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管道研究

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埋地管道地磁干擾的識別及分析評價

來源:《管道保護》2023年第4期 作者:牛文花 陳少松 時間:2023-8-8 閱讀:

牛文花 陳少松

北京安科腐蝕技術有限公司

 

摘要:地磁擾動時刻都在發生,近幾年通過智能電位測試樁的監測,在我國不同地域的管道上均監測到了顯著的地磁干擾現象。本文首先介紹了地磁干擾的原理,并通過分析監測數據對埋地管道地磁干擾加以識別,進而開展干擾評價,總結了近三年以來埋地管道地磁干擾的規律,以期對埋地管道的地磁干擾識別、監測和評價起到一定的借鑒作用。

關鍵詞:地磁干擾;地磁暴;埋地管道;智能監測分析

 

1  地磁干擾的原理

地磁場由源于地球內部的穩定磁場和源于地球外部的變化磁場組成,變化磁場起源于分布在地表以上的各種空間電流體系,主要位于電離層、磁層和空間。地球內部的穩定磁場由于磁場穩定一般產生的地磁感應電流非常微弱,影響有限。然而,變化磁場的存在,特別是太陽活動引起的磁暴期會產生變化幅度較大的地磁感應電流,可能對各種人工長距離導電體造成顯著影響。國外(特別是高緯度國家,如加拿大、芬蘭等)對地磁感應電流干擾管道的現象開展了長期的觀測、理論研究與預測。根據所建立的管道地磁感應電流監測系統的記錄,當地磁場發生強烈擾動(磁暴)時,感應電場強度可以達到每公里幾伏至幾十伏,因而對地下管道產生的雜散電流干擾腐蝕就成為一個不可忽視的因素。

地磁場強弱與多個因素有關:

(1)太陽周期變化:太陽周期在大約11年的間隔里出現一次活動高峰。這些周期對應著太陽的南北磁極位置的變化。

(2)太陽自轉頻率:太陽自轉頻率大約是27天,由于太陽黑子和太陽耀斑在表面并不是均勻分布的,自轉會引起太陽等離子體的變化。

(3)地球自轉:隨著地球自轉,金屬結構物會在地球的晝夜間經歷地磁的變化。因此,管地電位具有24小時重復性的變化,被稱為晝間波動。

(4)等離子體磁場方向:等離子體磁場的方向對地電場的大小有著重要的影響。當等離子體磁場指向南(即逆著地球磁場)時,地磁暴產生一個較大的地電場。但是當等離子體磁場朝北時,地電場則沒有明顯變化。因此,日冕質噴射對地電場的影響與太陽磁場和地球磁場的排列關系密切相關。

(5)管道與海/湖岸線的接近性:由于低電阻率水體和高電阻率大地之間存在電壓差,接近海/湖岸線也會引起管道的電位變化。相比于大地,水體中存在更大的感應電流,從而引起水體中的電荷積累會增加靠近海/湖岸的大地電位。這種現象也存在于大地中高低電阻率土壤的突然變化處。另外,由于霍爾效應,水體的潮汐活動也能產生感應電流,加劇管道電位變化。實際上,大地電性結構的分界處容易加劇管道腐蝕,穿過大地分界面的管道在分界點處受到的地磁暴致災風險比較大。

(6)管道緯度:管道相對于地磁極的位置對其上感應電場的大小也存在影響。在中緯度區地磁峰值發生的概率最高,而沿著到北極和到赤道的方向減小。

地磁活動可以用Kp指標來表征。Kp指數是由全球地磁臺網中13個地磁臺站的K指數計算得到,用于表示全球地磁活動性,每3小時采集一個值。Kp指數是基于3小時間隔的算術平均數。該指數是對數值,范圍從0(靜止)到9(嚴重),Kp指數超過4的活動被認為是地磁暴。隨著Kp指數增大,地磁暴發生的概率對數地減小。一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴,Kp=7、8、9稱為大地磁暴。由圖 1可知,地磁小擾動頻繁發生,但嚴重的地磁暴幾乎不發生。Kp=6的地磁暴可能發生的概率為2%,可產生平均100 mV/km大小的地電場,其電場范圍大致是30 mV/km~300 mV/km(圖 2)。


1 不同Kp指數等級地磁活動的平均發生率

2 地電場峰值大小與Kp指數的關系

2  埋地管道地磁干擾的識別

埋地油氣管道受到雜散電流干擾時,識別干擾源是保證管道安全運行的基礎。與高壓輸電線路、地鐵、高鐵等干擾源不同,地磁干擾很難直接辨識。為了確定埋地管道是否受到地磁干擾的影響,可以結合地磁干擾的特點從以下三方面進行辨識。

(1)地磁干擾對埋地管道電位影響表現為電位呈現無規律波動,且近似存在24小時的晝夜周期;電位波動不僅持續存在,且波動幅度隨著地磁暴等級增加而增加。

(2)地磁干擾對大地中所有的埋地金屬結構物都會產生影響,因此,不僅受干擾管道全線都會受到影響,而且分布在不同地理位置的管道也同時受到影響,這一點在發生強地磁暴時表現尤為明顯。發生強地磁暴時,分布在不同地理位置的管道電位波動同時同步增加;可以利用這一點來明確管道電位的無規則波動是地磁干擾所致。

