隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,高壓直流輸電線路不斷增加,高壓直流接地極與管道臨近的情況越來越多,高壓直流接地極放電對(duì)在役管道影響的時(shí)間也越來越長(zhǎng)。高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要有雙極運(yùn)行和單極運(yùn)行。單極大地回線運(yùn)行時(shí),輸電系統(tǒng)的運(yùn)行電流達(dá)到上千安培,這些電流通過直流接地極流入或流出大地,對(duì)接地極附近管道造成很大程度的干擾[1-2]。 

國(guó)內(nèi)專家就埋地管道受高壓直流輸電系統(tǒng)接地極放電干擾問題進(jìn)行了較多研究,并提出了諸如犧牲陽極、強(qiáng)制排流和分段絕緣等多種緩解措施[2-9]。其中,關(guān)于管道分段絕緣緩解措施的研究多采用模擬計(jì)算或試驗(yàn)的方式進(jìn)行,而對(duì)在役管道實(shí)施分段絕緣后的效果評(píng)價(jià)涉及較少。孟曉波等[10]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于受從化接地極放電影響的管道,大部分位置電位顯著降低,但個(gè)別位置電位反而增大,出現(xiàn)新的干擾點(diǎn)。白鋒等[11]研究發(fā)現(xiàn)管道分段絕緣措施可有效降低管地電位差和泄漏電流密度,但絕緣接頭端部可能成為管道腐蝕或氫脆的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。分段絕緣后,管道縱向接地電阻變大,吸收的直流接地極放電電流減少,從而減小管地電位差和泄放的直流電流；分段絕緣后,只有兩個(gè)絕緣接頭之間的管道才會(huì)受到干擾,這說明分段絕緣可顯著減少受干擾管道的長(zhǎng)度。 

作者對(duì)某在役輸氣管道安裝3處絕緣接頭,當(dāng)同一高壓直流接地極以近似相等的電流放電時(shí),監(jiān)測(cè)管道電位,通過管道電位變化對(duì)埋地管道分段絕緣效果進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。 

1.   項(xiàng)目背景

該輸氣管道位于華南區(qū)域,周圍有多個(gè)直流接地極,其中有2個(gè)接地極（接地極A和B）距離管道較近,對(duì)其干擾較為嚴(yán)重。由圖1可見,接地極A與干線管道距離6.4 km,與最近的2號(hào)閥室距離為13.6 km。接地極B與干線管道直線距離9 km,與最近的2號(hào)站場(chǎng)距離為10 km。 

圖  1  接地極、管道、站場(chǎng)和閥室位置圖

Figure  1.  Location map of grounding electrodes, pipeline, stations and valve rooms

為監(jiān)控和減緩直流接地極放電對(duì)管道的干擾影響,管道單位在1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)之間增加了多處智能測(cè)試樁,并于2018年7月至2018年12月為干線管道增加了3處絕緣接頭（分別位于1號(hào)閥室、2號(hào)閥室和6號(hào)閥室）。新增的3處絕緣接頭與原有的2個(gè)絕緣接頭（1號(hào)站場(chǎng)出站絕緣接頭和2號(hào)站場(chǎng)進(jìn)站絕緣接頭）,將整條干線管道劃分為4段相互絕緣的管道。 

2.   高壓直流接地極放電時(shí)管道電位

根據(jù)南方電網(wǎng)提供的數(shù)據(jù),對(duì)2017年1月至2019年11月15日,接地極A和接地極B的放電數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,如表1所示。接地極A有3次放電,合計(jì)2.1 h；接地極B有53次放電,合計(jì)89.98 h。 

高壓直流接地極放電具有放電不規(guī)律、放電時(shí)間短和放電電流大等特點(diǎn),導(dǎo)致附近管道電位檢測(cè)較為困難。國(guó)內(nèi)多采用智能測(cè)試樁（電位遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）對(duì)接地極放電時(shí)管道電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]。由于高壓直流接地極單次故障放電時(shí)間較短,因此智能測(cè)試樁的監(jiān)檢測(cè)時(shí)間不能小于10 min,同時(shí)適當(dāng)擴(kuò)大測(cè)試電位的范圍（甚至達(dá)到-300~+350 V）。為保障監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)的連貫性和穩(wěn)定性,智能測(cè)試樁的電池電量至少滿足連續(xù)測(cè)試1 a的需求。 

