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电锅炉燃气锅炉金属软接头:埋地成品油管道交流干扰缓解防护技术探讨
浏览: 发布日期:2018-04-04

埋地成品油管道交流干扰缓解防护技术探讨及实际案例分析

叶青

中国石化销售有限公司华中分公司

 

 
 
 
 
 
 

摘要:近年来,随着能源基础设施的不断完善,土壤电磁环境日益恶化,埋地金属管道受到的交流干扰问题也变得日益严峻。交流干扰不但会对人身安全、管道涂层及相关设备造成危害,还会引起交流腐蚀。本文系统的阐述了交流干扰的危害,介绍了目前国内外交流干扰缓解技术的发展状况,同时以中石化销售华中分公司安亳成品油管道为实例,介绍了该管道的交流干扰缓解工程,并对交流干扰治理未来发展方向进行了展望。

关键词:交流干扰  危害  缓解技术  安亳成品油管道

 

 

 

近年来我国能源及交通基础设备建设规模的不断扩大,由于地理位置的限制在油气管道与电力线路和电气化铁路的设计和建设过程中常常采用公共走廊,这使得管道不可避免地要与高压输电线路或电气化铁路并行或交叉对管道产生交流干扰问题,严重威胁着管道及其相关设备的安全(绝缘法兰、阴.保护设备等)以及工作人员的人身安全[1-4]。此外,.令人担忧的是,交流干扰还会造成管道的腐蚀穿孔(即交流腐蚀)[5-7],从而引起能源浪费、环境污染以及火灾、爆炸等事故,如:我国中部某成品油管道沿线多处与高压交流输电线路与高速电气化铁路交叉并行,受干扰区域长度约为98km,管道实测交流电流密度达到377 A/m2,远超相关标准限值[8];中石油北方某一输气管线多处管段与输电线路和电气化铁路形成密集型公共走廊,.高管道交流干扰电压可达90V,严重危害管道运行及人身安全;中石化西南某一输油管道因附近电气基站短路故障使得高幅值故障电流流入导致击穿,发生穿孔泄漏事故[9]

针对交流干扰问题,国内外学者也进行了相关的研究,但由于涉及对象繁多,再加上地域限制及各单位间的协调问题,目前国际上仍难以制定合理有效统一的评价标准和缓解方针[10-11]。本文系统的阐述了交流干扰的危害,介绍了目前国内外交流干扰缓解技术的发展状况,同时以中石化销售华中分公司安亳成品油管道为实例,介绍了该管道的交流干扰缓解工程,并对交流干扰治理未来发展方向进行了展望,仅供相关业内人士参考。

 

交流干扰危害及缓解防护目标

 

1.1 人身安全

管道交流干扰对人身安全的危害包括两种情况:稳态交流干扰和暂态交流干扰下的危害。

稳态交流干扰下当施工或维修人员触碰到管道裸露金属部分时,可能会发生危险。各国标准中人身安全电压的限值见表1-1所示[12],由表可见稳态长时间接触时的安全电压限值.严格的为美国NACE标准,安全电压15V。这一数值的来源是IEEE对人体电流的临界值研究结果:当交流电流大于15mA时会导致人失去有意识的肌肉控制而且不能摆脱带电物体(即:摆脱电流,let-go current)。而人体电阻约为1000Ω,计算得到安全电压为15VGB 3805-2008IEC 61201标准主要是考虑干燥情况下人体能承受的长期安全电压限值。其他标准规定的60V安全限值,主要是针对职业人员工作人员制定的安全电压限值。笔者认为美国NACE标准考虑比较全面,而且一般情况下15V的稳态安全电压容易缓解达到,因此推荐使用。.殊情况下,可设置防触碰装置或均压垫等措施进行重点防护。

 

 

暂态交流干扰情况下,由于出现概率低而且持续时间较短(一般小于0.1秒),一般主要考虑的是保护生命安全不引起心室颤动的安全限值。IEEE标准中给出了故障情况下接触电压和跨步电压的计算公式[13],如下所示:

CCITT则建议将高可靠交流输电线路人身安全电压值提高到1000V,澳大利亚、前苏联、芬兰等国已经提高到1000V以上。由于故障情况出现概率小,而且时间短,因此我国可参照DL/T 621标准计算即可。

1.2 管道损.