(3)中國科學院國家空間科學中心(NSSC)空間環境預報中心(網站:http://www.sepc.ac.cn/)會發布已發生的地磁暴事件并對未來短時間內可能發生的地磁暴事件進行預報。埋地管道受到地磁干擾電位波動幅度增加時,可以通過查找對應時段與中心發布的地磁暴時間是否吻合來進一步確認地磁干擾的影響。

3  埋地管道受到地磁干擾的監測分析與評價

通過智能電位測試樁的監測,目前已在我國不同地理位置的埋地管道上監測到了地磁干擾現象。這些位置既有高緯度地區,例如新疆賽里木湖附近、黑龍江漠河附近。也有低緯度地區,例如廣西北部灣附近、廣東湛江附近,還有濱海地區,例如華北渤海灣、華東黃海海域附近等。

3.1  地磁干擾的監測

以下為2020—2022年地磁暴等級達到3年來最高的一次(Kp=7)案例。

2021年5月,通過對某管線上智能電位測試樁監測數據分析,發現沿線智能電位測試樁通電電位和斷電電位均存在持續不規則波動,波動趨勢一致,但均未呈現出明顯的隨時間變化的周期性特點,也無明顯的靜息期,如圖 3所示。經查詢空間環境預報中心網站(圖 4),5月12日12:00—18:00這段時間內發生Kp=7的大地磁暴事件,因此該時段內管道受到的地磁干擾相較于其他時間明顯增強,表現為通電電位波動幅度顯著增大,且斷電電位波動幅度也有所增大。


3 2021512日大地磁暴( Kp=7)時某管線4處智能測試樁的監測電位-時間分布圖

4 2021512日—13日大地磁暴事件

3.2  地磁干擾的評價

埋地管道受到的地磁干擾屬于動態直流干擾。在評價管道的陰極保護效果或者干擾防護效果時,應當考慮地磁干擾的影響。目前國內外標準中,澳大利亞標準AS 2832.1―2015和國際標準ISO 21857―2021已提出埋地管道地磁干擾的評價準則,而國內尚無相關評價標準。

AS2832.1―2015的評價準則提出:當有跡象表明測試點最正峰值和最負峰值之間的電位差超過200 mV時,應評估大地電流的影響。開展結構物的大地電流影響評估時,必需記錄電位24小時以上,至少不少于20小時。如果使用數據記錄儀監測電位,其采樣頻率應不小于每分鐘一次。受大地電流影響的整個管段均應開展電位數據記錄儀測量工作。受大地電流影響的結構物的電位正于保護標準的時間不得超過測試時間的5%。在確定電位變化的程度時,應評估電位測量時間段內電離層干擾的程度。

ISO 21857―2021的評價準則提出:對于施加陰極保護的管道,如果受到的陽極干擾和陰極干擾隨時間變化,干擾可接受的評價準則如下:

(1)陽極干擾:無IR降電位EIR-free滿足EIR-free≤ Ep(即保護電位);或者Eon,avg偏移滿足Eon,avg ≤ Eref(即參考電位)–ΔEa,avg。

(2)陰極干擾:平均陰極電位偏移ΔEc,avg滿足ΔEc,avg≤500 mV(包括IR降)。

4  地磁干擾的規律分析

空間環境預報中心給出的2020—2022年全年地磁暴等級如表 1所示,Kp=7的大地磁暴2次、Kp=6的中小地磁暴21次、Kp=5的中小地磁暴134次,而Kp≤4的輕度地磁擾動每天都在發生。通過對大量埋地管道智能電位測試樁監測數據的分析,發現管道電位波動的日最大電位差(即波動幅度)正好是地磁暴等級較大的時候。其中,2021年5月12日地磁暴等級達到3年來最高,為Kp=7,持續時長6小時,僅占一年總時長的0~0.07%;Kp=6的中小地磁暴,在2022年發生頻次較高,持續時長占一年總時長的0.07%~0.55%;Kp=5的中小地磁暴,同樣在2022年發生頻次最高,達到了89次,持續時長占一年總時長的0.51%~3.05%;Kp≤4的輕度地磁擾動持續時長占一年總時長的96.37%~99.42%。從近三年監測情況來看,2022年Kp≥5的地磁暴發生頻次較高,而絕大部分時間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾。

1 地磁暴等級占比時間( 20202022年)


5  結語

目前行業內對地磁干擾的關注并不太多,而埋地管道受到地磁干擾的研究則更少。近年來,智能測試樁的普遍應用可有效提升對管道電位監測數據波動情況的關注,進而加強對埋地管道地磁干擾的認識。針對埋地管道受到地磁干擾影響的評估工作,我國目前尚無相應的標準指導,可參考AS 2832.1―2015和ISO 21857―2021進行干擾評價。開展埋地管道地磁干擾評價時,可結合地磁暴強度信息查詢結果,利用“干擾電位正于標準規定保護電位(Ep)的時間占比不超過5%”確定干擾是否可以接受。


作者簡介:牛文花,1986年生,畢業于北京科技大學,高級工程師,現從事智能陰極保護系統運行維護、故障診斷、數據分析、系統融合等工作。聯系方式:18910386639,niuwh@ancorr.cn。

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