鄒紹維 何顯榮

國家管網(wǎng)集團華南公司廣東輸油一部

 

摘要：探討了高壓電網(wǎng)對油氣管道的復雜干擾機制，并針對由此產(chǎn)生的電磁干擾、溫升等問(wèn)題設計了一系列防護措施。研究采用實(shí)地測量和仿真模擬相結合的方法，系統評估了油氣管道在高壓電網(wǎng)環(huán)境中的表征。通過(guò)在湛江500 kV輸變電工程周?chē)�的油氣管道上安裝電磁屏蔽、涂覆耐高溫防腐涂層以及進(jìn)行結構強化，有效減少了電磁干擾和溫升，提高了管道的結構穩定性。應用效果表明，上述措施有效提升了管道的運行安全和環(huán)境適應能力。

關(guān)鍵詞：高壓電網(wǎng)；油氣管道防護；電磁干擾控制；結構穩定性

 

油氣管道與高壓電網(wǎng)同為能源輸送的關(guān)鍵基礎設施，管道在運行過(guò)程中，可能會(huì )受到鄰近高壓電網(wǎng)運行引起的復雜電磁環(huán)境的影響。為深入研究電磁影響機理，有效保護油氣管道本體安全，本文以湛江新建500 kV輸變電工程交叉多處油氣管道為研究對象，通過(guò)前期調研測量、模擬評估和設計施工全流程，深入探討高壓電網(wǎng)對油氣管道運行的影響及如何實(shí)施有效防護。

1  前期調研

1.1  高壓輸電線(xiàn)路與油氣管道交叉情況

湛江新建500 kV輸變電工程路由同時(shí)交叉多條輸油、輸氣管道。新建高壓線(xiàn)路接地網(wǎng)設計時(shí)已充分避免接地網(wǎng)射線(xiàn)接近管道。其中，跨越成品油A段管道交叉點(diǎn)9處，跨越成品油B段管道交叉點(diǎn)2處，跨越成品油C段管道交叉點(diǎn)5處，跨越天然氣D段管道交叉點(diǎn)4處，跨越原油E段管道交叉點(diǎn)3處。

1.2  交流干擾測量

對油氣管道開(kāi)展干擾電壓和交流腐蝕電流密度測量（表 1），結果表明，新建500 kV輸變電工程投運前，A、B、C、D、E段管道干擾電壓與交流腐蝕電流密度均小于限值，交流腐蝕風(fēng)險受控，管道均處于有效陰極保護狀態(tài)。

表 1 管道投運前交流干擾測量

1.3  系統及土壤參數

500 kV線(xiàn)路正常工況長(cháng)期運行單回最大電流通常為510 A，考慮較嚴酷的情況，取不平衡為1%，計算時(shí)取A相電流為1.01倍最大輸送電流，B相電流為最大輸送電流，C相電流為0.99倍最大輸送電流。表層土壤電阻率取交叉跨越點(diǎn)土壤電阻率2 m極距測試值的平均值（表 2）。

表 2 土壤模型參數

2  模擬評估

2.1  模型建立

根據前期收集到的數據及信息，利用仿真軟件的陰極保護專(zhuān)用模塊完成管道間干擾模型，包括管道模型、陰極保護系統模型及土壤結構模型。利用數值模擬預測多物理場(chǎng)耦合下新建500 kV輸變電工程對油氣管道A、B、C、D、E段的雜散電流干擾水平（圖 1）。

圖 1 模擬評估技術(shù)路線(xiàn)

2.2  物理場(chǎng)模擬

（1）電場(chǎng)對管道的影響。電場(chǎng)引起的電磁感應效應對油氣管道的多方面影響在高壓電網(wǎng)運行期間顯著(zhù)[1]。電場(chǎng)強度導致管道表面電荷的積聚，進(jìn)而引發(fā)管道表面局部電勢的顯著(zhù)升高。為全面理解這一現象，采用有限元分析（FEA）進(jìn)行電場(chǎng)模擬，為管道的安全設計提供科學(xué)可靠的定量依據[2]。

