田念佩,梁守才,袁 洵,梁 毅,杜艷霞

(1.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院,北京 100083;2.遼河油田油氣集輸公司,盤錦 124010)

近年來,隨著我國(guó)海洋平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用,海底電纜也大規(guī)模進(jìn)行敷設(shè)。由于地理位置限制,在實(shí)際設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中,不可避免會(huì)出現(xiàn)海底電纜與海底管道長(zhǎng)距離并行或多次交叉的情況,形成長(zhǎng)距離的共用走廊帶,管道會(huì)受到來自電力系統(tǒng)的交流干擾[1-3]。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生了多起管道受到高壓交流電纜電磁干擾的案例。楊曉洪等[3]在西氣東輸管道晉豫段、安徽定遠(yuǎn)段和陜京Ⅱ線石家莊段上測(cè)得最大管道交流電壓高達(dá)46 V,最大交流泄漏電流密度為22.2 mA/cm2,發(fā)現(xiàn)交流干擾源主要是110 kV和220 kV交流高壓輸電線路。WOLFGANG等[4]對(duì)美國(guó)現(xiàn)有輸氣管道超過10 300 km進(jìn)行交流干擾風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),有7個(gè)位置顯示出嚴(yán)重的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),其中最高交流電流密度為197 A/m2。莫冰玉等[5]研究了海西-塔拉線路烏蘭段公共走廊管道在 750 kV線路三相7%不平衡運(yùn)行下的交流干擾情況,測(cè)得管地電位可達(dá) 140.7 V,正常運(yùn)行時(shí)交流電流密度達(dá)到265.1 A/m2。交流干擾會(huì)加速管道的腐蝕,大大縮減管道的使用壽命[7|8],同時(shí)還會(huì)對(duì)工作人員造成電擊傷害,威脅人身安全。因此,開展高壓交流電纜對(duì)管道交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并進(jìn)行影響因素及干擾規(guī)律研究極為重要。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用電磁干擾模擬軟件對(duì)交流高壓電纜對(duì)管道的交流干擾規(guī)律進(jìn)行了一些研究[9-11]。呂智[11]通過建立埋地電纜與鄰近管道的電磁干擾模型,得出埋地電纜對(duì)管道的電磁干擾隨著并行間距的減小、并行長(zhǎng)度的增加逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。李廣澤等[12]研究得出管道中感應(yīng)電勢(shì)與高壓輸電線中運(yùn)行電流成正比,管道與高壓輸電線交叉點(diǎn)的感應(yīng)電勢(shì)最大,沿交叉點(diǎn)向兩側(cè)遞減,且隨著交叉角度增大,管道中的感應(yīng)電勢(shì)逐漸降低,且降低趨勢(shì)漸趨平緩。梁毅等[13]構(gòu)建了海底電纜對(duì)沉海油氣管道交流干擾的計(jì)算模型,研究得出隨著負(fù)載電流不平衡度和海底電纜外被層面電阻率的增大,管道的交流干擾電壓及交流電流密度均增大;當(dāng)海底電纜由三相互連接地轉(zhuǎn)變成三相分別接地時(shí),管道的最大交流干擾電壓增大了將近6倍。孟絮絮等[14]研究了特高壓交流輸電線路在不同管線位置對(duì)管道的干擾情況,得出隨著管道與線路中心距離增大,管道上最大感應(yīng)電壓先增大再減小,且當(dāng)距離為30 m時(shí),達(dá)到最大值;管道上感應(yīng)電壓隨著并行長(zhǎng)度的增大而迅速增大,繼而緩慢減小,最終趨于穩(wěn)定,當(dāng)并行長(zhǎng)度在2 000 m左右時(shí),管道感應(yīng)電壓最大。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)基本為陸地上高壓輸電線或電氣化鐵路等與管道并行情況下的干擾研究,關(guān)于海底電纜對(duì)海底管道的干擾研究較少,并且由于海底環(huán)境復(fù)雜,施工與維修困難,利用電磁干擾數(shù)值模擬軟件弄清海底管道受交流干擾的影響因素對(duì)于科學(xué)緩解交流干擾、確保管道的安全至關(guān)重要。

