长输管道地磁杂散电流干扰机理探讨.pdf

TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.20238经验交流Experience Exchange技术长输管道地磁杂散电流干扰机理探讨刘文会1石胜明2徐苏宁3王 路2张连军2毕武喜1陈洪源2陈振华1吴长访1姜有文2（1.国家管网集团科学技术研究总院，河北 廊坊 065000；2.国家管网集团北方管道公司，河北 廊坊 065000；3.长庆油田公司第一采气厂作业八区，宁夏 银川 750000）摘 要：直流杂散电流干扰引起管道阴极保护电位异常波动，导致管道阴极保护欠保护或者过保护，增大外腐蚀风险。通过对管道阴极保护电位长期监测数据波动规律分析、频谱分析以及干扰源调查分析，找出电位异常波动原因及干扰机理。生产实践发现，东北某长输管道k1k205段约200 km管道自投产以来管道阴极保护电位波动剧烈，监测期间管道阴极保护通电电位最正达9 VCSE，最负达-14 VCSE，远远超出正常的阴极保护电位水平。研究表明：该段管道直流杂散电流干扰具有长程（200 km）、低频直流特性（0.00010.001Hz）和全天候干扰的规律，分析该杂散电流干扰为地磁干扰；建议对k1k205段管道采用恒电流阴极保护，并加密埋设腐蚀试片或者腐蚀监测探针，长期监测腐蚀速率，评价地磁干扰的影响程度。关键词：长输管道阴极保护地磁干扰直流干扰频谱分析中图分类号：TE973 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.07.008.05 Discussion on Interference Mechanism of Geomagnetic Stray Current in Long Distance PipelineLIU Wen-hui1,SHI Sheng-ming2,XU Su-ning3,WANG Lu2,ZHANG Lian-jun2,BI Wu-xi2,CHEN Hong-yuan3,CHEN Zhen-hua2,WU Chang-fang1,JIANG You-wen3(1.PipeChina Institute of Science and Technology,Langfang 065000,Chian;2.PipeChina North Pipeline Company,Langfang 065000,China;3.Changqing Oilfield Company No.1 Gas Production Plant Operation Area 8,Yinchuan 750000,China)Abstract:DC stray current interference causes abnormal fluctuation of pipeline cathodic protection potential,resulting in under-protection or over-protection of pipeline cathodic protection,and increasing the risk of external corrosion.The reason of abnormal potential fluctuation and interference mechanism are found out by analyzing the fluctuation rule of long-term monitoring data of pipeline cathodic protection potential,spectrum analysis and interference source investigation.It was found in production practice that the cathodic protection potential of 200 km k1-K205 section of a long distance pipeline in Northeast China fluctuated sharply since it was put into operation.During the monitoring period,the cathodic protection energized potential of the pipeline was up to 9 VCSE and negative to-14 VCSE,far beyond the normal cathodic protection potential level.The results show that dc stray current interference of the pipeline has the characteristics of long range(200km),low frequency DC characteristics(0.00010.001Hz)and all-weather interference.The stray current interference is analyzed as geomagnetic interference.It is suggested 作者简介：刘文会(1986)，男，陕西榆林人，高级工程师，博士，主要研究方向为油气管道腐蚀与控制技术研究。