通過(guò)對電場(chǎng)的數值模擬，評估不僅關(guān)注電勢的空間分布，還深入研究了電場(chǎng)引起的局部電勢升高的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。這對于理解電場(chǎng)在不同運行階段對管道表面電勢的影響至關(guān)重要[3]。根據輸電線(xiàn)路及油氣管道參數建立仿真模型，模型包括輸電線(xiàn)路19條，管道5條。

（2）磁場(chǎng)對管道的影響。高壓電網(wǎng)運行引起的磁場(chǎng)對油氣管道可能導致多種效應。磁場(chǎng)感應效應使得管道內產(chǎn)生感應電流，從而引起局部加熱。通過(guò)詳細的數值模擬，深入研究磁場(chǎng)對管道感應電流的影響，準確量化感應電流對管道溫升的貢獻。此外，對磁場(chǎng)對管道金屬結構的力學(xué)影響進(jìn)行應力分析，揭示磁場(chǎng)對管道材料強度的潛在影響，為管道設計提供可靠的理論基礎，確保其在電磁環(huán)境中的可靠性與穩定性[4]。高壓電網(wǎng)不同工況對管道的干擾有以下幾種：①輸電線(xiàn)路正常運行時(shí)，電感性耦合起主導作用。②輸電線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，管道同時(shí)承受暫態(tài)電感性耦合干擾與傳導性耦合干擾影響。③雷擊輸電線(xiàn)路桿塔時(shí)，雷電流由輸電線(xiàn)路桿塔注入大地，與短路故障工況類(lèi)似，管道系統同時(shí)承受暫態(tài)電感性耦合干擾與傳導性耦合干擾影響。因此，雷電流、負載電流、短路電流與天然氣管道的具有耦合關(guān)系（圖 2）。

圖 2 輸電線(xiàn)路與管道電磁耦合關(guān)系示意圖

利用所建立的模型，模擬湛江500 kV輸變電工程投運前鄰近管道所受交流干擾水平，并與實(shí)測數據對比（表 3），校核計算方法的有效性。

表 3 模擬仿真數據與實(shí)測數據對比表

（3）研究磁場(chǎng)引起的感應電流后，為準確量化感應電流對管道溫升的影響，將涉及對感應電流能量損耗的定量計算，以及這些損耗如何影響管道的溫度分布。通過(guò)對溫升進(jìn)行深入分析，能夠量化磁場(chǎng)引起的熱效應對管道的潛在危害，為管道的熱防護策略提供科學(xué)可行的指導[5]。

模擬注入雷電流波形為 2.6/50 μs，幅值為 50 kA，管道與線(xiàn)路間距為100 m。雷擊點(diǎn)對應相應桿塔。模擬顯示越靠近桿塔雷擊點(diǎn)的桿塔入地電流越高。電流峰值到達時(shí)間也隨著(zhù)距離的增加而推遲，而臨近雷擊點(diǎn)處的管道防腐層感應電壓明顯高于遠處管道。

（4）此外，磁場(chǎng)對管道金屬結構的力學(xué)影響和電流通過(guò)引起的管道振動(dòng)分析也在模擬中分析，磁場(chǎng)感應效應可能引起管道金屬材料的局部變形和應力集中，高壓電流通過(guò)管道時(shí)可能引起的振動(dòng)是一個(gè)重要但常常被忽視的問(wèn)題。通過(guò)深入的模擬分析，有助于評估多物理場(chǎng)耦合下的電磁環(huán)境對管道材料的其他潛在影響，并為管道防護設計提供依據。

針對以上物理場(chǎng)的仿真模擬分析結果，為減緩高壓電網(wǎng)對交叉管道的影響，對管道采取了相應的防護設計。

3  管道防護設計與施工

3.1  防護材料與涂層設計

電磁屏蔽材料的選擇與設計。電磁屏蔽材料在管道設計中起著(zhù)關(guān)鍵作用，能有效減小電磁場(chǎng)對管道的影響。通過(guò)數值模擬，選取ZR-1鋅帶作為電磁屏蔽材料，與管道并行敷設，埋深2 m。

