埋地輸氣管道的直流雜散電流干擾分析與排流措施

湯 丁 何 鑫 許 捷 蔣華全 劉正雄

1.中國石油西南油氣田分公司儲氣庫管理處 2.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦工藝研究所

埋地鋼質管道的直流雜散電流干擾主要來自于其附近的高壓/特高壓直流輸電系統、直流電氣化鐵路系統、直流采礦設備、直流電焊機等工業電氣設備以及外部的陰極保護系統等。

地鐵作為城市便利的出行交通工具，采用直流供電系統提供動力，鋼軌作為電流的回流通路[1]。由于鋼軌自身具有一定的電阻，鋼軌和大地之間難以達到完全絕緣，部分電流會離開鋼軌進入大地，產生直流雜散電流[2,3]。泄漏到大地中的直流雜散電流會加速埋地管道腐蝕，而直流雜散電流的波動特征給陰極保護電位的測試及準確評價帶來很大困難，直接影響陰極保護系統的安全運行[4-8]。重慶相國寺儲氣庫輸氣管道“銅相線”（銅梁站—相國寺集注站），自建成投運以來一直受到直流雜散電流干擾影響，如何準確檢測雜散電流，選擇經濟高效的排流方式，確保輸氣管線的安全運營，急需全面深入的調查研究。

1 銅相線受干擾情況

銅相線全長84.2 km，設計壓力10 MPa，管線規格為?813×14.2 mm，材質為L485，陰極保護方式采用三層PE外防腐層＋強制電流陰極保護。全線設陰極保護站2座，分別位于39.0 km的八塘閥室和管線終點站場，站內設有HPS-2型恒電位儀為管道提供保護電流，額定輸出：30 V/5 A。由于投運后輸出電流及保護電位一直大幅度的波動，導致恒電位儀無法正常使用。同時，銅相線沿線通電電位波動為＋0.5 ～－3.2 V，其中電位波動上限近1/3是正電位。分析認為此波動主要是由于線路受到外界直流雜散電流引起，導致陰保系統無法正常使用，影響管道本質安全。

用Coetalk公司的UDL-2高精度數據記錄儀采用試片斷電法[9,10]測得，銅相線50#和58# 2個電位測試樁的斷電電位未達到GB50991-2014標準[11]的要求，管道其余的監測點試片斷電電位達到了標準的要求。

按照標準 GB/T 21447-2008[12]，根據測試的土壤電阻率對管道所處土壤環境的腐蝕性進行等級劃分。土壤電阻率測試結果顯示：銅相線土壤電阻率大多在20～50 Ω·m，土壤腐蝕性處于中等強度。

2 干擾源的確定

根據調查，對銅相線產生直流雜散電流干擾的干擾源（圖1）包括：1條并行敷設的輸氣管線——銅水線、2條交流的電氣化鐵路（蘭渝鐵路、襄渝鐵路）、1條直流牽引系統供電地鐵線路（地鐵6號線）、天府煤礦和土場工業園區內的電鍍廠等。其中地鐵6號線與銅相線（西山坪閥室至土場閥室段）距離約為5.0 km，供電電壓為1 500 V，牽引電流為2 080 A。最早班車次為 6：30，最晚班車為 22：30。

圖1 銅相線干擾源位置關系圖

圖2 銅相線長時間管道電位監測波動圖和管道電位波動頻率圖

2.1 干擾源工作時間和頻率

在斷開陰保系統的情況下，對銅相線全線管地電位進行72 h連續測試（圖2），根據測試的管地電位波動特征分析，干擾源具有明顯的周期特性，干擾時間段主要集中在每天的凌晨6：50到夜間23：30，夜間的23：30到次日的凌晨6：50管地電位處于穩定的自然電位狀態下。

采用高精度的數據采集器按照500 ms/次頻率對管道電位波動頻率進行采集（圖2），管道電位波動周期在30 s左右，最長也只有70 s，波動頻繁表示是典型的動態直流雜散電流干擾。

2.2 干擾流入流出區間檢測

為掌握“銅相線”雜散電流的流入流出的分布規律，根據動態直流雜散電流干擾流入流出位置對管道沿線管地電位波動影響所表現出的特征,在銅相線均勻布置10個點，測試點位置信息如表1所示。在關閉陰保的情況下，采用高精度同步數據采集器分兩次對銅相線進行連續24 h同步監測10個點的電位變化情況，并把同步監測的管地電位擬合到一個時間坐標系下，放大干擾期間的曲線（圖3）。

表1 銅相線測試點信息統計表

根據動態直流雜散電流干擾存在互為流入流出區間的特征，可通過同步監測擬合后的趨勢得知，八塘閥室、50#測試樁電位偏正時，11#測試樁、舊縣閥室、31#測試樁3個測試點的電位偏負，反之亦然。以上數據，說明八塘閥室、50#測試樁與11#測試樁、舊縣閥室、31#測試樁互為直流雜散電流的流入流出點。

