某天然氣長輸埋地管線長沙段雜散電流干擾檢測及排流實踐

李德明，鄭 策，劉宇翔，王 鉆，惠海軍，鄭智勇 ，李 志

(1. 國家石油天然氣管網集團有限公司西氣東輸分公司，湖南 長沙 410199；2. 武漢遠西防腐科技有限責任公司，湖北 武漢 430040)

0 前 言

隨著我國能源及交通基礎設施建設的快速發展，越來越多的長輸埋地鋼質管線與高壓輸電線路、地鐵及高速鐵路產生交叉或并行，這些大容量用電設施不可避免地會對埋地鋼質管線產生不同程度的交直流雜散電流干擾，特別是近年來長輸管線行業普遍采用的三層聚烯烴(3PE)防腐層外防腐體系，在提高防腐層絕緣性能及機械強度的同時，當其出現相對較小的缺陷時，由于大陰極小陽極的效應，也導致埋地管線雜散電流干擾危害影響程度加劇，對長輸埋地管線的防腐蝕安全及運行造成一定的威脅[1-3]，須采取措施予以防范。

某天然氣長輸壓力管線長沙區域段于2004 年建成投入使用。該段管線長度約80 km，管道埋設深度1.2 m，管線敷設土壤環境以紅壤和水稻土為主，該輸氣管線管徑 610 mm，壁厚 7.9 mm，為直縫鋼管，管道設計壓力 6.3 MPa，運行壓力5.0 MPa，管道采用3PE 防腐層與強制電流陰極保護聯合防護方式進行保護。該長輸管道位于長沙市近郊以東區域，與多條地鐵、電氣化鐵路以及高壓輸電線路臨近、交叉或伴行，特別是新建的軌道交通A線于2021年底開始試運行后，該區域段天然氣長輸管線受到雜散電流干擾影響，導致CS分輸站陰極保護電源恒電位儀電位波動明顯，無法采用恒電位模式正常操作保護運行，陰極保護系統的運行受到干擾，對管道的防腐蝕安全造成威脅。

1 管線雜散電流干擾測試分析

對長沙區域段軌道交通A號線兩側共約20 km管道沿線雜散電流干擾源分布進行了調查，見圖1，管線沿線雜散電流干擾源測試點位見表1。

表1 管線沿線雜散電流干擾源測試點位

其中地鐵軌道交通供電均采用750 V直流軌道供電，高速鐵路采用單項工頻25 kV交流供電模式。在新建地鐵軌道交通A線試運行期間，對與地鐵交叉點兩側各約10 km范圍的13處測試樁(圖1)采用YH - DL2數據記錄儀分2批進行了24 h同步測試，測試數據包括管道通斷電電位、自然電位及交流干擾電壓。測試主要依據AS2832.1[4]，按照24 h監測的陰極保護斷電電位滿足≤-0.85 V的測試結果占全部測試數據的比例計算斷電電位合格率，即：

其中，η為斷電電位合格率，%；Un為24 h監測數據中斷電電位≤-0.85 V(vs CES)測試值記錄數；UT為24 h監測數據斷電電位測試值記錄總數。

斷電電位合格率≥95%為低風險干擾程度。測試時陰極站運行參數為：恒電位模式運行，控制電位為-1 400 mV(vs CSE)， 輸出電流范圍約4～10 A。測試結果見表2及圖2、圖3。