全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月9经验交流Experience Exchange技术0 引言截至2020年底，中国油气管道总里程已达14.5104km1，高压输电线路长度超过3.5104km，高铁运营里程达到3.94104km，地铁（轻轨）长度达到8000km，由于地域的限制，油气管道与高压输电线路、铁路等存在大量的交叉或者并行，管道杂散电流干扰问题日益增多2,3。杂散电流干扰将引起管道阴极保护电位异常波动，导致管道阴极保护欠保护或者过保护，增大外腐蚀风险4-6。当干扰较大时，可能导致采用恒电位运行模式的恒电位仪无法正常运行；而对于牺牲阳极阴极保护系统，动态直流杂散电流干扰可能会使牺牲阳极发生极性逆转、降低牺牲阳极的电流效率，致使管道得不到有效的保护7。目前常见的交流干扰源有交流输电线路、电气化铁路等3，常见的直流干扰源有高压直流输电线路（HVDC）、地铁（轻轨）、矿山牵引车、潮汐干扰等8-11。由于干扰机理不同，不同干扰源导致的管道电位波动规律不同12-15。东北某长输管道干线全长728km，包括6座站场、29座阀室，沿线设置8座阴保站。生产实践发现，东北某长输管道k1k205段约200km管道，自投产以来管道阴极保护电位波动剧烈，监测期间管道阴极保护通电电位最正达9VCSE（相对于饱和硫酸铜参比电极），最负达-14VCSE，远远超过正常的阴极保护通电电位水平。电位的剧烈波动将导致管道阴极保护效果过保护或者欠保护，增大了管道腐蚀风险。本文通过对管道阴极保护电位长期监测数据波动规律分析以及直流干扰源调查分析，结合监测电位频谱分析，找出管道电位异常波动原因及干扰机理，提出治理建议，保障东北某长输管道管道安全高效运行。1 管道电位波动规律分析东北某长输管道沿线每隔35km设置1处智能测试桩17，可实时或定期对管道阴极保护通电电位、断电电位、交流干扰电压以及交直流电流密度等进行监测，电位采样频率最低为1s/个，并可通过远程监控平台对所有智能桩的采集参数进行设置。根据前期测量数据，中俄东线入境段管道阴极保护电位异常波动，图1和图2分别为东北某长输管道k1k205部分智能桩同步采集的管道阴极保护通电电位和交流干扰电压24h数据，采样频率为1s/个。从图1可以看出，监测期间k1k205范围内管道阴极保护通电电位无规律的异常波动，由正常的阴极保护通电电位-1.20VCSE，正向最大偏移至4VCSE，负向最大偏移至-8VCSE，且在时间轴上无明显规律。从图2可以看出管道交流干扰电压较低，整体干扰电压小于4V，根据GB/T 50698，管道交流干扰程度低。为了进一步找出电位波动规律，关闭管道全线恒电位仪，并在停机24h后，采用智能测试桩监测管道沿线自然电位波动情况。图3为东北某长输管道k1k205部分智能桩同步采集的管道自然电位24h数据。分析可知，管道自然电位随时间波动明显，由正常的自然电位-0.8VCSE正向最大偏移至0.6 VCSE，负向最大偏移至-2.3VCSE。图4为典型智能测试桩同步监测的管道自然电位数据，进一步分析可以看出，k156k165段管道测试桩监测的自然电位波动幅度比k1k156以及k165k205段较小，且k118与to adopt constant-current cathodic protection for k1-K205 pipelines,and embed corrosion test pieces or corrosion monitoring probes to monitor the corrosion rate for a long time and evaluate the influence degree of geomagnetic interference.Key words:long-distance pipeline;cathodic protection;geomagnetic interferencs;dc interference;spectrum analysisTOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.202310经验交流Experience Exchange技术k203测试桩监测的自然电位在通时刻呈“对称分布”。监测期间在k1k156段管道自然电位先负向偏移后正向偏移，在k165k205段管道自然电位先正向偏移后负向偏移。说明杂散电流在k156k165段管道之间，电流方向逆转。图1 管道阴极保护通电电位24h同步监测数据图2 管道交流干扰电压24h同步监测数据图3 管道自然电位24h同步监测数据图4 典型测试桩管道自然电位24h同步监测数据2 直流干扰源分析2.1 干扰源调查目前常见的直流干扰源有高压直流输电线路（HVDC）、地铁（轻轨）、地下矿山牵引车、潮汐干扰、其他管道阴极保护供电设施等。不同的干扰源引起的管道电位波动规律不同，如地铁或者轻轨等引起的管道电位波动具有明显的时间特征，干扰时间段主要集中在早上5:3023:30地铁或者轻轨运行期间，在23:30次日早上5:30地铁或者轻轨运行期间管道电位较为稳定，干扰将导致管道电位正向或者负向偏移13,15。高压直流输电线路引起的管道电位次数较少，但是引起的幅值较大，正向或者负向干扰可至十几伏特，干扰时间为接地极放电时间7,9。潮汐干扰阴极管道电位波动曲线与涨潮或者退潮时间吻合18,19。通过对管道电位波动规律分析可以初步判断出直流干扰源。通过对东北某长输管道k1k205智能桩采集的管道阴极保护通电电位和自然电位24h数据分析可知，管道电位波动剧烈，正常或者负向偏移，但是无明显的时间波动等规律。