周 毅，姜子濤，馬學(xué)民，林少軍

(1.廣東楠洋職業(yè)安全事務(wù)有限公司，廣東 汕頭 515041；2.北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 102200)

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸送容量大、造價(jià)低、損耗小、輸送距離不受限制等優(yōu)點(diǎn)，因此我國(guó)長(zhǎng)距離電力輸送常常采用這種方式。我國(guó)高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中多采用雙極大地方式，但在建設(shè)投運(yùn)初期、檢修以及出現(xiàn)故障排查時(shí)，常采用單極大地返回運(yùn)行方式(也稱(chēng)放電)[1-2]。單極大地返回運(yùn)行方式是利用一極導(dǎo)線(xiàn)和大地構(gòu)成直流回路[3]，在該運(yùn)行方式中，兩端換流站均需接地，大地相當(dāng)于直流輸電線(xiàn)路的一根導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)接地極入地的電流即為直流輸電工程的運(yùn)行電流，可高達(dá)數(shù)千安培[4]。大量的直流電流入地形成的大地電場(chǎng)，導(dǎo)致大地電位升高，鄰近的金屬結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)的作用下內(nèi)部電子定向移動(dòng)，引發(fā)金屬結(jié)構(gòu)的雜散電流腐蝕問(wèn)題，有文獻(xiàn)報(bào)道，高壓直流干擾下管道的腐蝕速率可達(dá)0.9 mm/a[5]。目前，我國(guó)各地已經(jīng)出現(xiàn)多例高壓直流干擾問(wèn)題，例如：向家壩至上?！?00 kV直流工程接地極放電時(shí)，導(dǎo)致川氣東送管道受到干擾，管地電位最負(fù)可達(dá)-2.9 VCSE，影響范圍達(dá)到40 km[6]；云廣特高壓直流工程魚(yú)龍嶺接地極放電時(shí)，導(dǎo)致廣東某天然氣管道上的干擾電壓高達(dá)175 VCSE[7]。

國(guó)外對(duì)于高壓直流干擾展開(kāi)了一些研究[8-9]，Paul認(rèn)為涂層較好的管道所受的干擾高于裸管道，而且金屬結(jié)構(gòu)物尺寸會(huì)影響干擾水平，管道直徑越大，所受干擾越大[10]；O’Brien等調(diào)研了新西蘭Benmore-Haywards高壓直流工程對(duì)附近管道腐蝕的影響后指出，即使土壤中的地電位梯度較小，仍可能對(duì)金屬管道產(chǎn)生比較明顯的腐蝕影響[11]；Verhiel現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了不列顛哥倫比亞至溫哥華島高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)附近管道的影響，結(jié)果顯示，直流接地極入地電流達(dá)到1 200 A時(shí)，管地電位偏移最高達(dá)到264 mV[12]。

目前國(guó)外高壓直流輸電工程電壓和功率較低，因此其可借鑒性不足。而國(guó)內(nèi)對(duì)于高壓直流干擾這種新型的干擾相關(guān)研究尚處于起步階段，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，也缺乏管道防護(hù)的實(shí)際工程案例。鑒于此，本文以我國(guó)某擬建接地極系統(tǒng)對(duì)附近埋地金屬管道產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題為例，利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測(cè)管道的干擾水平，分析腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行腐蝕防護(hù)方案設(shè)計(jì)，研究方法和結(jié)論可為其他類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1 土壤結(jié)構(gòu)影響分析

一般情況下，管道系統(tǒng)和高壓直流接地極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，參數(shù)相對(duì)比較均勻，容易模擬。長(zhǎng)輸管道穿越范圍大，沿線(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法完全模擬。因此，如何模擬管道沿線(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)變化，是建立合理模型的重點(diǎn)之一。

建立模型如圖1所示，管道距離高壓直流接地極8 400 m，沿線(xiàn)穿越局部土壤電阻率變化較大區(qū)域，其尺寸為9 500 m×500 m×100 m(數(shù)據(jù)來(lái)源為實(shí)際穿越的某河流)，其他位置土壤電阻率均一。為了獲得管道上缺陷的電流密度分布情況，在管道上繪制面積為1 cm2的缺陷(埋地管道雜散電流干擾評(píng)價(jià)常用尺寸，參考GB/T 50698《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》)。其他參數(shù)同第2節(jié)計(jì)算模型。