表2 管道沿線雜散電流干擾數據

根據1號、12號測試樁的測試結果，軌道交通A線交叉兩側的長輸管道受到的雜散電流干擾呈現出交直流混合干擾的形式，北端的1～4號測試樁附近管道則受到交流電氣化鐵路的瞬間交流干擾及地鐵的直流雜散電流干擾(圖2)，其交流干擾電壓呈現出與高鐵運行時瞬間沖擊以及夜間平穩的波動規律；而與軌道交通A線交叉點相臨近的從5號樁起至南端的13號樁處的管道，主要受到臨近的交流高壓輸電線路穩態交流持續干擾以及地鐵直流雜散電流干擾(圖3)，各測試點管道陰極保護電位均呈現出不同程度的波動狀態，斷電電位波動幅度范圍為189～411 mV(見表2)，且波動周期與地鐵運行時間一致，具有明顯的平穩期(地鐵停運時間0：30～5：00)，為典型的軌道交通動態直流雜散電流干擾，這將導致附近管道陰極站恒電位儀難以控制電位而無法正常工作；同時，共有6處測試點的斷電電位波動最大值不滿足最小保護電位的要求，其中13號測試點的斷電電位合格率不滿足AS 2832.1標準要求的斷電電位合格率須≥95%的要求。另外，13處測試點中共有10處交流干擾電壓最大值>4 V，其中8處交流干擾電流密度值>30 A/m2，按照GB/T 50991“埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準”和GB/T 50698“埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準”的評價指標[5，6]，已投運陰極保護系統受到直流雜散電流干擾導致管道不滿足最小保護電位要求，且管道交流干擾程度屬于中等，因此，應及時采取交直流干擾的防護措施。

2 緩解技術方案的設計

針對本工作中雜散電流干擾特點，設計采用極性強制排流法+負電位接地排流法聯合保護方案，其中強制排流法依據GB/T 50991-2014推薦的方法，適當提供陰極保護系統的輸出以抑制線路上動態直流雜散電流的干擾，將軌道交通A線與長輸燃氣管道交叉點附近的CS陰極站恒電位儀由日常運行的控制通電電位從-1 400 mV調節至-1 780 mV，以恒電位法運行；根據GB/T 50698-2011，在與軌道交通A線交叉點兩側共約20 km的13處管道測試樁位置各設計安裝1套負電位接地排流保護裝置，接地體采用帶狀鋅陽極，主要用于對管道上的交流雜散電流進行排流。

同時，考慮到長輸管道陰極保護系統日常維護測試的需要，作為對比，在各排流點位置分別安裝1套極性排流器或固態去耦合器(額定隔離電壓為0.3 V/-3.0 V)，與鋅帶接地體共同組成排流裝置，用以評估測試3種不同排流方式的排流保護效果。

表3 排流接地體鋅帶(15.88 mm×22.22 mm)設計長度及接地電阻計算值

3 排流保護效果評價分析

安裝排流保護裝置后的雜散電流干擾排流保護效果見表4、表5及圖4～圖9。

表4 3種排流保護條件下對直流雜散電流干擾的緩解效果

表5 3種排流保護條件下對交流雜散電流干擾的緩解效果

圖10為3種排流保護方式的交流干擾緩解率分布曲線。分析比較3種排流保護方式的排流保護效果，3種排流保護方法對于交流干擾緩解的差距較明顯，其中鋅帶負電位接地和固態去耦合器的接地排流效果較好，緩解率一般達80%以上，這2種排流方法中均僅有1處測試點的交流干擾電壓最大值>4 V，其余測試點的交流干擾電壓均<4 V，全部測試點的交流電流密度均<30 A/m2，依據GB/T 21448，交流雜散電流干擾程度屬于“弱”；強制極性排流對于交流雜散電流干擾緩解效果較差，13處排流點中僅4處緩解率>50%，8處交流干擾電壓>4 V，5處測試點的交流電流密度>30 A/m2，交流干擾程度為“中等”(見表5及圖10)。

由于極性排流器通過二極管排放直流干擾電流而沒有交流通道，因此其對于交流雜散電流干擾的緩解作用有限，而固態去耦合器的交流通道始終開通，因此具有良好的緩解交流干擾的效果。負電位接地排流則由于其良好的直接接地而對于交流雜散電流排放具有優良的效果。

對于動態直流雜散電流干擾的抑制，3種排流保護方法中負電位接地排流的效果最好(表4)。圖11為3種排流保護方式下管道通電電位波動幅度分布曲線。對比各測試點的管道通電電位的波動幅度值，負電位接地排流明顯低于極性排流及固態去耦合器接地排流，后二者管道通電電位波動幅度基本相當。

