顧清林1 曹國飛1 吳志平2 常景龍2

1.中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司； 2.中石油管道有限責任公司

摘 要： 為了掌握高壓直流輸電工程接地極對天然氣管道雜散電流干擾影響及規律，在全國17個高壓直流輸電工程接地極附近12條管道上安裝電位遠程監測系統，長時間連續監測管道電位，分析接地極的干擾頻次和干擾時間及天然氣管道受干擾程度、影響范圍和規律。結果顯示，能夠準確判斷出接地極對管道的干擾。 2017年17個接地極干擾頻次為201次，干擾總時長為657.31小時，較2016年略有下降。 1 987 km天然氣管道受到接地極干擾，其中華南地區較華東、華中和西北地區的干擾程度大。接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的雜散電流流入流出的管段越短，對遠離接地極端的管道的干擾程度越大，干擾范圍越廣。

關鍵詞： 高壓直流輸電工程；接地極；電位遠程監測系統；雜散電流；天然氣管道

目前，埋地鋼質管道受高壓直流輸電工程接地極的影響問題越來越嚴重，對管道及其附屬設施會造成多種危害，其中腐蝕影響尤為明顯[1]。其他如天然氣閥室內絕緣卡套或者引壓管之間出現打火放電燒蝕現象[2,3]；部分管道直流干擾電壓超過人體安全電壓，存在人身安全風險[4]；在干擾嚴重區段的陰極保護系統無法正常運行，嚴重時會造成恒電位儀燒毀。在使用高強度鋼的埋地管道，由于高壓直流輸電工程干擾造成電位過負，存在管道本體發生氫脆或氫致開裂的風險[5,6]。

為了掌握目前全國各個地區的高壓直流輸電工程接地極對埋地鋼質管道的干擾頻次、時長和干擾程度，采用電位遠程監測系統，對全國17個接地極附近的天然氣管道受干擾情況進行了長時間連續監測。

1 監測設備和方法

采用極化探頭法[7]和電位遠程監測系統，通過通電電位的變化，判斷管道是否受到接地極干擾。極化探頭由與管道相同材質的極化試片和長效硫酸銅電極構成，試片面積6.5 cm2 [8]。電位遠程監測系統（圖 1）由電位監測終端、傳輸網絡和服務器構成。極化探頭通過電位監測終端與管道進行連接。電位監測終端自動通斷試片，采集試片的通/斷電電位，再通過無線網絡傳輸，將測試數據傳輸到遠程的服務器內。測試人員通過專業軟件讀取傳輸至服務器內的通/斷電電位。電位監測系統設置10分鐘采集1組通/斷電電位。

圖 1  電位遠程監測系統架構示意圖

2 接地極干擾識別

高壓直流輸電工程有兩個接地極，其中一個流入電流，另外一個流出電流。在接地極流入電流時，靠近接地極管道電位正向偏移，遠離接地極管道電位負向偏移；在接地極流出電流時，靠近接地極管道電位負向偏移，遠離接地極管道電位正向偏移。在接地極附近的天然氣管道上設置多個電位監測點，分別在離接地極最近位置和遠離接地極位置同時設置，對管道電位進行連續不間斷監測。通過同一條管道多個位置的通電電位同時發生正向或者負向偏移，判斷管道是否受到接地極的干擾。

以華東地區接地極4對管道8的干擾監測為例。在管道8設置了7處電位監測點。 4處（1―4）設置在靠近接地極的管段， 3處（5―7）設置在遠離接地極的管段（圖 2）。 19:19， 1―3處電位同時往負方向偏移， 4―7處電位同時往正方向偏移； 19:50， 7處同時恢復為正常的保護電位（圖 3）。可以判斷19:19～19:50管道8受到接地極4的干擾。

圖 2  管道8的電位監測點和接地極相對位置示意圖

圖 3  管道8的7處電位監測點同一時間點發生電位偏移

3 接地極干擾監測結果

3.1 干擾頻次和干擾時長

對全國17個接地極附近的12條天然氣管道長時間連續監測， 分別得到2016年和2017年的干擾頻次和干擾時長（表 1）。 2016年17個接地極造成干擾次數281次，干擾總時長674.07小時； 2017年干擾次數201次，干擾總時長657.31小時。對比兩年的監測結果可以看出， 2017年的干擾頻次和干擾總時長均有降低。華東地區接地極4和華南地區接地極4干擾頻次和干擾總時長均較小；華東接地極4和華南接地極1干擾頻次和干擾總時長均較大；華中接地極6、華東接地極5和接地極6干擾總時長超過高壓直流接地極設計文件要求的1%（3.65天）故障率。

3.2 干擾程度和干擾范圍

對17個接地極附近的12條管道通/斷電電位進行監測，結果（表 2）顯示，在接地極干擾下管道斷電電位的最正值和最負值均超過標準[9]要求的陰極保護電位的上下限。其中受干擾最大的管道（管道11）電位達到了304.40 V（圖 4），遠超過人體安全電壓。數據顯示，共有5條管道的通電電位絕對值高于4 V，管道上閥室內的絕緣卡套和引壓管存在打火放電燒蝕風險[2,3]。其中華南地區接地極1對其附近的3條管道（管道10、 11、 12）的干擾均能達到幾十伏，干擾最為嚴重。華南地區接地極2與管道10的垂直距離56 km，造成的最大干擾電位能達到﹣10.63 V。華中和華東地區接地極與管道垂直距離相同時，最大干擾電位偏移量只有幾百毫伏。華東地區接地極6對管道9的干擾電位最大值能達到﹣8.91 V。華中地區和西北地區干擾相對較小。共有1 987 km管道受到接地極干擾（接地極有入地電流時，管道電位有明顯的波動），其中1 707 km管道斷電電位超過標準要求電位的上下限。