筆者基于實(shí)際工程參數(shù)建立了高壓交流電纜對(duì)海底管道的計(jì)算模型,利用CDEGS數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)探究了不同因素作用下海底電纜對(duì)海底管道電磁干擾的規(guī)律,以期為后續(xù)的海底電纜工程建設(shè)提供參考和借鑒。

1 計(jì)算模型建立與參數(shù)設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)場(chǎng)案例參數(shù),利用CDEGS軟件建立模型,開展高壓交流電纜對(duì)海底管道電磁干擾模擬計(jì)算分析。表1和表2分別為海底管道和環(huán)境的基礎(chǔ)參數(shù)。

表1 管道基本信息

表2 環(huán)境基本信息

海底電纜均采用三芯電纜,三相呈三角形排列。具體電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示, 將三相電纜分為纜芯、纜芯絕緣層、鉛套、鉛套絕緣層、鎧裝和外被層六部分。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下,海纜1和海纜2負(fù)載電流分別為761 A和499 A,負(fù)載電流不平衡度為4%。電纜在兩端存在接地,接地形式為鉛套三相互聯(lián)接地及鎧裝接地,鉛套和鎧裝接入同一接地極。海底電纜埋設(shè)于海床下2 m位置。

圖1 海底電纜結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of submarine cable

按GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,采用交流電流密度對(duì)海底管道交流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,交流電流密度公式見式(1)。

(1)

式中:J為管道破損點(diǎn)處交流電流密度,A/m2;V為管道交流干擾電壓,V;ρ為土壤電阻率,Ω·m;d為防腐層破損點(diǎn)等效直徑,按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重的情況,取0.011 3 m。

參考BS EN 15280-2015《應(yīng)用于陰極保護(hù)埋地管道的交流腐蝕可能性評(píng)價(jià)》和BS ISO 18086-2019《金屬和合金的腐蝕交流腐蝕的測(cè)定防護(hù)等級(jí)》中交流干擾評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),采用如表3所示交流干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判指標(biāo)。

表3 交流干擾程度的判斷指標(biāo)

2 各因素對(duì)管道交流干擾的影響

根據(jù)管道、海纜及環(huán)境的基礎(chǔ)信息,利用CDEGS軟件構(gòu)建了3種相對(duì)位置下海纜與海管的交流干擾計(jì)算模型,對(duì)管道遭受的交流干擾情況進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了各因素對(duì)管道交流干擾的影響。

2.1 不同相對(duì)位置下,高壓交流電纜與海底管道并行長(zhǎng)度的影響

綜合考慮了海纜與海管的相對(duì)位置及并行長(zhǎng)度對(duì)海管交流干擾程度的影響規(guī)律,并行間距設(shè)為30 m,主要分為表4所示的3種情況。

表4 海纜與海管的相對(duì)位置及并行長(zhǎng)度

2.1.1 情況1

當(dāng)海纜與海管的并行間距為30 m時(shí),保持海底電纜與管道兩端不變,改變中部并行長(zhǎng)度,相對(duì)位置如表4中情況1所示,對(duì)管道所受干擾進(jìn)行計(jì)算。海纜與管道并行長(zhǎng)度分別設(shè)為0.5,1,5,10,20 km,對(duì)不同并行長(zhǎng)度情況下的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。由圖2可見,當(dāng)海纜與管道并行長(zhǎng)度為0.5 km時(shí),管道的最大交流干擾電壓為9.95×10-4V,最大交流電流密度為1.12 A/m2;當(dāng)海纜與管道并行長(zhǎng)度增至20 km時(shí),管道的最大交流干擾電壓增至0.018 V,最大交流電流密度增至20.8 A/m2,約為并行長(zhǎng)度為0.5 km時(shí)的18.6倍。由此可見,在情況1條件下,管道的最大交流電流密度隨著并行長(zhǎng)度的增加而增大。

