城市燃氣管網陰極保護與交直流干擾防護技術研究（下）

 

    文| 路民旭　杜艷霞　北京科技大學腐蝕與防護中心　李夏喜　孫健民　北京燃氣集團有限責任公司

    燃氣管網外加電流陰極保護數值預測與優化技術研究

 

    盡管犧牲陽極陰極保護方法在城市燃氣管網中獲得了廣泛的應用，但由于其壽命有限，需要定期更換；但在城鎮地區，地表建筑密集，開挖難度大，為了彌補犧牲陽極陰極保護技術的不足， 燃氣行業也開始探索基于外加電流的燃氣管網區域陰極保護技術。

 

    燃氣管網的區域性陰極保護技術是將某一區域內的所有燃氣管網當作一個整體來進行保護，由于保護區域內保護對象繁多、地下管網分布復雜、范圍較小，給輔助陽極地床的設計帶來較大的困難。近年來，隨著電化學和計算機技術的發展，人們嘗試采用數值計算技術來處理復雜條件下的陰極保護優化設計。該技術為解決燃氣管網的區域陰極保護設計問題提供了有效的解決途徑。將數值模擬預測與優化技術應用于燃氣管網陰極保護設計中，通過計算陰極保護電位和電流密度的分布，來評價保護效果，優選保護方案，確定合理的陽極種類、形狀、數量、位置等參數，可大大提高燃氣管網陰極保護的設計水平。

 

    筆者帶領研究團隊圍繞燃氣管網陰極保護數值預測與優化技術開展了系統研究。綜合考慮陰極保護系統的電子通路、離子通路及將二者聯系起來的界面極化特性，并針對環境介質的不均勻性，建立了燃氣管網陰極保護電位分布數學模型。結合電化學極化理論和實驗測試，研究確定了數值模擬計算所需的邊界條件。根據燃氣管網陰極保護特點和邊界元計算原理開發了可進行三維問題求解的邊界元計算程序。在數學模型和數值計算方法研究的基礎上，開發了城市燃氣管網陰極保護數值預測與評估軟件，主界面如圖1
 

圖1　城市燃氣管網陰極保護數值預測與評估軟件界面

 

    所示。將研究形成的城市燃氣管網陰極保護數值預測與評估技術在北京市燃氣集團某中壓管網區域進行了示范應用。所建的示范區三維幾何模型及計算網格模型如圖2 所示，計算得到的管線電位分布如圖3 所示。
 

 圖2　示范站三維幾何模型及計算網格模型


 圖3　某運行工況下埋地燃氣管網電位分布計算結果
 

    燃氣管網交、直流干擾檢測及防護技術研究

 

    隨著中國經濟的迅速發展，基礎設施的建設逐漸加快，某些基礎設施如高壓電塔、高速鐵路、城市軌道交通等會對埋地燃氣管道造成嚴重的交、直流干擾，導致陰極保護系統失效、引發腐蝕穿孔等安全問題。因此交直流雜散電流干擾問題已引起各大燃氣公司的重視。

 

    地鐵直流雜散電流干擾檢測及防護技術

 

    近年來，中國各大城市為了緩解日趨嚴重的城市交通壓力， 紛紛加快了地鐵的建設。地鐵運行時，由走行軌漏泄到道床及其周圍土壤介質中的雜散電流，會引起埋地金屬管道發生嚴重的腐蝕，導致油、氣泄露，引發安全事故。因此，對于有效的檢測并控制埋地管道地鐵雜散電流腐蝕具有重要意義。

 

    陰極保護電位是監視和控制陰極保護效果的重要指標，但由于地鐵動態雜散電流的存在使得管道保護電位發生較大的波動， 圖4 顯示了采用雜散電流測試儀測得到位于地鐵附近的一條管線上陰極保護電位和電流的變化曲線，上部為電流曲線，下部為電位曲線。
 