圖 4  管道11受華南地區接地極4干擾時通電電位分布圖

4 接地極干擾規律分析

華南地區接地極1和接地極2與管道10的垂直距離分別為3.5 km和小于100 m，與管道10垂直點位置位于管道的10 km和72 km里程位置（圖 5）。

圖 5  華南地區2個接地極與管道相對位置

華南地區接地極1流出1 000 A電流時，管道受干擾時和未受干擾時的通電電位分布見圖 6，靠近接地極約31 km長的管段通電電位負向偏移，監測范圍內遠離接地極約239 km管道通電電位正向偏移，靠近接地極端管道電位偏移量大于遠離接地極的電位偏移量，靠近接地極端管道電位最負偏移至﹣50.58 V，遠離接地極端管道電位最正偏移至+6.43 V，表明靠近接地極端管道的干擾大于遠離接地極端。管道10在受華南地區接地極1干擾時，管道分為兩個雜散電流流入流出管段，管道一端電位負向偏移，雜散電流流入；管道另外一端電位正向偏移，雜散電流流出，管道兩端互為雜散電流的流入流出點（圖 7）。

圖 6  管道10受華南地區接地極1干擾時通/斷電電位分布圖

圖 7  管道10受華南地區接地極1干擾時雜散流入流出示意圖

華南地區接地極2流出1 100 A電流時，管道受干擾時和未受干擾時的通電電位分布見圖 8，靠近接地極約8 km長的管道通電電位負向偏移，監測范圍內遠離接地極約262 km管道通電電位正向偏移，靠近接地極端管道電位偏移量大于遠離接地極端的電位偏移量，靠近接地極端管道電位最負偏移至﹣31.00 V，遠離接地極端管道電位最正偏移至+10.34 V，表明靠近接地極端的管道干擾大于遠離接地極端。管道10在受華南地區接地極2干擾時，管道分為3個雜散電流流入流出管段，管道中間段電位負向偏移，雜散電流流入；管道另外兩端電位正向偏移，雜散電流流出，管道中間段和兩端互為雜散電流的流入流出點（圖 9）。

圖 8  管道10受華南地區接地極2干擾時通/斷電電位分布圖

圖 9  管道10受華南地區接地極2干擾時雜散流入流出示意圖

管道10受華南地區接地極1和接地極2干擾時，在雜散電流流入管段，斷電電位均負于﹣1.20 V；在雜散電流流出管段，斷電電位均正于﹣0.85 V（圖 6、 8），管道受這兩個接地極干擾時存在腐蝕和過保護的風險。

可以看出，接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的雜散電流流入流出的管段越短，接地極2與管道的垂直距離較接地極1短，干擾時靠近接地極1端的雜散電流流入管段長度較接地極2長。接地極與管道垂直距離越短，對遠離接地極端的管道的干擾程度越大，干擾范圍越廣。接地極處于管道一端時，管道受干擾時分為兩個干擾管段，兩個干擾管段互為雜散電流流入流出點。接地極處于管道中間位置時，管道受干擾時分為三個干擾管段，中間干擾段與兩端干擾段互為雜散電流流入流出點。

5 結束語

（1）在管道上設置長時間連續電位監測點，可以準確監測高壓直流輸電工程接地極對管道的干擾，通過電位分析，可以判斷出每條管道受到某個高壓直流輸電工程接地極的干擾影響程度和范圍。

（2）接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的雜散電流流入流出的管段越短，對遠離接地極端的管道的干擾程度越大，干擾范圍越廣。

（3）基于2016年、 2017年接地極放電監測數據分析，發現不同接地極的干擾頻次和干擾時長差異性較大，部分接地極的干擾頻次和時長可以控制在較小水平，可能與運行維護技術有較大關系。

（4）分區域比較，華南地區管道受接地極干擾程度比華東、華中和西北地區嚴重，其中1 704km管道斷電電位不滿足陰極保護標準要求。

（5）隨著干擾時間的積累，高壓直流干擾問題的嚴峻性和危害性正在日益凸顯，開挖調查發現由干擾造成管道腐蝕的情況日益增多。在國內天然氣需求旺盛，油氣管網加速建成、管網密度進一步加大的趨勢下，管道受影響的范圍與嚴重程度將進一步加劇，在管道方采取防護措施效果有限的現狀下，亟需源頭治理措施的出臺。

參考文獻：

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[7] 國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 21246-2017《埋地鋼質管道陰極保護技術參數測量方法》.北京：中國標準出版社，2018.

[8]國家能源局. SY/T 0029-2012《埋地鋼質檢查片應用技術規范》.北京：石油工業出版社，2012.

[9] 國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 21448-2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》.北京：中國標準出版社，2018.

作者：顧清林，男， 1965年生，本科，工學學士，高級工程師，就職于中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司，管道處處長，主要從事管道完整性管理工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術交流大會三等獎，經作者同意，本刊轉載時有刪改。）