圖2 情況1條件下,并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾程度的影響Fig.2 Impacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.1 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.1.2 情況2

保持海纜與海管的并行間距為30 m,同時(shí)改變海底電纜與管道長(zhǎng)度,相對(duì)位置如表4中情況2所示,對(duì)管道所受干擾影響進(jìn)行計(jì)算,將海纜與管道并行長(zhǎng)度分別設(shè)為0.5,1,5,10,20 km,對(duì)不同并行長(zhǎng)度條件下的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。由圖3可見:當(dāng)并行長(zhǎng)度<10 km時(shí),管道的最大交流電流密度隨著并行長(zhǎng)度的增加而增大;當(dāng)并行長(zhǎng)度>10 km時(shí),管道最大電流密度隨并行長(zhǎng)度的增大而降低。

圖3 情況2條件下,并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾程度的影響Fig.3 SImpacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.2 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.1.3 情況3

保持海纜與海管的并行間距為30 m,且管道長(zhǎng)度與位置保持不變,改變海纜長(zhǎng)度,相對(duì)位置如表4中情況3所示,對(duì)管道所受干擾影響進(jìn)行計(jì)算,管道長(zhǎng)度為70 km,海纜與管道并行長(zhǎng)度分別為0.5,1,5,10,20 km,對(duì)不同并行長(zhǎng)度情況下的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。由圖4可見,當(dāng)并行長(zhǎng)度<5 km時(shí),管道的最大交流電流密度隨并行長(zhǎng)度的增大而升高;當(dāng)并行長(zhǎng)度>5 km時(shí),管道的最大交流電流密度隨并行長(zhǎng)度的增大而降低。

圖4 情況3條件下,并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾程度的影響Fig.4 Impacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.3 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.2 高壓交流電纜與海底管道間距的影響

保持海底電纜和管道相對(duì)位置不變(情況1),兩者間距分別為10,30,50,100,200 m,對(duì)不同間距情況下的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。由圖5可見,管道的交流干擾電壓和交流電流密度隨著海底電纜與管道間距的增大而減小,當(dāng)海底電纜與管道的間距為10 m時(shí),在管道與海纜并行的起點(diǎn)與終點(diǎn)位置出現(xiàn)交流干擾電壓與交流電流密度的峰值,分別為0.026 V和28.8 A/m2;當(dāng)海底電纜與管道的間距為30 m時(shí),最大交流干擾電壓為0.011 V,最大交流電流密度達(dá)到12.8 A/m2,交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較低;當(dāng)海底電纜與管道的間距增大到100 m時(shí),管道最大交流電流密度低于2.61 A/m2,降低幅度約為90.9%。

圖5 海底電纜與管道的間距對(duì)管道交流干擾程度的影響Fig.5 Effects of distance between submarine cable and pipeline on AC interference degree of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.3 高壓交流電纜負(fù)載電流的影響

保持海底電纜和管道相對(duì)位置不變(情況1),海纜與海管間距為30 m,計(jì)算了海底電纜負(fù)載電流對(duì)海底管道交流干擾影響的規(guī)律。由圖6可見:隨著海底電纜負(fù)載電流的增大,海底管道的受干擾程度增大。當(dāng)海纜的負(fù)載電流為499 A時(shí),管道最大交流干擾電壓為0.007 4 V,最大交流電流密度為8.39 A/m2。當(dāng)海纜的負(fù)載電流增大至761 A時(shí),管道最大交流干擾電壓和交流電流密度分別增至0.011 V和12.8 A/m2,增長(zhǎng)幅度為52.6 %。