對(duì)多個(gè)智能測(cè)試樁自安裝以來的通電電位和斷電電位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。在所收集的智能測(cè)試樁數(shù)據(jù)中,通電電位最正值為241.6 V（vs CSE,下同）,出現(xiàn)在接地極A放電電流為3 200 A且距離接地極A最近的704號(hào)樁,如圖2所示；通電電位最負(fù)值為-201.732 V,出現(xiàn)在接地極B放電電流為3 300 A且距離接地極B最近的825號(hào)樁,如圖3所示。很顯然,管道通電電位極值與高壓直流接地極放電電流、接地極與管道的距離相關(guān)。 

圖  2  管道704號(hào)樁通電/斷電電位

Figure  2.  On/off potentials of pipeline near pile No.704

圖  3  管道825號(hào)智能樁通電/斷電電位

Figure  3.  On/off potentials of pipeline near pile No.825

接地極A距離管道最近,因此采用全線智能樁測(cè)試數(shù)據(jù)。圖4為接地極A在3 200 A放電工況下1號(hào)站場(chǎng)到2號(hào)站場(chǎng)全線通電電位的分布情況。該次放電發(fā)生在2018年8月28日19：46至20：31,當(dāng)時(shí)1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)之間僅有2個(gè)絕緣接頭。結(jié)果表明,靠近接地極A的管道通電電位為正值,表示電流從管道流出,存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的管道長(zhǎng)度約為50 km；而兩端管道通電電位偏負(fù),表示電流流入管道,距離接地極A最遠(yuǎn)的831號(hào)樁（接近2號(hào)站場(chǎng)絕緣接頭）電位仍為-75.76 V。因此,該直流接地極放電可影響到112 km外的管道。 

圖  4  接地極A放電電流3 200 A條件下1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)管道通電電位

Figure  4.  On potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 with discharge current of 3 200 A from grounding electrode A

3.   分段絕緣措施實(shí)施前后接地極B放電時(shí)電位變化

根據(jù)相關(guān)資料,分段絕緣防護(hù)用絕緣接頭于2018年7月至2018年12月施工安裝。由于接地極A放電次數(shù)較少,因此作者選取分段絕緣措施實(shí)施前（2017年10月至2018年6月）與分段絕緣措施實(shí)施后（2019年1月至2019年9月）,接地極B放電電流為1 000 A時(shí),管段的部分電位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析分段絕緣措施對(duì)高壓直流干擾的防護(hù)效果。 

由圖5和圖6可見,當(dāng)接地極B陽極放電時(shí),防護(hù)措施實(shí)施前,1號(hào)站場(chǎng)至1號(hào)閥室段管道通電電位為5.327~11.497 V,斷電電位為0.203~1.475 V,電流流出,存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；防護(hù)措施實(shí)施后,當(dāng)接地極B陽極放電時(shí),該段管道通電電位和斷電電位均變?yōu)檎５年帢O保護(hù)電位（-1.787~-0.968 V）,腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較小。1號(hào)閥室至2號(hào)閥室之間的691號(hào)樁數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)接地極B陽極放電時(shí),防護(hù)措施實(shí)施可顯著降低691號(hào)樁附近管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)接地極B陽極放電時(shí),2號(hào)閥室至6號(hào)閥室之間704號(hào)至779號(hào)樁數(shù)據(jù)顯示,防護(hù)措施實(shí)施對(duì)該段管道影響不明顯,僅部分智能測(cè)試樁處斷電電位負(fù)向偏移,但仍為正值,存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。 

圖  5  接地極B陽極放電時(shí)1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)管道通電電位