    圖4　某受地鐵干擾管線上電流和管地電位變化曲線
 

    地鐵動態雜散電流引起的持續波動直接導致了難于正確地測量陰極保護極化電位，給陰極保護的有效性評價帶來困難。此時采用常規的瞬間斷電法因無法消除雜散電流干擾而無法滿足測量要求。筆者帶領的研究團隊對地鐵動態雜散電流干擾下的管道極化電位測試技術開展了研究，通過大量的室內模擬實驗和現場試驗，研發了抗干擾能力強的陰極保護極化電位測試探頭。采用該探頭測得的地鐵干擾區管道通電電位及探頭試片斷電電位如圖5 所示。將所開發的極化測試探頭和無線傳輸系統結合，建立了埋地管道地鐵雜散電流實時監測系統。

    圖5　采用極化探頭測得的地鐵干擾區管地通電電位及試片斷電電位
 

    對于遭受地鐵雜散電流腐蝕的燃氣管網，如何有效排除雜散電流的干擾是實際生產中亟待解決的問題。筆者所在研究團隊在實驗室模擬試驗和現場測試中發現，管道原有的犧牲陽極陰極保護系統會和地鐵雜散電流產生很強的交互作用。在較大的地鐵雜散電流影響下，犧牲陽極和管道之間電纜中流動的電流方向在發生著變化，說明犧牲陽極地床會充當雜散電流的流入流出點，使管道的電位波動幅度增大，干擾增強。為了減弱干擾程度，需要采用極性排流裝置對傳統的犧牲陽極陰保系統進行極性改造。綜合考慮埋地燃氣管道和地鐵間的相互作用，可以采用極性排流或強制排流的方法，此外還可以采用陰極保護、分段絕緣等技術來緩解干擾。

 

    交流干擾檢測和防護技術

 

    近年來，隨著城市的發展，高壓電線和管道鋪設增加，這使得越來越多的管道鋪設時與高壓輸電線并行。當金屬管道與高壓輸電線并行時會受到來自電力系統的交流干擾。交流干擾將會加速管道腐蝕穿孔、干擾管道陰極保護系統、引起犧牲陽極與管道間發生極性逆轉、對工作人員產生電擊危害，嚴重威脅著管道的運行安全。因此，有效的交流干擾檢測與防護措施對于確保天然氣管道的安全運行有著重要的意義。

 

    筆者帶領研究團隊和北京燃氣集團高壓公司合作，對北京燃氣管網交流干擾檢測評價及防護技術開展了研究。北京市某次高壓天然氣管線與兩條100kV 和220kV 的高壓輸電線長距離并行， 并行距離達到7km，管線與高壓輸電線路相對位置如圖６所示， 管道沿線并行高壓線照片如圖７所示。
 

 圖7　高壓輸電線路照片
 

 

    由上表可見，在6 處測量地點中，有3 處交流干擾電壓均超過15V（基于安全接觸電壓考慮，NACE 標準RP0177-2000 規定埋地管道的管地交流電壓不應超過15V），最高交流干擾電壓接近30V，如此高的交流干擾風險對管道的安全運行埋下了巨大隱患。

 

    檢測到交流干擾后，如何設計緩解地床來將交流干擾緩解到允許的程度，是目前要解決的關鍵問題。由于交流干擾問題較為復雜，要進行準確的排流設計，需要借助相關軟件。目前世界上對于交流干擾預測與排流設計比較權威的軟件是加拿大SES 公司研發的CDEGS 軟件包。該軟件包可以進行精確復雜的接地設計、電流分布計算、電磁場及電磁干擾計算、土壤結構分析以及雷電/ 雷涌等模塊。筆者研究團隊利用該軟件對上述管道交流干擾緩解方案進行了優化計算，確定了緩解方案，目前一期、二期緩解方案都已成功實施，獲得了預期的緩解效果。

 

    燃氣管網陰極保護及干擾數據遠程監測技術

 