計(jì)算局部土壤電阻率變化區(qū)域不同情況下(如表1所示)，管道近地電位分布及缺陷電流密度分布，如圖2～3所示。由圖可見(jiàn)，局部土壤電阻的變化對(duì)管道近地電位影響不大；但是，對(duì)缺陷點(diǎn)電流密度影響較大，而且3種情況下中間區(qū)域缺陷電流密度存在一定的比例關(guān)系，例如，40 km位置3種情況下缺陷電流密度分別為-9.8 A/m2，-0.18 A/m2，-93 A/m2，35.2 km位置(局部土壤電阻率變化區(qū)域邊緣)3種情況下缺陷電流密度分別為-7.3 A/m2，-0.14 A/m2，-73 A/m2。電流密度比值約等于土壤電阻率倒數(shù)之比(1/100∶1/5000∶1/10)。由此可見(jiàn)，局部土壤電阻率決定了缺陷電流密度，根據(jù)獲得比例關(guān)系，可以得到真實(shí)電流與使用整體電阻率模型計(jì)算的電流密度換算關(guān)系如式(1)所示。本計(jì)算中管道埋設(shè)處的土壤電阻率(即ρ0)取31 Ω·m。

圖1 土壤結(jié)構(gòu)影響計(jì)算模型Fig.1 Model for calculating the effect of soil

編號(hào)名稱(chēng)電阻率/(Ω·m)范圍1均一100Ω100全部2局部5000Ω100其他部分50009500m×500m×100m3局部10Ω100其他部分109500m×500m×100m

(1)

式中：i為實(shí)際缺陷電流密度，A/m2；i0為模型計(jì)算缺陷電流密度，A/m2；ρ為實(shí)際測(cè)得局部土壤電阻率，Ω·m；ρ0為計(jì)算模型土壤電阻率，Ω·m。

圖2 管道近地電位隨局部土壤電阻率變化規(guī)律Fig.2 Pipe-to-soil potential along the pipeline in 3 kinds of local soil resistivity

圖3 缺陷點(diǎn)電流密度隨局部土壤電阻率變化規(guī)律Fig.3 Current density of defect along the pipeline in 3 kinds of local soil resistivity

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行模擬計(jì)算的時(shí)候，可采用大范圍的土壤模型計(jì)算管道對(duì)近地電位，然后利用局部測(cè)試的土壤電阻率結(jié)果配合式(1)計(jì)算局部土壤電阻率變化區(qū)域管道缺陷的電流密度，可以達(dá)到簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算精度的效果。

2 實(shí)際模型建立

管道與擬建直流接地極的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。管道全長(zhǎng)81.5 km，兩端各設(shè)有1座站場(chǎng)，站場(chǎng)內(nèi)有絕緣接頭將上下游管道絕緣分隔。輸送方向?yàn)橛葾站至B站，沿線(xiàn)設(shè)有2座手動(dòng)截?cái)嚅y室。擬建接地極極址距離管道最近位置約9 km，接地極極環(huán)采用水平緊湊型3個(gè)同心圓環(huán)布置，饋電棒為高硅鉻鐵，填充材料為焦炭，其他計(jì)算參數(shù)如表2所示，其中陰極放電表示電流從大地流進(jìn)直流接地極，陽(yáng)極放電表示電流從直流接地極流入大地。

圖4 管道與直流接地極的位置關(guān)系Fig.4 The map of the oil pipeline and the earth electrode

土壤電阻率情況是數(shù)值模擬計(jì)算中的一個(gè)重要影響因素，收集到大范圍內(nèi)分層土壤電阻率情況如表3所示。管道干擾電壓主要取決于大范圍內(nèi)土壤電阻率，但是管道缺陷處的電流密度主要取決于附近的土壤電阻率。因此對(duì)管道沿線(xiàn)土壤電阻率情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。利用專(zhuān)業(yè)的數(shù)值模擬軟件(CDEGS)開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算，獲得管道沿線(xiàn)干擾電位分布情況。在管道上繪制1 cm2的缺陷計(jì)算電流密度，并利用式(1)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際電流密度。

表2 計(jì)算參數(shù)一覽Table 2 The model parameters

表3 分層土壤電阻率Table 3 Soil resistivity

圖5 管道沿線(xiàn)土壤電阻率分布Fig.5 Soil resistivity along the pipeline

3 高壓直流干擾評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

高壓直流接地極放電時(shí)，對(duì)于埋地管道主要產(chǎn)生3個(gè)方面的影響：1)由于地電位的升高，導(dǎo)致管道與附近大地之間產(chǎn)生高的電壓差，對(duì)相關(guān)人員產(chǎn)生接觸電擊危害；2)在電流流出管道的位置，引發(fā)電腐蝕；3)在電流流入的位置產(chǎn)生氫脆和防腐層剝離風(fēng)險(xiǎn)。

本文涉及案例中的管道材質(zhì)為X60，其氫脆敏感性較低[13]。而對(duì)于3PE防腐層在短時(shí)間，大干擾下的剝離問(wèn)題目前還不清楚，因此本文對(duì)高壓直流干擾引起的管道電位負(fù)向偏移不做討論。對(duì)于人身安全影響，GB/T 3805—2008[14]中指出潮濕條件下人體的安全電壓值為35 V。對(duì)于腐蝕速率的評(píng)價(jià)，各個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有所不同[15-17]。本文采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589—1規(guī)定的0.01 mm/y作為腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。綜合以上分析，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：1)人身安全限值：管道對(duì)近地的電位在±35 V之內(nèi)；2)管體腐蝕限值：腐蝕速率不超過(guò)0.01 mm/y。

