李 毅, 黃浩軍,張 健,李 津,祝振洪,梁 毅,杜艷霞

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院,北京 100083)

近年來,隨著我國(guó)海洋開發(fā)的大力推進(jìn),近岸或海上電力設(shè)施大量建設(shè),在多個(gè)海域敷設(shè)了高壓交流電纜,其與海底油氣管道形成“并行通道”[1-2],海底管道面臨交流干擾風(fēng)險(xiǎn)[3-6]。交流干擾會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行帶來危害,如引起交流腐蝕[7-9], 危害人員及設(shè)備安全[10-12]。

目前,國(guó)內(nèi)外圍繞架空高壓交流輸電線路對(duì)埋地油氣管道的交流干擾開展了大量研究,相關(guān)研究表明,高壓交流電線可通過電磁干擾、電阻耦合等方式對(duì)與其并行的埋地管道產(chǎn)生交流干擾電壓和電流[13-15],造成安全影響。丁清苗等[16]在土壤模擬液中研究了交流電對(duì)埋地管道的干擾腐蝕作用,XIAO等[17]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn),在兩種典型土壤模擬環(huán)境中,研究了X70鋼在陰極保護(hù)和交流干擾共同作用下的交流腐蝕行為。王新華等[18]模擬真實(shí)土壤環(huán)境,分析了不同交流電流密度對(duì)X70管線鋼的腐蝕作用。但目前有關(guān)交流干擾的研究主要集中在陸上高壓輸電線路對(duì)埋地管道的影響,缺乏海底電纜對(duì)海管交流干擾規(guī)律的系統(tǒng)研究和認(rèn)識(shí)。由于海水電阻率遠(yuǎn)低于一般的土壤環(huán)境,同時(shí)海底電纜的結(jié)構(gòu)也不同于陸上架空輸電線路,這使得海洋環(huán)境中的交流干擾問題與陸上存在差異。隨著國(guó)家海洋能源開發(fā)的重視,海底管道和高壓交流電纜的建設(shè)規(guī)模日益加大[19],交流干擾對(duì)海底管道的安全運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。由于海底管道的檢測(cè)與維護(hù)難度非常大,在海底電纜設(shè)計(jì)和路由選擇時(shí)掌握其電磁干擾規(guī)律,最大程度避免對(duì)鄰近管道的交流干擾是非常有必要的。針對(duì)這種情況,數(shù)值模擬技術(shù)可以有效評(píng)價(jià)新建海底管道,梁毅等[20]構(gòu)建了海底電纜與沉海油氣管道的電磁干擾計(jì)算模型,通過模擬計(jì)算考察了海底電纜對(duì)油氣管道的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)及影響因素;李平[21]采用數(shù)值模擬技術(shù),研究了海纜和陸上換流站的雜散電流對(duì)海底管線的干擾程度及影響因素。但目前針對(duì)海底管道受海纜電磁干擾的相關(guān)研究較少,不足以為海纜及管道敷設(shè)時(shí)交流腐蝕安全距離和路由選擇提供參考。

基于此,筆者使用CDEGS數(shù)值模擬軟件,建立了高壓交流電纜對(duì)海底管道交流干擾的計(jì)算模型,通過模擬計(jì)算探究不同因素對(duì)管道交流干擾影響的相關(guān)規(guī)律,并得出管道在不同電壓等級(jí)和并行長(zhǎng)度下可避免交流腐蝕的安全距離,以期為高壓電纜和海底管道的路由選擇提供參考。

1 計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)計(jì)

以圖1所示海纜與管道相對(duì)位置關(guān)系建立基礎(chǔ)模型,模型中高壓交流電纜與海底管道并行,在并行結(jié)束后以角度90°與管道分離,間距為海纜中心與管道中心的水平距離。本工作在圖1所示模型和表1設(shè)定的基本參數(shù)中探究海纜與管道并行間距、并行長(zhǎng)度和海纜電壓等級(jí)對(duì)管道交流干擾參數(shù)的影響規(guī)律。

表1 計(jì)算模型中的恒定參數(shù)設(shè)置

圖1 海纜與管道相對(duì)位置Fig.1 Location of the pipeline relative to the submarine cable

2 海底電纜對(duì)海底管道交流干擾的模擬計(jì)算及影響因素分析

以圖1及表1所示管道、海纜及管道附近環(huán)境的基本參數(shù)為基礎(chǔ)信息,采用CDEGS軟件建立不同條件下高壓交流海纜對(duì)管道的穩(wěn)態(tài)電磁干擾計(jì)算模型,計(jì)算高壓交流海纜與管道在不同并行間距、并行長(zhǎng)度和電壓等級(jí)條件下管道沿線穩(wěn)態(tài)電磁干擾規(guī)律。