    傳統的陰極保護電位檢測方法是由陰保工或巡線員手持萬用表或電壓表在管道沿線測試樁處逐一進行測量，這種方法費時費力，尤其對于需要長時間連續監測的位置，并且不便于及時發現存在的問題，若將先進的數據遠程監控技術應用于陰極保護電位數據的自動檢測與傳輸，將大大提高維護管理水平，節省勞動力。對于遠程監控技術，自上世紀80 年代起國內外開發了不同傳輸技術的陰極保護遠程監控和測量的產品，隨著地理信息系統及信息傳遞技術的發展，陰極保護遠程監控技術也得到相應地發展。目前采用基于GIS 的實時監視控制和數據采集系統作為管理的運行管理平臺，已在如美國、英國、挪威、丹麥等國家的管道普遍使用。可實現數據記錄、設備查詢、日常管理確定敏感區域的管道位置， 以便發生故障時能及時提供相關的詳細資料。

 

    陰極保護信息的傳輸方式可以簡單分為有線和無線兩大類， 其中有線通信主要包括電力載波通訊、架設光纜、電纜或者租用電信電話線、DDN、ADSL 等，而無線包括短波通信、微波通信、擴頻通信、衛星通信GPS、GSM 短信/GPRS 通信等。在管道行業， 由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此架設光纜和鋪設電纜的難度較大，不太符合情況。而向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監控點線路難以到達，另外采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，總之采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高、不便于大規模使用。與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點。

 

    為了能夠進一步提高陰極保護管理水平，適應數字化管道建設的要求，筆者所在研究團隊與國內相關單位合作將陰極保護電位測試探頭與無線傳輸技術相結合開發了陰極保護數據遠程無線傳輸系統。該系統包括遠程數傳終端、無線傳輸網絡和主站服務器三部分。將該系統安裝于埋地燃氣管網上，能夠實時顯示陰極保護通/ 斷電電位數據，對保護不足或欠保護的位置能夠以紅色報警信息高亮顯示，并能對歷史數據進行作圖和數據分析，顯示結果如圖8 所示。
 

 

    陰極保護數據無線傳輸和遠程監控系統是集成了陰保檢測技術、智能儀表技術、無線通信技術和計算機網絡技術等多學科領域的數據監測系統。該系統可完成陰極保護及干擾數據的自動檢測及預處理、無線數據傳輸和服務器數據管理等功能，該技術的推廣應用對于提高國內燃氣管網防腐管理水平具有重要意義。

 

    結語

 

    隨著埋地燃氣管網建設規模的擴大以及服役環境的日益復雜， 其面臨的安全問題也日趨嚴峻，為了保證城市燃氣管網的安全， 減少腐蝕泄漏事故發生，先進的陰極保護優化設計、遠程監測及交直流干擾防護技術亟待在實際生產中推廣應用，并在應用中不斷完善。

 

    陰極保護的數值模擬計算技術不僅可以用于陰極保護系統的優化設計、效果評價，還可用于陰極保護電位分布規律的研究以及雜散電流防護方案的制定；陰極保護數據遠程傳輸和控制技術可直接用于陰極保護效果評價和陰極保護系統的維護管理中，這兩項技術對于提高陰極保護的設計和管理水平具有重要的意義， 但作為新興技術，在數據的準確性、系統的穩定性、可靠性方面尚待進一步的完善，如陰極保護數模計算的計算邊界尚待進一步研究并建立相應的數據庫，陰極保護測試探頭的結構、功能、壽命、測試準確性尚待進一步研究，無線傳輸系統的穩定性也尚待進一步完善。在不斷進行技術完善的同時，要注重與實際生產的結合， 以實際應用中發現的問題作為技術和產品完善的方向，同時利用實際應用來對新技術和新產品進行檢驗。新技術和新產品的開發只是一個起點，將這些技術和產品真正應用于實際生產中，才能發揮出其應有的價值。此外對于交、直流雜散電流的判別、檢測及排除，我國近年來無論在觀念認識，還是科學研究和實際工程中都有了一定的發展，但圍繞交、直流干擾的一些根本性問題， 如動態直流雜散電流的判別，交流腐蝕機理以及交、直流干擾的有效排除技術，由于國際上也尚處于探索階段，我國目前大多參照國外標準、研究結果或推薦作法，沒有取得突破性的研究進展， 故圍繞交、直流干擾腐蝕機理、判斷指標以及防護技術尚待進一步深入研究。

    詳情可見腐蝕防護之友雜志2015年6月第3期