Figure  5.  On potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during anode discharging of grounding electrode B

圖  6  接地極B陽極放電時(shí)1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)管道斷電電位

Figure  6.  Off potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during anode discharging of grounding electrode B

分段絕緣措施實(shí)施后,相對(duì)于原來1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)之間的管道接地電阻,6號(hào)閥室至2號(hào)站場(chǎng)之間的管道接地電阻變大了,因此推測(cè)汲取的接地極放電電流會(huì)變小。防護(hù)措施實(shí)施后,825號(hào)至833號(hào)樁管道通電電位明顯正于防護(hù)措施實(shí)施前的通電電位,這驗(yàn)證了上述推論。 

由圖7和圖8可知,當(dāng)接地極B陰極放電時(shí),1號(hào)閥室至2號(hào)閥室之間的648號(hào)至691號(hào)樁數(shù)據(jù)顯示,防護(hù)措施實(shí)施后,該段管道通電電位正移,這說明防護(hù)措施實(shí)施可使該段管道受到較小的干擾影響。當(dāng)接地極B陰極放電時(shí),2號(hào)閥室至6號(hào)閥室之間704號(hào)至779號(hào)樁電位顯示,防護(hù)措施實(shí)施前后,該段管道通電電位變化不明顯,僅部分測(cè)試樁通電電位負(fù)向偏移。當(dāng)接地極B陰極放電時(shí),6號(hào)閥室至2號(hào)站場(chǎng)之間的794號(hào)至833號(hào)智能樁電位顯示,防護(hù)措施實(shí)施前,該段管道通電電位均為正值,存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；防護(hù)措施實(shí)施后,6號(hào)閥室至814號(hào)樁之間的管道通電電位和斷電電位負(fù)移,減小了6號(hào)閥室至2號(hào)站場(chǎng)之間管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。 

圖  7  接地極B陰極放電時(shí)1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)管道通電電位

Figure  7.  On potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during cathode discharging of grounding electrode B

圖  8  接地極B陰極放電時(shí)1號(hào)站場(chǎng)至2號(hào)站場(chǎng)管道斷電電電位

Figure  8.  Off potentials of pipeline from station No.1 to station No.2 during cathode discharging of grounding electrode B

綜述所述,防護(hù)措施實(shí)施可顯著緩解1號(hào)站場(chǎng)至1號(hào)閥室之間管道受到的干擾,降低其腐蝕風(fēng)險(xiǎn),降低691號(hào)樁附近管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。分段絕緣措施實(shí)施后,6號(hào)閥室至2號(hào)站場(chǎng)之間的管道接地電阻變大了,接地極陽極放電時(shí),該段管道汲取的接地極放電電流變小；接地極陰極放電時(shí),6號(hào)閥室至814號(hào)樁之間管道通電電位和斷電電位負(fù)移,降低了6號(hào)閥室至2號(hào)站場(chǎng)之間管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。但分段絕緣措施實(shí)施對(duì)2號(hào)閥室至6號(hào)閥室之間的管道影響不明顯。 

4.   風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1   放電結(jié)束后管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

考察接地極B陰極放電時(shí)825號(hào)樁管道電位變化。接地極B陰極放電開始時(shí)間為2019年9月15日3：03,放電持續(xù)時(shí)間為135 min,入地電流為1 125 A,結(jié)束時(shí)間為2019年9月15日5：18。從圖9和圖10數(shù)據(jù)分析,斷電電位沒有在放電結(jié)束之后立即恢復(fù)到放電前（負(fù)于-1.0 V）,而在管道極化9~10 h之后,斷電電位才負(fù)于-0.85 V,極化大約17 h之后即2019年9月15日22點(diǎn)之后,斷電電位才負(fù)于-1.0 V。這表明當(dāng)管道受高壓直流接地極放電影響,電位正向偏移至大于0 V（本次放電時(shí)斷電電位正移到0.5 V）時(shí),管道極化需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間,才能使其電位達(dá)到-0.85 V,而在這段時(shí)間內(nèi),管道存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。 

