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管道研究

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高壓直流對某埋地管道干擾風險與防控

來源:《管道保護》2023年第5期 作者:馮德佳 丁小軍 胡貴斌 時間:2023-9-26 閱讀:

馮德佳 丁小軍 胡貴斌

國家管網集團廣東省管網有限公司

 

摘要:廣東地區天然氣埋地管道因受高壓直流輸電(HVDC)接地極干擾,實施了分段絕緣、閥室接地網改造、鋅帶排流等綜合性防護措施,同時加密內外檢測頻次,加大管道外腐蝕缺陷及防腐層缺陷開挖修復強度,通過綜合性防護措施,明顯緩解了管道受到高壓直流的干擾。

關鍵詞:高壓直流;接地極;干擾;效果評估

 

高壓直流輸電系統因故障出現單極大地回流方式時(接地極放電),會對周邊埋地油氣管道產生干擾,影響范圍之大、干擾程度之嚴重,遠超過地鐵、礦山采掘直流設備等雜散電流干擾。不僅對操作人員安全造成威脅,還可能導致管道穿孔、絕緣設施燒蝕密封失效、設備裝置損毀等現象發生。目前國內外尚無相應的標準規范可依。結合具體案例,采取合理的綜合防護措施控制管道安全風險,可供有關方面參考借鑒。

1  干擾風險

高壓直流輸電系統一般采用雙極運行模式,當輸電線路故障或檢修時,會采取單極運行模式,利用導線和大地構成直流側的單極回路,接地極放電排流時,入地電流可達幾千安培。持續的大電流不斷在大地內進行擴散,從埋地金屬管道的絕緣破損點、犧牲陽極等位置流入管道,在管道上產生極高的干擾電壓電流[1],造成管道腐蝕、恒電位儀燒毀、閥室引壓管放電燒蝕等現象。

2  安全邊界

2.1  操作人員觸電的安全限值要求

管道與大地之間的接觸電壓應滿足人體安全電壓限值,一般情況下應小于35 V,特殊情況下可參考GB/T 3805―2008《特低電壓(ELV)限值》,跨步電壓限值滿足 Em =7.42+0.0318 ρs,且不大于50 V。

2.2  閥室引壓管、絕緣接頭電弧和燒蝕的安全條件

引壓管上、絕緣卡套兩側電壓差限制條件如下:

(1)小于4 V時,可不采取措施。

(2)4 V~10 V時,應保證閥室相鄰的引壓管間間距不小于10 mm。

(3)大于10 V時,應采取排流防護措施將引壓管上絕緣卡套兩側電壓差降至10 V之內。

2.3  陰保設備、電涌保護裝置損毀的安全條件

陰極保護設備、浪涌保護裝置不發生損毀,不影響正常工況下陰極保護的保護范圍,接地網不漏泄陰極保護電流。

3  案例分析

某管道沿線有7條高壓直流輸電線路、19處交叉并行,影響長度約11 km。距離管道3.5 km ~80 km范圍內共有接地極 6 個。據測試,在地表土層薄、深層基本全為巖層的特殊土壤結構情況下,即使管道和直流接地極的垂直距離達100 km,管道仍然可能受到較大的干擾。

接地極放電時,在閥室不同電位金屬部件間形成高的電位差,易在距離小、絕緣薄弱的金屬部位放電,特別是絕緣卡套的內部,嚴重時可能導致卡套穿孔漏氣、著火、甚至爆炸。某管道6#閥室曾發生絕緣卡套燒蝕穿孔漏氣事件。

根據現場測試,當±500 kV高壓直流輸電線路的翁源接地極以3200 A的電流放電時,管地通電電位高達304 VCSE(超出正常值的300倍),管道中流動的干擾電流可達到上百安培,接地極放電期間的腐蝕速率可達到0.6 mm/d,受干擾管道的長度可達上百千米(圖 1、圖 2)。


圖 1 接地極陽極放電時管道受干擾模式

圖 2 接地極陰極放電時管道受干擾模式

4  防控措施

對以上管道實施了分段絕緣、閥室接地網改造、鋅帶排流等綜合性防護措施[2,3],同時加密內外檢測頻次,加大管道外腐蝕缺陷及防腐層缺陷開挖修復強度,保持高強度的日常檢查維護。檢測數據表明,腐蝕速率明顯減低。

