鄒紹維 何顯榮

國家管網(wǎng)集團華南公司廣東輸油一部

 

摘要：探討了高壓電網(wǎng)對油氣管道的復雜干擾機制，并針對由此產(chǎn)生的電磁干擾、溫升等問題設(shè)計了一系列防護措施。研究采用實地測量和仿真模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)評估了油氣管道在高壓電網(wǎng)環(huán)境中的表征。通過在湛江500 kV輸變電工程周圍的油氣管道上安裝電磁屏蔽、涂覆耐高溫防腐涂層以及進行結(jié)構(gòu)強化，有效減少了電磁干擾和溫升，提高了管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。應(yīng)用效果表明，上述措施有效提升了管道的運行安全和環(huán)境適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：高壓電網(wǎng)；油氣管道防護；電磁干擾控制；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

 

油氣管道與高壓電網(wǎng)同為能源輸送的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，管道在運行過程中，可能會受到鄰近高壓電網(wǎng)運行引起的復雜電磁環(huán)境的影響。為深入研究電磁影響機理，有效保護油氣管道本體安全，本文以湛江新建500 kV輸變電工程交叉多處油氣管道為研究對象，通過前期調(diào)研測量、模擬評估和設(shè)計施工全流程，深入探討高壓電網(wǎng)對油氣管道運行的影響及如何實施有效防護。

1  前期調(diào)研

1.1  高壓輸電線路與油氣管道交叉情況

湛江新建500 kV輸變電工程路由同時交叉多條輸油、輸氣管道。新建高壓線路接地網(wǎng)設(shè)計時已充分避免接地網(wǎng)射線接近管道。其中，跨越成品油A段管道交叉點9處，跨越成品油B段管道交叉點2處，跨越成品油C段管道交叉點5處，跨越天然氣D段管道交叉點4處，跨越原油E段管道交叉點3處。

1.2  交流干擾測量

對油氣管道開展干擾電壓和交流腐蝕電流密度測量（表 1），結(jié)果表明，新建500 kV輸變電工程投運前，A、B、C、D、E段管道干擾電壓與交流腐蝕電流密度均小于限值，交流腐蝕風險受控，管道均處于有效陰極保護狀態(tài)。

表 1 管道投運前交流干擾測量

1.3  系統(tǒng)及土壤參數(shù)

500 kV線路正常工況長期運行單回最大電流通常為510 A，考慮較嚴酷的情況，取不平衡為1%，計算時取A相電流為1.01倍最大輸送電流，B相電流為最大輸送電流，C相電流為0.99倍最大輸送電流。表層土壤電阻率取交叉跨越點土壤電阻率2 m極距測試值的平均值（表 2）。

表 2 土壤模型參數(shù)

2  模擬評估

2.1  模型建立

根據(jù)前期收集到的數(shù)據(jù)及信息，利用仿真軟件的陰極保護專用模塊完成管道間干擾模型，包括管道模型、陰極保護系統(tǒng)模型及土壤結(jié)構(gòu)模型。利用數(shù)值模擬預(yù)測多物理場耦合下新建500 kV輸變電工程對油氣管道A、B、C、D、E段的雜散電流干擾水平（圖 1）。

圖 1 模擬評估技術(shù)路線

2.2  物理場模擬

（1）電場對管道的影響。電場引起的電磁感應(yīng)效應(yīng)對油氣管道的多方面影響在高壓電網(wǎng)運行期間顯著[1]。電場強度導致管道表面電荷的積聚，進而引發(fā)管道表面局部電勢的顯著升高。為全面理解這一現(xiàn)象，采用有限元分析（FEA）進行電場模擬，為管道的安全設(shè)計提供科學可靠的定量依據(jù)[2]。

通過對電場的數(shù)值模擬，評估不僅關(guān)注電勢的空間分布，還深入研究了電場引起的局部電勢升高的時間動態(tài)變化。這對于理解電場在不同運行階段對管道表面電勢的影響至關(guān)重要[3]。根據(jù)輸電線路及油氣管道參數(shù)建立仿真模型，模型包括輸電線路19條，管道5條。