同理，通過圖4說明土場閥室與68#測試樁、靜觀閥室、82#測試樁互為直流雜散電流流入流出點。

根據同步監測與擬合分析，可判斷銅相線主要干擾流入流出區間是31#測試樁到靜觀閥室。銅相線的流入流出分界點有2個，分別是31#測試樁和靜觀閥室。

圖3 11#至50#測試樁管段同步監測電位圖及局部放大圖

圖4 土場閥室至82#測試樁管段同步監測電位圖及局部放大圖

圖5 銅相線管道沿線測試樁電位波動幅度圖

2.3 干擾源位置分析

分別在陰保機開啟和關閉情況測試管道沿線電位，沿線電位波動幅度在土場閥室附近最大（圖5）。根據直流雜散電流干擾導致管道沿線電位波動幅度判斷，銅相線的干擾源位于管道的土場閥室附近。

因此根據干擾源工作時間、波動特征、分布區間3方面的分析結果，結合地鐵6號線與管線的相對位置、運行時間，可見管道電位的波動呈現出典型的地鐵干擾波動的規律，且干擾源工作時間與地鐵的運行時間基本吻合。由此判定軌道交通地鐵6號線是銅相線的主要干擾源，且干擾流入流出位置位于土場閥室附近。

3 排流措施對比實驗研究

國內常用的雜散直流干擾的排流保護方式有接地排流、直接排流、極性排流、強制排流4種，國外還有鋅帶屏蔽排流保護方式[13-16]。由于“銅相線”的干擾源是地鐵，采取直接排流的方式無法實施[13]，因此現場對其他3種排流方式進行了現場試驗。

3.1 接地排流試驗

在銅相線臨時安設13處交流排流接地網，將管道與接地體進行跨接，通過接地網進行排流，并對排流前后的管、地電位進行監測。根據監測的情況，采用接地排流方法，管道的負向電位波動抑制效果較好，正向電位波動抑制效果較差（表2），無法達到良好的排流效果。

3.2 極性排流試驗

根據檢測情況，在管道通電電位波動較大的TX73#電位測試樁處安裝極性排流器，對TX70（距離排流點 2.5 km）和 TX79（距離排流點 5.5 km）進行效果測試。結果表明，TX70#的通電電位的波動范圍由－0.2 ～－3.1 V 控制到－0.62 ～－2.1 V，TX79#的通電電位波動范圍由－0.3～－2.1 V控制到－0.45 ～－1.45 V，管道的通電電位波動得到了較好抑制，但是隨著距離的增加，抑制效果越來越不明顯（圖6）。另外,與接地排流方法相似，極性排流方法同樣存在正向的抑制效果有限的缺點。

表2 接地排流前后管道電位對比表

圖6 TX70#和TX79#測試樁干擾緩解前后管道通電電位展示圖

3.3 強制排流試驗

擬合結果表明，干擾最嚴重的地方位于土場閥室附近。因此在土場閥室處臨時安裝智能抗干擾恒電位儀SMART IMRT-1H（高頻開關恒電位儀）作為主排流點進行強制排流試驗，同時利用原八塘閥室陰保間恒電位儀的進行輔助排流，對TX37（距輔助排流點 5.0 km、主排流點 25.0 km）和 TX51（距主排流點10.0 km）進行效果測試。

測試結果表明（圖7），對于受到動態直流雜散電流干擾的管道，強制排流點的位置選擇應在干擾源主要的流入區。在合理選擇排流位置的情況下，強制排流方法響應速度更快，排流效果優于接地排流和極性排流，排流保護距離更長，對下游10 km內的管道電位正向抑制作用較為明顯。因此，“銅相線”最終選擇在土場閥室增加強制排流點進行強制排流。

4 實施排流效果分析

優化“銅相線”陰保站的設置，在土場閥室采用HPS-1E高頻開關恒電位儀進行強制排流，保留八塘閥室HPS-2恒電位儀進行輔助排流。在采取措施后，用Coetalk公司的UDL-2高精度數據記錄儀使用試片斷電法對“銅相線”進行全線檢測，“銅相線”斷電電位達標，通電電位基本處于－0.6 V以下，通電電位波動幅度得到很好抑制（圖8）。

5 結論

1）通過采用試片斷電法精確檢測埋地輸氣管道電位測試樁的斷電電位并測試所處土壤電阻率，有效獲得埋地輸氣管道受直流雜散電流干擾情況的資料。

2）采用高精度數據記錄儀同步檢測、擬合分析，確定干擾流入流出區間分布，根據干擾時間、頻率特征，結合管道周邊的現狀，可明確干擾源及直流雜散電流流入流出位置。

3）基于“銅相線”接地排流試驗、極性排流試驗、強制排流試驗等措施的對比研究，發現強制排流效果最佳，首選高頻開關電源恒電位儀在靠近干擾源的位置進行強制排流，得到了良好的排流效果。

圖7 TX37#和TX51#干擾緩解前后的管道通電電位展示圖

圖8 銅相線24#測試樁通斷電電位展示圖