4.1  管理措施

建立溝通協調機制,在接地極故障性放電排流前和排流后,電網方及時通報放電情況,管道方收到信息后第一時間向相關人員發送排流信息(圖 3)。


圖 3 歷年來接地極排流信息統計

嚴格遵守受高壓直流輸電影響管道作業管理規范,管道電位測量時必須穿戴個人勞保用品,做好個人安全防護工作,放電期間,暫停管道電位的測量、管道沿線本體施工等作業。

4.2  防治措施

(1)設立可控硅控制型自動合閘保護裝置,閥室地網作為排流床,利用可控硅反應快、壽命長、分合無火花等特點,通過設定觸發條件(管道電位和直流電流),從而實現排流目的。

(2)加設3處絕緣接頭,將原管段分為4段,采用分段隔離方式治理,減少故障大直流對整條管道線路的干擾影響。

(3)采用非對稱型固態去耦合器(﹢0.5 /﹣3.5 v),閥室接地地網與鋅塊/鎂塊(線路陰保站補充鋅塊)相連,每間閥室沿圍墻鋪設50組犧牲陽極,通過補充犧牲陽極,減緩地網的腐蝕。

(4)增設大功率抗干擾的恒電位儀+陽極地床改造,確保恒電位儀的正常輸出。

(5)對受干擾的管道共鋪設了154處鋅帶,長度共49 km。通過鋅帶與管道直連,在發揮排流作用的同時起到犧牲陽極作用。

(6) 結合內檢測結果、陰極保護有效性、雜散電流干擾情況,對受到高壓直流干擾的管道防腐層700余處破損點進行修復。

4.3  監檢措施

(1)建立高壓直流接地極干擾智能監測系統,采用無線數據通信網絡監測管地電位、交流電壓,當監測數據超過預警電位,提供聲光預警并發送短信通知,可實現±100 V、±300 V DC檢測量程,精度±0.5% r.d. +5 mV,AC量程可實現1.5至200 V,精度±0.5 V,定時檢測周期可達到分鐘級。

(2) 重點對環焊縫異常和外部金屬損失進行開挖驗證,掌握管道本體的腐蝕狀況。為了評價高壓直流接地極對管道的干擾情況,可縮短內檢測間隔周期,加密內檢測。

4.4  防控效果

經過日常的跟蹤以及智能合閘裝置的運行參數顯示,高壓直流接地極排流期間,閥室/站場的管道電壓大大低于35 V。全線管道的腐蝕速率顯著降低,腐蝕速率均滿足低于100 μm/a的緩解目標。

經過對閥室地網的改造以及綜合的排流措施,目前閥室/站場的截斷閥的最薄弱的部分(卡套),絕緣卡套的兩側電壓差小于4 V,未出現絕緣卡套燒蝕和引壓管放電的現象。線路的恒電位儀和電位傳送器運行正常,未再出現因高壓直流而導致損壞跡象。

5  結論

(1)當沒有采取鋅帶和分段絕緣緩解措施時,高壓直流接地極入地電流與管道干擾電壓成正比例關系;當采取鋅帶防護措施時,鋅帶點位置的防護效果要明顯優于未設置鋅帶的位置。這表明采取鋅帶的防護措施對整個干擾管道均有一定的緩解效果,多個鋅帶對管道可以起到綜合的緩解作用。隨著鋅帶與管道距離的增大,管線整體電位緩解效果基本相同,但鋅帶敷設處管道電位有明顯變化,且距離管道越近緩解效果越明顯。實際工程中,為了能使鋅帶敷設段達到比較好的緩解效果(90%以上的緩解百分比),建議鋅帶距離管道不超過 3 m。

(2)采取綜合防護措施時,干擾管道流入段和流出段的排流措施會相互影響。當防護措施位置合理時,管道整體的干擾電位均會有明顯的抑制,防護措施流入流出的電流會減少干擾管道表面流入流出的電流。在防護措施位置不合理時,可能會增加其中一個干擾方向的管道干擾程度。

 

參考文獻:

[1]程明,張平.魚龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質管道的影響分析[J].天然氣與石油,2010(05):25-26.

[2]秦潤之,杜艷霞.高壓直流輸電系統對埋地金屬管道的干擾研究現狀[J].腐蝕科學與防護技術,2016(05):264-265.

[3]周長李,胡漢董.特高壓直流電流對埋地管道的干擾及防護措施分析[J].中國石油和化工標準與質量,2020,40(22):43-45.


作者簡介:馮德佳,1987年生,2011年畢業于廣東石油化工學院,工學學士學位,主要從事管道的腐蝕控制等工作。聯系方式:13413300371,930414272@qq.com。

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