稳态的交流干扰可能导致管道发生交流腐蚀。目前,对于交流腐蚀的评价指标国际上尚未统一。欧洲地区认为如果均方根(RMS)交流电流密度低于30A/m2,可以认为管道免于交流腐蚀(CEN/TS 15280)。而北美对于交流腐蚀的评价指标一直处于争论状态,到目前为止还没有出台相关标准。我国GB/T 50698-2011吸取了欧洲标准规定:当管道上的交流干扰电压不高于4V时,可不采取交流干扰防护措施;高于4V时,应采用交流电流密度进行评估。当交流电流密度在30A/m2以下时,交流腐蚀风险较弱(见表1-2

 

 

暂态交流干扰下管道上会产生很高的交流电压,严重时会击穿管道涂层。Dawalibi[14]通过研究认为当管道涂层的绝缘强度较低且故障电流的频率较高时,2500V的干扰电压足以破坏管道涂层。Southey[15]则认为沥青涂层、PEFBE涂层的安全耐受电压范围分别为1000V2000V3000V5000VDabkowski[16]在其发表的论文中给出了各种不同涂层的安全耐受电压,见表2-2所示。

 

 

交流干扰缓解技术的发展

 

2.1缓解设计技术的发展

交流干扰缓解设计主要经过了两个阶段:传统的经验公式设计和数值模拟综合设计。

传统的经验公式设计主要针对单点排流,采用幅值处缓解的方针,根据现场调研和检测结果,初步确定缓解方式和地床大小,再根据现场模拟缓解实验确定缓解点和缓解量。对于不具备现场试验的地段,可以根据经验公式(2-12-2)计算缓解量和缓解线长度。对于稳态交流干扰而言,缓解效果主要依赖于缓解地床的接地电阻[21],但值得注意的是,由于缓解的本质在于平均管地电位差,所以一味的增加缓解线长度以期望降低接地电阻从而达到更好的缓解效果是不现实的。有学者提出存在缓解线的长度.值,当缓解线的长度大于该值时,增加缓解线长度并不能再有效的降低管道交流干扰电压,该长度.值可大致根据公式(2-3)确定[22]。传统方法操作简单,适用于干扰程度和范围较小的情况,是一种单点设计法,无法对管道全线进行综合考虑,存在一定的局限性。

 

数值模拟(也称计算机仿真模拟)设计法是近年来兴起的管道交流干扰主流设计方法[23-24]。利用数值模拟软件对公共走廊内管道和高压输电线路进行整体建模,通过求解麦克斯韦场方程或者解电路的方法计算求解区域内电学参量分布情况。数值模拟综合设计法适用范围广,可针对各种干扰状况设计不同的缓解方案,参考价值较高。但对基础数据要求高,需要大量的干扰源、被干扰物、土壤及地理信息等基础数据,工作量大,且目前主要集中于处理稳态交流干扰,对于高速铁路等引起的暂态高频率交流干扰还未建立有效的计算模型和模块,有待进一步的系统研究。

在目前的技术水平下,为得到经济有效的缓解方案,应综合考虑传统经验设计和数值模拟综合设计两种方法。.先根据单点法确定所需的缓解线长度,再利用数值模拟软件对其进行修正和调整,从而达到事半功倍的效果。

2.2缓解防护技术的发展

为防止埋地管道受到交流干扰,.有效的办法就是尽可能的增大管道与干扰源的距离。国标GB/T 21447-2008《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中给出在路径受限地区,220kV330kV500kV高压输电等级时埋地管道与杆塔接地.的水平距离应分别不小于5m6m7.5mCAN/CSA-C22.3 NO.6-M91《管道与电力供应线之间协调性原则及做法》建议管道与杆塔接地体之间的距离应大于10米;Dawalibi[25]则认为埋地管道的安全距离应不小于300m。这些间距设定的出发点主要是考虑故障情况下电弧放电对管道防腐层以及人触电的危害。而对于电磁感应干扰,GB/T 50698-2011中规定当管道与高压交流输电线路、交流电气化铁路的间隔距离大于1000m时,不需要进行干扰调查测试。

但由于地理条件的限制,实际情况下很难使管道与干扰源保持足够的安全距离。在这种情况下,可采用集中接地、梯度控制垫、绝缘接头和缓解线等方法实施缓解。其中,缓解线+固态直流去耦合器是目前.主要的交流干扰缓解措施。该方法通过沿埋地管道近距离铺设裸露的导体带或者地床,并通过固态直流去耦合器将缓解线策略性的与管道电连接,可有效的平均管道电位和地电位,降低管地电位差。目前,该方法在西气东输、兰郑长成品油、川气东送、安亳成品油、洛驻成品油等管道上得到了很好的应用,效果明显。其中,陕京三线采用该方法后全线交流干扰缓解率为65%[4];北京燃气次高压管线阜石路段实施排流后,平均缓解率达到72%,效果明显。

 

3 案例分析安亳成品油管道交流干扰缓解工程

 

3.1 安亳成品油管道交流干扰情况简介

安亳成品油管道淮南-蚌埠段分别与220kV洛炉线、500kV怀店线、500kV怀孔线、220kV洛燕线、220kV田秦线、500kV怀芜I/II线、高速铁路轨道和通讯信号发射塔存在并行或交叉穿越现象,公共走廊长度达27km(如图3-1所示)。

 

 