（2）磁場對管道的影響。高壓電網(wǎng)運行引起的磁場對油氣管道可能導致多種效應(yīng)。磁場感應(yīng)效應(yīng)使得管道內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而引起局部加熱。通過詳細的數(shù)值模擬，深入研究磁場對管道感應(yīng)電流的影響，準確量化感應(yīng)電流對管道溫升的貢獻。此外，對磁場對管道金屬結(jié)構(gòu)的力學影響進行應(yīng)力分析，揭示磁場對管道材料強度的潛在影響，為管道設(shè)計提供可靠的理論基礎(chǔ)，確保其在電磁環(huán)境中的可靠性與穩(wěn)定性[4]。高壓電網(wǎng)不同工況對管道的干擾有以下幾種：①輸電線路正常運行時，電感性耦合起主導作用。②輸電線路發(fā)生短路故障時，管道同時承受暫態(tài)電感性耦合干擾與傳導性耦合干擾影響。③雷擊輸電線路桿塔時，雷電流由輸電線路桿塔注入大地，與短路故障工況類似，管道系統(tǒng)同時承受暫態(tài)電感性耦合干擾與傳導性耦合干擾影響。因此，雷電流、負載電流、短路電流與天然氣管道的具有耦合關(guān)系（圖 2）。

圖 2 輸電線路與管道電磁耦合關(guān)系示意圖

利用所建立的模型，模擬湛江500 kV輸變電工程投運前鄰近管道所受交流干擾水平，并與實測數(shù)據(jù)對比（表 3），校核計算方法的有效性。

表 3 模擬仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比表

（3）研究磁場引起的感應(yīng)電流后，為準確量化感應(yīng)電流對管道溫升的影響，將涉及對感應(yīng)電流能量損耗的定量計算，以及這些損耗如何影響管道的溫度分布。通過對溫升進行深入分析，能夠量化磁場引起的熱效應(yīng)對管道的潛在危害，為管道的熱防護策略提供科學可行的指導[5]。

模擬注入雷電流波形為 2.6/50 μs，幅值為 50 kA，管道與線路間距為100 m。雷擊點對應(yīng)相應(yīng)桿塔。模擬顯示越靠近桿塔雷擊點的桿塔入地電流越高。電流峰值到達時間也隨著距離的增加而推遲，而臨近雷擊點處的管道防腐層感應(yīng)電壓明顯高于遠處管道。

（4）此外，磁場對管道金屬結(jié)構(gòu)的力學影響和電流通過引起的管道振動分析也在模擬中分析，磁場感應(yīng)效應(yīng)可能引起管道金屬材料的局部變形和應(yīng)力集中，高壓電流通過管道時可能引起的振動是一個重要但常常被忽視的問題。通過深入的模擬分析，有助于評估多物理場耦合下的電磁環(huán)境對管道材料的其他潛在影響，并為管道防護設(shè)計提供依據(jù)。

針對以上物理場的仿真模擬分析結(jié)果，為減緩高壓電網(wǎng)對交叉管道的影響，對管道采取了相應(yīng)的防護設(shè)計。

3  管道防護設(shè)計與施工

3.1  防護材料與涂層設(shè)計

電磁屏蔽材料的選擇與設(shè)計。電磁屏蔽材料在管道設(shè)計中起著關(guān)鍵作用，能有效減小電磁場對管道的影響。通過數(shù)值模擬，選取ZR-1鋅帶作為電磁屏蔽材料，與管道并行敷設(shè)，埋深2 m。

耐高溫涂層的設(shè)計與優(yōu)化。管道在高壓電網(wǎng)運行中會面臨高溫環(huán)境，由于跨越段管道原防腐層為環(huán)氧粉末材料，耐熱性較差，因此需要設(shè)計具有良好耐高溫性能的防腐材料。本項目對鄰近影響段管道100 m范圍內(nèi)的防腐層進行開挖，采用粘彈體+聚丙烯冷纏帶置換，管道要求打磨至金屬色后涂刷環(huán)氧富鋅底漆，再采用粘彈體防腐帶纏繞，最后用聚丙烯冷纏帶包覆，以提高其在高溫條件下的保護效果。