2.1 并行間距對(duì)管道交流干擾的影響規(guī)律

根據(jù)構(gòu)建的模型,在電壓等級(jí)為220 kV、并行長(zhǎng)度為10 km、70 km條件下,改變管道與海纜兩者之間的并行距離為2,5,10,30,50,100,150,200,300,500,1 000 m,以探究并行間距對(duì)管道交流干擾程度的影響規(guī)律,結(jié)果見2圖。

由圖2可知:當(dāng)海纜與管道之間并行長(zhǎng)度分別為10 km與70 km時(shí),管道沿線的交流電流密度均隨并行間距的增大而迅速減小,管道受到的交流電流密度最大值位于海纜起點(diǎn)處。在海纜與管道并行長(zhǎng)度10 km條件下,當(dāng)海纜與管道并行間距為2 m時(shí),管道的最大交流電流密度為1189.86 A/m2,隨著海纜與管道并行間距增至50,200 ,1 000 m,管道最大交流電流密度分別降至170.69,12.17, 0.18 A/m2。在海纜與管道并行長(zhǎng)度為70 km條件下,當(dāng)海纜與管道并行間距為2 m時(shí),管道的最大交流電流密度為1207.43 A/m2,隨著海纜與管道并行間距增至50,200,1 000 m,管道最大交流電流密度分別降至169.56,12.10,0.18 A/m2。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,得到管道最大交流電流密度隨并行間距的變化曲線,如圖3所示。由圖3可見,管道最大交流電流密度隨著管道與電纜并行間距增大而迅速下降,2 ～100 m時(shí),下降幅度較大;超過100 m后,下降幅度變小,當(dāng)并行間距達(dá)到200 m時(shí),繼續(xù)增大并行間距,對(duì)緩解管道交流電流密度影響不大,且在兩種并行長(zhǎng)度下,都呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,該結(jié)果可為工程上評(píng)估海底電纜與管道之間并行間距對(duì)管道的交流干擾影響提供參考。

圖2 海底電纜與管道在兩種并行長(zhǎng)度下,不同并行間距對(duì)管道交流干擾程度的影響Fig.2 The effects of different parallel spacings on the degree of AC interference suffered by pipeline for two kinds of parallel lengths:(a) parallel length 10 km; (b) parallel length 70 km

圖3 海底電纜與管道在兩種并行長(zhǎng)度條件下,管道最大交流電流密度隨并行間距的變化規(guī)律Fig.3 The change of maximum AC current density with the parallel spacing between submarine cables and pipelines for two kinds ofparallel lengths: (a) parallel length 10 km; (b) parallel length 70 km

2.2 并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾的影響規(guī)律

根據(jù)構(gòu)建的模型,在電壓為220 kV、并行間距為30 m和100 m情況下,改變管道與海纜兩者之間的并行長(zhǎng)度為0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km,以探究并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾程度的影響規(guī)律,結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 海底電纜與管道并行間距30 m時(shí),并行長(zhǎng)度對(duì)管道交流干擾程度的影響Fig.4 The effects of parallel lengths on the degree of AC interference suffered by the pipeline for the parallel spacimg of30 m between submarine cable and pipeline

由圖4可知:30 m并行間距條件下,當(dāng)管道與海纜并行長(zhǎng)度為0.5 km時(shí),管道最大交流電流密度為39.72 A/m2,隨著并行長(zhǎng)度增至10,50,100 km,管道最大交流電流密度分別為285.46,280.15,283.72 A/m2。

由圖5可知:100 m并行間距條件下,當(dāng)管道與海纜之間并行長(zhǎng)度為0.5 km時(shí),管道最大交流電流密度為8.76 A/m2,隨著并行長(zhǎng)度增至10,50,100 km,管道最大交流電流密度分別為64.12,62.99,63.79 A/m2。

由圖6可知:在并行間距為30 m的情況下,管道最大交流電流密度隨并行長(zhǎng)度增大而迅速增大,當(dāng)并行長(zhǎng)度為10 km時(shí),管道交流電流密度達(dá)到最大值285.46 A/m2,繼續(xù)增大并行長(zhǎng)度至30 km,管道最大交流電流密度緩慢減小到271.97 A/m2;并行長(zhǎng)度再增大,管道最大交流電流密度有較小的增加。在并行間距為100 m的情況下,管道受到的最大交流電流密度干擾規(guī)律與并行間距30 m時(shí)的類似,在并行長(zhǎng)度達(dá)到10 km時(shí),管道最大交流電流密度達(dá)到最大值285.46 A/m2,之后管道最大交流電流密度緩慢減小到271.97 A/m2;并行長(zhǎng)度再增大,管道最大交流電流密度沒有明顯的變化。