圖6 負(fù)載電流下對(duì)管道交流干擾的影響Fig.6 Effects ofload currentson AC interference degree of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.4 高壓交流電纜負(fù)載電流不平衡度的影響

當(dāng)海纜負(fù)載電流不平衡度為A相4%,即海纜ABC三相輸出電流分別為791.44 A、761 A和761 A時(shí),各相實(shí)際負(fù)載電流的差異會(huì)使管道遭受不同程度的干擾。選用情況1相對(duì)位置,保持海纜與管道并行間距為30 m,分別選取海纜A相不平衡度為1%、2%和4%,探究不平衡度對(duì)管道交流干擾程度的影響。由圖7可見:隨著不平衡度的增大,交流干擾逐漸增大。當(dāng)不平衡度為1%時(shí),交流干擾電壓和交流電流密度分別為0.028 V和3.20 A/m2;當(dāng)不平衡度增至4%時(shí),交流干擾電壓增至0.011 V,交流電流密度增至12.8 A/m2。

圖7 負(fù)載電流不平衡度對(duì)管道交流干擾的影響Fig.7 Impacts load currents imbalance degre on AC interference of pipeline:(a) AC interference voltage;(b) AC current density

2.5 高壓交流電纜外被層面電阻率的影響

當(dāng)海纜的外被層面電阻率發(fā)生變化時(shí),管道受干擾程度也會(huì)發(fā)生變化。為了對(duì)比不同海纜外被層面電阻率的影響效果,分別選取外被層面電阻率為1 000,2 000,5 000,10 000,20 000 Ω·m2進(jìn)行計(jì)算。由圖8可見:交流干擾電壓和交流電流密度均隨海纜外被層面電阻率的增大而增大,且在海纜兩處拐點(diǎn)處,管道受到的交流干擾最大。當(dāng)海纜的外被層面電阻率為1 000 Ω·m2時(shí),其峰值交流干擾電壓為5.82×10-4V,交流電流密度為0.66 A/m2。當(dāng)海纜的外被層面電阻率升至20 000 Ω·m2時(shí),其峰值交流干擾電壓為0.033 V,交流電流密度為37.2 A/m2。

圖8 海纜外被層面電阻率對(duì)管道交流干擾的影響Fig.8 Impacts of resistivity of submarine cable outer layer on AC interference of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.6 討論

目前,關(guān)于并行間距、并行長(zhǎng)度、負(fù)載電流和負(fù)載電流不平衡度等因素對(duì)管道受干擾程度的影響機(jī)理可以從國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一些研究中找到,如齊磊等[15]提出了管道飽和平行長(zhǎng)度的概念,隨著管道平行長(zhǎng)度的增加,管道感性耦合電壓先逐漸增大,然后略有降低,并最終趨于穩(wěn)定。然而,海纜外被層面電阻率是海纜的特有因素,關(guān)于其對(duì)管道影響的具體原因及機(jī)理的研究,國(guó)內(nèi)外鮮見報(bào)道。故筆者基于現(xiàn)場(chǎng)模型得到的參數(shù),建立不同的模型,探究海底電纜外被層面電阻率增大對(duì)管道干擾影響的原因。

圖9為海底電纜簡(jiǎn)化后兩端三相互聯(lián)接地的實(shí)際情況,簡(jiǎn)化之后,海纜三相的三個(gè)鉛套與鎧裝連在同一個(gè)垂直接地極上,纜芯和鉛套的絕緣層電阻很大,近似絕緣,外被層非絕緣,鎧裝中流動(dòng)的電流可通過外被層泄漏到外界環(huán)境中。

圖9 三相海底電纜接地簡(jiǎn)化模型圖Fig.9 Simplified model of three-phase submarine cable grounding