耐高溫涂層的設計與優(yōu)化。管道在高壓電網(wǎng)運行中會(huì )面臨高溫環(huán)境，由于跨越段管道原防腐層為環(huán)氧粉末材料，耐熱性較差，因此需要設計具有良好耐高溫性能的防腐材料。本項目對鄰近影響段管道100 m范圍內的防腐層進(jìn)行開(kāi)挖，采用粘彈體+聚丙烯冷纏帶置換，管道要求打磨至金屬色后涂刷環(huán)氧富鋅底漆，再采用粘彈體防腐帶纏繞，最后用聚丙烯冷纏帶包覆，以提高其在高溫條件下的保護效果。

3.2  管道電氣連接設計

接地設計。管道良好的接地是確保電氣安全的重要措施。該項目采用鋅帶沿管道兩側平行敷設方式，同組鋅帶選用同一批號或開(kāi)路電位相近的鋅帶。本工程鋅帶組采用ZR-1型，選擇水平式埋設，其鋅帶埋設位置一般距管道外壁2 m，最小不宜小于0.5 m。

電氣連接材料選擇。在電氣連接方面，選擇合適的電氣連接材料對于確保管道的電氣連通性至關(guān)重要。排流器安裝在防爆箱內，電纜通過(guò)銅接線(xiàn)端子用螺栓壓接，連接牢固，保證完全電氣連通。防爆接線(xiàn)盒由鍍鋅鋼管支撐，電纜（1×16 mm²）穿過(guò)鍍鋅鋼管進(jìn)出防爆接線(xiàn)盒。排流器安裝后及雷雨后應做定期檢測，以保證其安全可靠。

3.3  防護施工方案

排流施工要求。采用淺埋鋅帶地床+固態(tài)去耦合器進(jìn)行排流。每處地床均沿管道兩側平行布置。地床埋深2 m，配合使用降阻劑進(jìn)一步保證地床的接地良好。兩側地床通過(guò)電纜接入測試樁，再通過(guò)固態(tài)去耦合器與管道相接（圖 3）。

圖3 管道防護排流地床布置

電氣連接施工流程。因關(guān)系到管道的電氣性能，選擇合適的接地電極并按照設計要求進(jìn)行安裝和布置十分重要。電氣連接接頭的制作需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)，確保接頭的電氣連接性能優(yōu)良。采用有效的連接方法，如焊接或螺栓連接，保證接頭的穩固性和導電性。

投運后測試。通過(guò)安裝電磁屏蔽、耐高溫防腐涂層以及進(jìn)行結構強化后，在湛江500 kV輸變電工程送電后對管道防護措施效果進(jìn)行測試（圖 4）。結果表明，管道在排流后，交流干擾基本受到充分控制，8個(gè)測試點(diǎn)交流干擾峰值電壓均未超過(guò)標準規定的4 V。

圖 4 交流干擾峰值電壓測試結果

4  結語(yǔ)

通過(guò)對湛江新建500 kV高壓電網(wǎng)項目運行產(chǎn)生的電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等物理場(chǎng)的模擬評估，研究了高壓電網(wǎng)對油氣管道的干擾影響，制定了相應的防護策略。應用效果表明，通過(guò)設計安裝電磁屏蔽材料、涂覆耐高溫涂層、安裝接地系統，做好電氣連接材料的選擇和電氣連接接頭的制作，可有效提升管道在電磁環(huán)境中的安全性和穩定性。在類(lèi)似特高壓電網(wǎng)新建項目與油氣管道交叉工程越來(lái)越多的形勢下，開(kāi)展電流、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等多物理場(chǎng)的耦合分析十分必要，通過(guò)數值模擬和現場(chǎng)測量驗證，能夠對油氣管道采取針對性防護措施。后續還需進(jìn)一步加強實(shí)地測試，以?xún)?yōu)化既有防護措施，并不斷探索管道防護新技術(shù)，應對電磁環(huán)境變化帶來(lái)的新挑戰。

 

參考文獻：

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作者簡(jiǎn)介：鄒紹維，1984年生，本科，工程師，現任廣東輸油一部副經(jīng)理，從事管道保護10余年。聯(lián)系方式：18218040344，zousw@pipechina.com.cn。