圖  9  接地極B陰極放電前后825號(hào)樁管道電位

Figure  9.  Pipeline potentials near pile No.825 before and after cathode discharging of grounding electrode B

圖  10  接地極B陰極放電前后825號(hào)樁管道斷電電位

Figure  10.  Off potentials of pipeline near pile No.825 before and after cathode discharging of grounding electrode B

當(dāng)接地極泄放直流雜散電流時(shí),該段管道可能會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)： 

隨著泄放電流密度的增加,水更易發(fā)生電解反應(yīng),產(chǎn)生氧氣。反應(yīng)將導(dǎo)致管道附近的pH變小。而當(dāng)放電停止后,管道吸收陰保電流,變?yōu)殛帢O,發(fā)生陰極反應(yīng)。大量H+和O2的存在導(dǎo)致極化所需要的時(shí)間延長(zhǎng),因此管道恢復(fù)到原始極化電位的時(shí)間很長(zhǎng),管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大大增加。 

4.2   新增絕緣接頭后管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

直流接地極放電時(shí),遠(yuǎn)端管道汲取/泄放電流,電流可通過新增絕緣接頭兩側(cè)流入/流出管道,返回至距離接地極最近的管道并產(chǎn)生泄放/汲取電流現(xiàn)象,最終返回接地極。因此,當(dāng)直流接地極放電時(shí),可能在新增絕緣接頭兩側(cè)產(chǎn)生電流的流入或流出,在流出側(cè)電位正移,使管道存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。 

采用數(shù)據(jù)記錄儀同步監(jiān)測(cè)高壓直流接地極B放電時(shí),1號(hào)閥室和6號(hào)閥室新增絕緣接頭兩側(cè)的斷電電位。由圖11可見,正常工況下,1號(hào)閥室新增絕緣接頭上游管道斷電電位在-1.2~0 V波動(dòng),下游管道斷電電位在-2.5~-1 V波動(dòng)；但直流接地極B放電時(shí),1號(hào)閥室新增絕緣接頭上游管道斷電電位負(fù)移至-11 V左右,下游管道斷電電位正移至+3 V左右,顯然下游管道存在較大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。由圖12可見,6號(hào)閥室新增絕緣接頭兩側(cè)的斷電電位與1號(hào)閥室新增絕緣接頭兩側(cè)斷電電位類似,當(dāng)直流接地極放電時(shí),上游管道存在較大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。 

圖  11  接地極B放電時(shí)1號(hào)閥室絕緣接頭上下游管道斷電電位

Figure  11.  Off potentials of pipeline upstream and downstream of insulation joint in valve room No. 1 during discharging of grounding electrode B

圖  12  接地極B放電時(shí)6號(hào)閥室絕緣接頭上下游管道斷電電位

Figure  12.  Off potentials of pipeline upstream and downstream of insulation joint in valve room No. 6 during discharging of grounding electrode B

5.   結(jié)論

（1）考慮到高壓直流接地極放電時(shí)具有放電不規(guī)律、放電時(shí)間短、放電電流大等特點(diǎn),在受干擾管段安裝智能測(cè)試樁監(jiān)測(cè)接地極放電時(shí)管道電位,但其采集電位的間隔時(shí)間不能大于10 min。 

（2）對(duì)2017年1月至2019年11月15日期間接地極B的放電數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,獲得該接地極年放電時(shí)間為30 h。 

（3）采用分段絕緣措施改善直流接地極放電對(duì)管道的干擾。防護(hù)措施實(shí)施可顯著緩解遠(yuǎn)端管道的受干擾程度,使受干擾的管道長(zhǎng)度變短,腐蝕風(fēng)險(xiǎn)集中在距離接地極較近的管道和絕緣接頭兩側(cè),因此僅需對(duì)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)集中的管段繼續(xù)采取諸如敷設(shè)鋅帶等干擾緩解措施,使風(fēng)險(xiǎn)可控并減少投資。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)