拟综合设计法适用范围广，可针对各种干扰状况设计不同的缓解方案，参考价值较高。但需要大量的干扰源、被干扰物、土壤及地理信息等基础数据，工作量大，且目前主要集中于处理稳态交流干扰，对于高速铁路等引起的暂态高频率交流干扰还未建立有效的计算模型和模块，有待进一步的系统研究。

在目前的技术水平下，为得到经济有效的缓解方案，应综合考虑传统经验设计和数值模拟综合设计两种方法。首先根据单点法确定所需的缓解线长度，再利用数值模拟软件对其进行修正和调整，从而达到事半功倍的效果。

2.2 缓解防护技术发展

为防止埋地管道受到交流干扰，最有效的办法就是尽可能的增大管道与干扰源的距离。GB/T 21447－2008《钢质管道外腐蚀控制规范》中给出在路径受限地区，220 kV、330 kV、500 kV高压输电等级时埋地管道与杆塔接地极的水平距离应分别不小于5.0 m、6.0 m和7.5 m；CAN/CSA-C22.3 NO.6-M91《管道与电力供应线之间协调性原则及作法》建议管道与杆塔接地体之间的距离应大于10 m；Dawalibi等[12]则认为埋地管道的安全距离应不小于300 m。这些间距设定的出发点主要是考虑故障情况下电弧放电对管道防腐层以及人触电的危害。而对于电磁感应干扰，GB/T 50698－2011中规定当管道与高压交流输电线路、交流电气化铁路的间隔距离大于1 000 m时，不需要进行干扰调查测试。

实际情况下很难使管道与干扰源保持足够的安全距离，可采用集中接地、梯度控制垫、绝缘接头和缓解线等方法实施缓解。其中，缓解线+固态直流去耦合器是目前最主要的交流干扰缓解措施。该方法通过沿埋地管道近距离铺设裸露的导体带或者地床，并通过固态直流去耦合器将缓解线策略性的与管道电连接，可有效的平均管道电位和地电位，降低管地电位差。目前，该方法在西气东输、兰郑长成品油、川气东送、安亳成品油、洛驻成品油等管道上得到了很好的应用。其中，陕京三线采用该方法后全线交流干扰缓解率为65%[13]；北京燃气次高压管线阜石路段实施排流后，平均缓解率达到72%，效果明显。

3 安亳成品油管道交流干扰缓解工程

3.1 交流干扰情况

安亳成品油管道淮南―蚌埠段分别与220 kV洛炉线、500 kV怀店线、500 kV怀孔线、220 kV洛燕线、220 kV田秦线、500 kV怀芜I/II线、高速铁路轨道和通讯信号发射塔存在并行或交叉穿越，“公共走廊”长度达27 km。

3.2现场调研测试

对淮南―蚌埠管线0～43 km里程管段开展了现场调研测试，内容包括：输电线路塔脚与管道距离、交流干扰电压、交流电流密度（根据GB/T 50698-2011中提供的公式和现场测得土壤电阻率计算得到）。结果显示公共走廊区内输电线路塔脚与管道距离满足7.5 m的安全距离，电弧烧蚀风险较小。其他测试结果如图 1所示，管道沿线交流干扰风险等级较高的区域可达31 km，最大干扰电压为22.1 V，位于28 km处，大部分受干扰区域交流电流密度大于100 A/m2，受到强交流杂散电流干扰，最大干扰位于23 km+897 m处，交流电流密度高达488.07 A/m2。

图 1  管道沿线交流干扰电压和交流电流密度分布

使用ER腐蚀探头对强交流干扰下管道腐蚀速率进行了实时监测，监测时间为2个月，将ER腐蚀探头取出后，发现探头存在较为严重的局部腐蚀现象（图 2）。采用DDC-II型点腐蚀探测仪对探头表面3个位置处的局部腐蚀速率进行检测，结果见表 4，远超ASTM标准中规定的10 μm/a限值。管道交流腐蚀风险较高，亟需对其进行缓解。此外，通过ER探头测试结果可知试片的平均腐蚀速率为360 μm/a，这相当于0.31 A/m2的直流电流的腐蚀量。而此处的交流电流密度为488.07 A/m2，表明约0.06%的交流电流密度产生了腐蚀。

图 2  探头表面腐蚀（清洗后）

3.3 缓解防护措施及效果

采用目前国际上主流的缓解线+固态直流去耦合器方式进行缓解。缓解目标采用GB/T 50698－2011要求，结合受干扰区域土壤电阻率分布情况，选用“管线沿线交流干扰电压低于4 V”作为缓解目标。

采用“现场试验+传统经验公式设计+数值模拟综合设计”方式对该管线交流干扰进行缓解设计，根据公式（1）和（2），以交流干扰电压最高的22.1 V作为首要缓解对象，初步计算得到需要60 m长镀锌扁钢，再利用数值模拟软件对管道全线进行建模，对初步计算得到的缓解方案进行校核比对，结合现场情况，最终确定采用“40 m镀锌扁钢+40 m镀锌角钢”的“水平接地极+垂直接地极”的方式进行缓解，缓解地床安装位置分别位于：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处，缓解地床通过Rustrol固态直流去耦合器连接至管道。

对缓解后管道沿线的交流干扰状况检测结果(图 3)可知，实施缓解后，管道沿线交流干扰电压均小于4 V，满足标准要求，缓解效果良好。

图 3  缓解后管道沿线交流干扰分布

4 交流干扰缓解技术未来发展方向

（1）杂散电流干扰实时监测的普及化和多元化。推动杂散电流干扰实时监测的普及化，有利于随时掌握管道干扰状态，了解辖区电流干扰的变化规律，指导防治工作。采用腐蚀速率监测、环境监测等多元化监测手段，能够更好地了解杂散电流对管道腐蚀及其他方面的影响。

（2）管道方与电网、铁路等干扰源方合作开展治理。目前所采取的措施只是暂时缓解，无法真正彻底解决杂散电流问题，排出的电流依旧存在于土壤中，治标不治本。理想的治理方式是使其“从哪来回哪去”，需要各方相互协调配合完成。

（3）数值模拟计算技术的普及化和软件的国产化。目前我国亟需提高相关技术能力和普及程度。相关软件的国产化是未来发展的主流方向。

参考文献：

[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] 杨光. 交流输电线路单相接地故障下油气管道交流干扰的缓解[J]. 腐蚀与防护, 2016, 37(2):165-170.

[5] 李自力, 孙云峰, 刘静, 等. 埋地油气管道交流干扰腐蚀及防护研究进展[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2011, 23(5): 376-380.

[6] 郭剑, 曹玉杰, 胡士信, 等. 交流输电线路对输油输气管道电磁影响的限值[J]. 电网技术, 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] 杨光. 交流输电线路单相接地故障下油气管道交流干扰的缓解[J]. 腐蚀与防护, 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] 张平, 程明，屠海波. 陕京三线交流干扰防护新技术应用与优化[J].腐蚀与防护, 2012,， 33(8):724-727.

作者：叶青，中国石化销售有限公司华中分公司管道油库处技术科科长。

《管道保护》2018年第2期（总第39期）