3.2 干擾評(píng)估及腐蝕計(jì)算

計(jì)算直流接地極以額定電流陰極放電和陽(yáng)極放電時(shí)(3 000 A)，管道對(duì)近地電位(P/S potential)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖可見(jiàn)，直流接地極陰極放電時(shí)，管道靠近接地極的位置電位最正，達(dá)到117 VCSE；相反，直流接地極陽(yáng)極放電時(shí)，管道靠近接地極的位置電位最負(fù)，達(dá)到-117 VCSE；不論直流接地極陰極放電還是陽(yáng)極放電，管道上部分位置的電位超過(guò)± 35 V，因此不滿(mǎn)足人身安全限值。

圖6 直流接地極放電時(shí)管道沿線(xiàn)電位分布Fig.6 P/S potential along the pipeline in monopolar mode

當(dāng)直流電流導(dǎo)致的反應(yīng)只有金屬原子轉(zhuǎn)化為金屬離子，而且外加電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬本身的交換電流密度時(shí)，外加直流電流與金屬腐蝕量之間滿(mǎn)足法拉第定律，如式(2)所示。

(2)

式中：ΔW為腐蝕失重，g；A為金屬的摩爾質(zhì)量，g；n為反應(yīng)化學(xué)價(jià)；i為缺陷電流密度，A/m2；t為時(shí)間，s；S為缺陷面積，m2。

高壓直流接地極每年放電率約1%(即90 h)，放電極性比較隨機(jī)，可認(rèn)為陰陽(yáng)極各占50%。在這種情況下計(jì)算管道沿線(xiàn)腐蝕速率如圖7所示。由圖可見(jiàn)，管道沿線(xiàn)最大腐蝕速率達(dá)到2.21 mm/y，遠(yuǎn)大于腐蝕限值0.01 mm/y，因此不滿(mǎn)足管體腐蝕限值。綜上所述，該直流接地極放電條件下，管道的干擾既不滿(mǎn)足人身安全限值，也不滿(mǎn)足腐蝕限值。

圖7 直流接地極放電時(shí)管道沿線(xiàn)腐蝕速率分布Fig.7 Corrosion rate along the pipeline in monopolar mode

4 腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)前文的問(wèn)題，提出3種腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)方案，分別為：

1)方案一、電網(wǎng)方采取分體式直流接地極加入地電流限制，管道方采取水平鋅帶防護(hù)；

2)方案二、分段絕緣加水平鋅帶；

3)方案三：直流接地極更換選址。

限于篇幅不對(duì)每個(gè)方案的具體方法和過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述，將3個(gè)方案的簡(jiǎn)要思路以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，如表4所示。

由表4可見(jiàn)，其中，方案一需要在管道上分散敷設(shè)40 km鋅帶；高壓直流接地極改為分體式；對(duì)直流接地極年放電量進(jìn)行限制，限制條件為每年陽(yáng)極放電量不超過(guò)2.94 kA·h，陰極放電量不超過(guò)8.36 kA·h。方案二需要在管道上分散敷設(shè)40 km鋅帶，并設(shè)置7處絕緣接頭；對(duì)直流接地極年放電量進(jìn)行限制，限制條件為每年陽(yáng)極放電不超過(guò)1.52 kA·h，陰極放電不超過(guò)4.34 kA·h。而方案三為更換直流接地極極址。

經(jīng)過(guò)比較分析可知，方案三中，管道方不需要加裝額外的防護(hù)措施，電網(wǎng)方也不需要對(duì)放電量進(jìn)行控制；而方案一和方案二中，原極址下管道所受干擾較大，一旦建成后期腐蝕防護(hù)費(fèi)用較高，而且需要對(duì)入地電流量進(jìn)行控制；因此，方案三相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié)論

1)局部土壤電阻率的改變對(duì)管道干擾電壓影響較小，對(duì)管道干擾電流密度影響較大?；诖?，本文提出采用整體土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)建模型，并利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)計(jì)算電流密度進(jìn)行換算的方法進(jìn)行建模計(jì)算。這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算模型中的局部土壤模型，提高計(jì)算效率。

表4 3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 4 The advantages and disadvantages of the 3 schemes

2)通過(guò)對(duì)高壓直流干擾風(fēng)險(xiǎn)的分析，確定了管道對(duì)近地電位以及管體腐蝕速率的限制條件，即：管道對(duì)近地的電位在±35 V之內(nèi)；腐蝕速率不超過(guò)0.01 mm/y。并利用數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算案例中管道對(duì)近地電位和管體腐蝕速率，結(jié)果顯示，雖然直流接地極距離管道約9 km，但是管道仍然受到比較嚴(yán)重的干擾，需要采取腐蝕防護(hù)措施。

3)為了降低管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，分別提出了3套防護(hù)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，得出方案三(直流接地極更換選址)相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)合理。