表6為3種排流條件下1號樁斷電電位合格率數據。比較3種排流保護條件下對直流雜散電流干擾的緩解程度，發現除個別點外，各測試點管道斷電電位合格率均能滿足≥95%的要求(AS2832.1-2015)，三者之間由于斷電電位波動幅度控制的差異，而導致固態去耦合器接地排流相對于極性排流和負電位接地排流的斷電電位合格率略低，且處于交直流混合干擾較強的管段位置甚至出現斷電電位合格率<95%的情況。

表6 3種排流條件下1號樁斷電電位合格率數據

極性排流、負電位接地排流和固態去耦合器接地排流保護3種模式下，采用數據記錄儀及分流器測試了部分代表性的排流點的24 h直流排流量，結果見表7，測試結果表明各測試點直流電流瞬間流入和流出量范圍在-3 924～4 000 mA，穩定流出平均值范圍約154～2 007 mA，穩定流入平均值范圍約-39～-585 mA。測試點中3號、8號及11號測試樁主要為直流雜散電流流入，其余測試點多為直流雜散電流流出。在該區段管線上呈現出一定的直流動態雜散電流分布規律。對比11號樁分別采用3種排流方式條件下的直流排流量測試結果(圖12～14)，極性排流完全抑制了直流雜散電流的流入，而另2種排流方式則未能阻止直流電流從鋅帶接地體的流入。

表7 各排流點直流排流量測試結果

比較3種排流保護方式與強制排流的結合效果，針對本工作中交直流混合干擾的特點，極性排流對交流雜散電流干擾的抑制效果較差，對于動態直流雜散電流干擾的緩解效果尚可，混合交直流干擾時仍顯不足，管道電位波動幅度改善不明顯，恒電位儀采用恒電位方式操作運行仍不穩定；固態去耦合器對于交流雜散電流的排流效果較好，但對于動態直流雜散電流干擾的排流效果較差，管道電位波動幅度較大，與極性排流器的緩解效果大致相當。負電位接地對于交直流混合干擾的綜合抑制效果較好，一方面管道通過直接接地順暢地排出交流干擾電流，另一方面也可以同時排出直流雜散電流，配合陰極站的恒電位方式控制強制排流時，鋅接地體的開路電位為-1 100 mV，有助于管道的總體陰極保護電位保持在一個相對穩定平衡的狀況，從而使陰極保護站恒電位儀的輸出十分平穩。在此條件下，觀察陰極保護站恒電位儀的輸出參數如下：-1 783 mV(恒電位模式控制)，輸出電流范圍0.8～6.7 A，采用數據記錄儀24 h實測陰極站匯流點處最小斷電電位≤-1.2 V(vs CSE)，管道陰極保護電位符合GB/T 21448要求。負電位接地排流條件下，雖然部分測試點存在動態直流雜散電流的流入，但對動態直流雜散電流干擾的排流效果沒有較大的影響，且其優異的交流雜散電流干擾排流效果體現了在交直流混合干擾下的優良的綜合效應，雖然采用這種排流方式時由于鋅帶與管道直接連接會導致難以測試管道上陰極保護斷電電位，但通過采用埋地檢查片或數據記錄儀的方式可以較好地解決該問題。

4 結 論

(1)針對地鐵和高鐵及交流高壓輸電線路的混合交直流雜散電流干擾，利用陰極保護站設備采用強制排流結合鋅帶負電位接地排流聯合排流方式，可以有效抑制交流及直流雜散電流混合干擾，實施排流后管道的陰極保護電位及交流干擾程度均可達到國家標準規范要求，可以較好地保證陰極保護站恒電位儀穩定運行。

(2)單獨采用極性排流或固態去耦合器接地排流方式，無法同時兼顧對交流雜散電流和直流雜散電流的緩解效果。

(3)設計雜散電流干擾排流接地體的長度時應有足夠低的接地電阻，以確保排流保護效果。