3.2  管道電氣連接設(shè)計

接地設(shè)計。管道良好的接地是確保電氣安全的重要措施。該項目采用鋅帶沿管道兩側(cè)平行敷設(shè)方式，同組鋅帶選用同一批號或開路電位相近的鋅帶。本工程鋅帶組采用ZR-1型，選擇水平式埋設(shè)，其鋅帶埋設(shè)位置一般距管道外壁2 m，最小不宜小于0.5 m。

電氣連接材料選擇。在電氣連接方面，選擇合適的電氣連接材料對于確保管道的電氣連通性至關(guān)重要。排流器安裝在防爆箱內(nèi)，電纜通過銅接線端子用螺栓壓接，連接牢固，保證完全電氣連通。防爆接線盒由鍍鋅鋼管支撐，電纜（1×16 mm²）穿過鍍鋅鋼管進出防爆接線盒。排流器安裝后及雷雨后應(yīng)做定期檢測，以保證其安全可靠。

3.3  防護施工方案

排流施工要求。采用淺埋鋅帶地床+固態(tài)去耦合器進行排流。每處地床均沿管道兩側(cè)平行布置。地床埋深2 m，配合使用降阻劑進一步保證地床的接地良好。兩側(cè)地床通過電纜接入測試樁，再通過固態(tài)去耦合器與管道相接（圖 3）。

圖3 管道防護排流地床布置

電氣連接施工流程。因關(guān)系到管道的電氣性能，選擇合適的接地電極并按照設(shè)計要求進行安裝和布置十分重要。電氣連接接頭的制作需要專業(yè)技術(shù)，確保接頭的電氣連接性能優(yōu)良。采用有效的連接方法，如焊接或螺栓連接，保證接頭的穩(wěn)固性和導電性。

投運后測試。通過安裝電磁屏蔽、耐高溫防腐涂層以及進行結(jié)構(gòu)強化后，在湛江500 kV輸變電工程送電后對管道防護措施效果進行測試（圖 4）。結(jié)果表明，管道在排流后，交流干擾基本受到充分控制，8個測試點交流干擾峰值電壓均未超過標準規(guī)定的4 V。

圖 4 交流干擾峰值電壓測試結(jié)果

4  結(jié)語

通過對湛江新建500 kV高壓電網(wǎng)項目運行產(chǎn)生的電磁場、熱場等物理場的模擬評估，研究了高壓電網(wǎng)對油氣管道的干擾影響，制定了相應(yīng)的防護策略。應(yīng)用效果表明，通過設(shè)計安裝電磁屏蔽材料、涂覆耐高溫涂層、安裝接地系統(tǒng)，做好電氣連接材料的選擇和電氣連接接頭的制作，可有效提升管道在電磁環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性。在類似特高壓電網(wǎng)新建項目與油氣管道交叉工程越來越多的形勢下，開展電流、磁場、熱場等多物理場的耦合分析十分必要，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測量驗證，能夠?qū)τ蜌夤艿啦扇♂槍π苑雷o措施。后續(xù)還需進一步加強實地測試，以優(yōu)化既有防護措施，并不斷探索管道防護新技術(shù)，應(yīng)對電磁環(huán)境變化帶來的新挑戰(zhàn)。

 

參考文獻：

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[2]郭磊，李元杰，姜輝，等.交流電網(wǎng)對管道持續(xù)干擾分析建模邊界的確定方法[J].電瓷避雷器，2023(02)：62-70+77.

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作者簡介：鄒紹維，1984年生，本科，工程師，現(xiàn)任廣東輸油一部副經(jīng)理，從事管道保護10余年。聯(lián)系方式：18218040344，zousw@pipechina.com.cn。