2.3 海纜電壓等級(jí)對(duì)管道交流干擾的影響規(guī)律

當(dāng)海纜的電壓等級(jí)發(fā)生變化時(shí),其三相負(fù)載電流及三相不平衡度會(huì)發(fā)生變化,對(duì)管道的交流干擾也會(huì)發(fā)生變化。在構(gòu)建的幾何模型基礎(chǔ)上,設(shè)置并行間距為30 m,并行長(zhǎng)度為10 km,選取海纜電壓等級(jí)為35,110,220 kV進(jìn)行模擬計(jì)算,其三相額定負(fù)載電流分別為422,698,1 050 A,考察了不同電壓等級(jí)對(duì)管道交流干擾的影響,如圖7所示。

圖7 不同電壓等級(jí)下的管道受交流干擾情況Fig.7 AC interference of pipelines under different voltagegrade conditions

由圖7可見:最大交流電流密度均隨電壓等級(jí)的增大而增大,且管道受到的交流干擾程度最大處均位于海纜起點(diǎn)處;當(dāng)海纜的電壓等級(jí)為35 kV時(shí),對(duì)應(yīng)最大交流電流密度為158.30 A/m2;當(dāng)海纜的電壓等級(jí)為110 kV時(shí),對(duì)應(yīng)最大交流電流密度為261.83 A/m2;當(dāng)海纜的電壓等級(jí)為220 kV時(shí),對(duì)應(yīng)最大交流電流密度為285.46 A/m2。

3 海底電纜與管道在不同并行長(zhǎng)度與電壓等級(jí)下的安全距離

基于上述計(jì)算結(jié)果,探討海底電纜與管道在不同并行長(zhǎng)度與電壓等級(jí)下的交流腐蝕安全距離。ISO 18086:2019Corrosionofmetalsandalloys-DeterminationofACcorrosion-Protectioncriteria和GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測(cè)定 防護(hù)準(zhǔn)則》指出,在海洋環(huán)境中的交流腐蝕評(píng)判指標(biāo)如下:當(dāng)交流電流密度小于30 A/m2時(shí),交流干擾程度為“弱”。將管道受到的最大交流電流密度小于30 A/m2作為交流腐蝕安全間距的限值,從而得出安全距離。

在上述模型及已有計(jì)算基礎(chǔ)上,分別計(jì)算了電纜電壓等級(jí)為220 kV和110 kV,管道并行長(zhǎng)度為0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km情況下,不同并行間距時(shí)管道受到的交流電流密度。采用交流電流密度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)計(jì)算得到的最大交流電流密度,對(duì)海底管道受交流干擾程度進(jìn)行評(píng)估,并得出海底電纜與管道之間可避免交流腐蝕的安全距離,見表2。

表2 海底電纜與管道在不同并行長(zhǎng)度與電壓等級(jí)下可避免交流腐蝕的安全保護(hù)距離

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬軟件建立了海底電纜對(duì)管道交流干擾模型,通過模擬計(jì)算,得到了并行間距、并行長(zhǎng)度和電壓等級(jí)對(duì)管道所受交流干擾參數(shù)的變化規(guī)律。通過大量的模擬計(jì)算,采用交流電流密度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),評(píng)估了管道的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),得到了海底電纜與管道在不同并行間距與并行長(zhǎng)度下可避免交流腐蝕的安全距離,具體如下:

(1) 當(dāng)高壓電纜與海底管道并行時(shí),隨著電纜與管道之間的距離增大,管道受到的最大交流電流密度迅速降低,且當(dāng)并行間距達(dá)到200 m后,繼續(xù)增大海纜與管道并行間距,其對(duì)管道最大交流電流密度的影響不大;

(2) 增大高壓電纜與海底管道的并行長(zhǎng)度,管道所受的最大交流電流密度迅速增大,繼而緩慢減小,最終趨于穩(wěn)定;

(3) 管道受電磁干擾產(chǎn)生的最大交流電流密度隨電壓等級(jí)增大而增大;

(4) 根據(jù)大量模擬計(jì)算的結(jié)果,得出在并行長(zhǎng)度為0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km,電壓等級(jí)為110,220 kV下,海底電纜與管道之間避免交流腐蝕的安全距離,可以為電纜與管道的工程建設(shè)提供參考。