分析直流干扰源非高压直流输电线路（HVDC）、地铁（轻轨）、地下矿山牵引车、潮汐干扰。地电位梯度测量分析可以对管道附近电流的来源进行分析判断20。按照GB 50991-2014埋地钢质管道直流干扰防护技术标准附录A方法，对东北某长输管道k1k205范围内疑似直流干扰源进行现场调查以及地电位梯度测量分析得出，黑河输气站及4#阀室全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月11经验交流Experience Exchange技术阴极保护设施、黑河500kV换流站、西岗子煤矿、林富采石场、河流、黑河机场、铁路设施等均非东北某长输管道k1k205管道的直流干扰源。2.2 频谱分析频谱分析方法通过傅里叶变换可以对监测的管道电位的频率范围进行分析21,22。采用频谱分析软件对东北某长输管道管道电位波动明显的智能测试桩监测的管道通电电位24h监测数据进行频谱分析，采样率为2s/个。图5和图6分别为k39和k58测试桩管道电位24h监测数据的频率功率曲线图，图中纵轴为功率，横轴为频率。由图分析可知，k39和k58测试桩管道电位数据波动的频率范围主要集中在0.00010.001Hz之内，此频率区间符合地磁感应电流（GIC）频率特性23,24（0.10.0001Hz）。初步分析，引起东北某长输管道k1k205管道电位波动的干扰源为地磁电流干扰。图5 k39测试桩管道电位信号频谱分析图6 k58测试桩管道电位信号频谱分析3 干扰机理分析通过对东北某长输管道k1k205段管道电位波动规律分析以及频谱分析，可以得出该段管道直流杂散电流干扰具有长程（200km）、低频直流特性（0.00010.001Hz）和全天候规律，分析该杂散电流干扰为地磁电流干扰。图7为东北某长输管道k1k205段管道地磁干扰机理示意图。东北某长输管道k1k205段主要位于中俄边境的黑河市，地处北纬50，纬度高，地磁强度较强。入境段起点为黑龙江穿江段，黑龙江整体走向为由西向东，而地磁方向由北向南。根据电磁感应原理，河流流动、扰动将造成地磁切割，引起地电流流动。东北某长输管道k1k205段管道整体走向为从北向南，地电流从北向南无规律流动，在管道防腐层破损处流入或者流出管道，造成管地电位负向或正向波动。由于k156k165段管道走向变化，地磁干扰电流在k156k165段管道之间电流方向发生逆转，导致电位监测期间在k1k156段管道自然电位先负向偏移后正向偏移，在k165k205段管道自然电位先正向偏移后负向偏移。由于k118至电流反转段k156的间距与k203至电流反转段k165测试桩的间距几乎一致，导致k118测试桩与k203测试桩监测的管地电位波动呈“对称分布”。?A?k140k156?k165?图7 东北某长输管道地磁干扰机理示意图TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.202312经验交流Experience Exchange技术4 结论与建议通过对管道电位异常段长期监测的阴极保护电位波动规律分析以及直流干扰源现场调查分析，结合频谱分析等，可以找出管道电位异常波动的原因及干扰机理，提出治理建议，以保障管道安全高效运行。（1）通过对东北某长输管道k1k205段管道电位波动规律分析以及频谱分析，可以得出该段管道直流杂散电流干扰具有长程（200km）、低频直流特性（0.00010.001Hz）和全天候的干扰规律，分析该直流杂散电流干扰为地磁电流干扰；（2）东北某长输管道起点为黑龙江穿江段，黑龙江整体走向为由西向东，河流流动、扰动将造成地磁切割，引起地电流流动。东北某长输管道k1k205段管道整体走向为从北向南，地电流从北向南无规律流动，在管道防腐层破损处流入或者流出管道，造成管地电位负向或正向波动；（3）由于地磁干扰具有长期性和无规律性，目前关于其对管道腐蚀的危害程度尚不清楚，建议对该段管道采用恒电流阴极保护，并在k1k205干扰段埋设腐蚀试片或者腐蚀探针，长期监测腐蚀速率，评价地磁干扰的影响程度。参考文献1 王乐乐,李莉,张斌等.中国油气储运技术现状及发展趋势J.油气储运,2021,40(09):961-972.2 李刚川.埋地输气管道杂散电流干扰分析与防治措施J.全面腐蚀控制,2021,35(09):1-8.3 刘波,赵永刚,赵书华,王树立,陈磊.高铁运行电流对管道阴极保护干扰分析与防护措施J.腐蚀科学与防护技术,2018,30(01):96-98.4 Tang D Z.Study on CP criteria for mild steel in the presence of ACR.NACE-2014-3802.San Antonio,Texas,USA:NACE,2014.5 Andrea B.A Proposal of AC corrosion mechanism of carbon steel in cathodic protection conditionA.Corrosion/2013C.Houston,Texas:NACE,2013.6 吴广春,杜艳霞,路民旭等.埋地管道交流干扰缓解技术研究现状J.腐蚀科学与防护技术,2014,26:464-468.7 胡亚博,吴志平,吴世勤等.高压直流接地极对埋地管道腐蚀的影响和管控思考J.油气储运,2021,40(03):256-262.8 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