海底電纜主要通過電阻耦合和電感耦合兩種方式在管道上耦合出交流電壓,從而對(duì)管道造成交流干擾。如圖10和11所示:當(dāng)海纜中的纜芯流動(dòng)電流時(shí),會(huì)在海纜中同相相鄰的護(hù)套和鎧裝層上感應(yīng)出反方向電流,而護(hù)套上流動(dòng)的電流經(jīng)過三相抵消后同樣在鎧裝上感應(yīng)出反向電流,鎧裝層上的電流經(jīng)過一部分抵消后會(huì)在鎧裝中流動(dòng),在流動(dòng)的過程中會(huì)在附近的管道處產(chǎn)生感應(yīng),從而對(duì)管道產(chǎn)生干擾,這個(gè)過程即為感性作用。同時(shí)由于鎧裝連接垂直接地極,且垂直接地極的電阻很小,因此在鎧裝上流動(dòng)的電流會(huì)在接地處流出很大一部分,這部分電流在接地極處類似于一個(gè)點(diǎn)電場(chǎng)對(duì)外散發(fā)電流,從而對(duì)管道產(chǎn)生阻性干擾。

圖10 海底電纜對(duì)管道電感耦合示意圖Fig.10 Schematic diagram of inductive coupling of submarine cable to pipeline

圖11 海底電纜對(duì)管道電阻耦合示意圖Fig.11 Schematic diagram of resistance coupling of submarine cable to pipeline

通過建立簡(jiǎn)單模型,探究海纜外被層發(fā)生變化時(shí)對(duì)管道的干擾影響情況,取其中一段與接地相連的海纜作為觀察對(duì)象,獲得其A相纜芯、護(hù)套、鎧裝及接地的相關(guān)數(shù)據(jù),如下表5所示,流入電流代表在海纜各層中實(shí)時(shí)流動(dòng)的電流。由表5可見,隨著海纜外被層面電阻率增大,控制輸入海纜內(nèi)部的纜芯電流保持不變,其在鉛套層上感應(yīng)的電流大小相同,各層中的參數(shù)僅有鎧裝層和接地處的電流有變化,鎧裝層上流動(dòng)的電流隨著外被層面電阻率的增大而降低,接地處的電流增大。同時(shí),接地中流入電流大于鎧裝中流入電流,說明阻性耦合占主導(dǎo)作用。外被層面電阻率增大時(shí),在鎧裝上流動(dòng)的電流由于通過外被層向外泄漏困難,因此更多的電流會(huì)通過接地處流向環(huán)境,使得接地處的流入電流會(huì)增大,對(duì)周邊管道的阻性作用增強(qiáng),管道受干擾程度增大。

表5 三相海底電纜A相各層結(jié)構(gòu)流入電流數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1) 不同相對(duì)位置條件下,高壓交流電纜與海底管道并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾的影響不同,在情況1條件下,管道的最大交流電流密度隨著并行長(zhǎng)度的增加而增大;在情況2和情況3條件下,管道的感應(yīng)電壓和電流密度先隨著并行長(zhǎng)度的增大而增大,繼而緩慢減小。

(2) 海底電纜與管道的間距對(duì)管道的交流干擾影響較大,管道交流干擾電壓和交流電流密度隨著海底電纜與管道間距的增大而減小。

(3) 海底電纜對(duì)管道交流干擾影響隨著負(fù)載電流的增大而增大。當(dāng)海纜的激勵(lì)由499 A增大到761 A,管道的交流干擾程度增大,最大交流電流密度從8.39 A/m2增大到12.8 A/m2,增長(zhǎng)幅度為52.6 %。

(4) 隨著負(fù)載電流不平衡度的增大,管道交流干擾電壓和交流電流密度均隨之增加。當(dāng)海纜的A相不平衡度由1%增大到4%時(shí),最大交流電流密度從3.20 A/m2增大到12.8A/m2。

(5) 隨海纜外被層面電阻率的增大,管道所受交流干擾電壓和交流電流密度增大,這主要是由于外被層面電阻率增加,海底電纜阻性耦合作用增強(qiáng),最終管道上產(chǎn)生的干擾電壓增大。