3-1 安亳管道公共走廊概图:黄色线代表管道;红色线代表高压输电线路;绿色线代表高速铁路轨道

 

3.2现场调研测试

为了掌握该管道交流干扰的状况,对淮南-蚌埠管线0-43km里程处管段开展了现场调研测试工作,测试内容包括:输电线路塔脚与管道距离、交流干扰电压、交流电流密度(根据GB/T 50698-2011中提供的公式和现场测得土壤电阻率计算得到)。现场测试结果显示公共走廊区内输电线路塔脚与管道距离满足7.5m的安全距离,电弧烧蚀风险较小。其他测试结果如图3-2所示管道沿线交流干扰风险等级较高的区域可达31km,.大干扰电压为22.1V,位于28km处,大部分受干扰区域交流电流密度大于100A/m2,受到强交流杂散电流干扰,.大干扰位于23km+897m处,交流电流密度高达488.07A/m2

为了准确的了解该干扰程度下管道的腐蚀状况,使用ER腐蚀探头对强交流干扰下管道腐蚀速率进行了实时监测,监测时间为2个月,将ER腐蚀探头取出后,发现探头存在较为严重的局部腐蚀现象(图3-3),采用DDC-II型点腐蚀探测仪对探头表面3个位置处的局部腐蚀速率进行检测,检测结果见表3-1所示,分别达到360μm/y240μm/y480μm/y,远超ASTM标准中规定的10μm/y限值,管道交流腐蚀风险较高,亟需对其进行缓解。此外,通过ER探头测试结果可知试片的平均腐蚀速率为360μm/y,这相当于0.31A/m2的直流电流的腐蚀量。而此处的交流电流密度为488.07A/m2,表明约0.06%的交流电流密度产生了腐蚀。

 

图3-2 管道沿线交流干扰电压和交流电流密度分布图

 

3-3 探头表面腐蚀图(清洗后)

 

3.3 缓解防护措施及效果

采用目前国际上主流的缓解线+固态直流去耦合器方式进行缓解,缓解目标采用国标GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》要求,结合受干扰区域土壤电阻率分布情况,选用管线沿线交流干扰电压低于4V”作为缓解目标。

采用现场试验+传统经验公式设计+数值模拟综合设计方式对该管线交流干扰进行缓解设计,根据公式(2-1)和(2-2),以交流干扰电压.高的22.1V作为.要缓解对象,初步计算得到需要60m长镀锌扁钢,再利用数值模拟软件对管道全线进行建模,对初步计算得到的缓解方案进行校核比对,结合现场情况,.终确定采用“40m镀锌扁钢+40m镀锌角钢水平接地.+垂直接地.的方式进行缓解,缓解地床安装位置分别位于:005km012km+089m016km+823m019km022km+735m024km+389m027km030km+168m033km+064m036km038km044km+221m008km+677m010km+828m024km+907m028km+640m029km+206m,共17处,缓解地床通过Rustrol固态直流去耦合器连接至管道。

对缓解后管道沿线的交流干扰状况进行检测,检测结果见下图3-4所示,可知,实施缓解后,管道沿线交流干扰电压均小于4V,满足标准要求,缓解效果良好。

 

3-4 缓解后管道沿线交流干扰分布图

 

交流干扰缓解技术未来发展方向

 

从目前国内外的相关研究来看,交流干扰缓解技术的研究还存在很大的认知空白,还需从以下几个方面进行进一步、深层次的研究:

1)杂散电流干扰实时监测的普及化和多元化。杂散电流干扰是个动态发展的过程,随外界因素变化而变化,且存在一定的隐蔽性,.别是近些年出现的.高压输电线路干扰,因此推动杂散电流干扰实时监测的普及化,有利于我们随时掌握管道干扰状态,了解辖区电流干扰的变化规律,对于下一步的整治工作有很好的指导作用。此外,采用多元化的监测手段,如:腐蚀速率监测环境监测等能够更好的了解杂散电流对管道腐蚀及其他方面的影响。做到边监测边治理,监测与治理相结合,才能经济有效的缓解杂散电流干扰

2)管道方与电网、铁路等干扰源方的相互协调,综合治理。目前管道方采用的各种方式都无法真正彻底的解决杂散电流问题,只是暂时的缓解,排出的电流依旧存在于土壤中,治标不治本。杂散电流彻底理想的治理方式是使其从哪来回哪去,需要各方的相互协调配合。

3)数值模拟计算技术的普及化和软件的国产化。数值模拟技术是杂散电流研究及缓解设计的强有力工具,可以提高设计的精细度避免材料的浪费和不合理的设计但是目前我国对该技术存在认知度低普及性差的问题,亟需提高相关技术能力和普及程度。此外相关的软件主要被国外公司所垄断,国产化是未来发展一个不可避免的主流方向。

 

 

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作者:叶青,中国石化销售有限公司华中分公司管道油库处技术科科长。