大規模、遠距離的西氣東輸、西電東送已成為我國能源運輸的基本格局，同時為了實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標，全社會用電量大幅度提升，預測至2050年我國總用電量將達到16萬億千瓦時。

高壓直流輸電（HVDC）是一種適用于遠距離的高效輸電方式，具有輸送容量大、距離遠、效率高等技術優勢，隨著用電量的逐步上升，高壓直流輸電工程也會大幅度增加。

我國電力輸送線路與天然氣輸送管道線路存在高度重合，比如西氣東輸管道與哈密南-鄭州800 kV特高壓直流輸電系統的哈密接地極距離為44 km，且與管道長距離并行；500 kV貴州至廣東第二回直流輸電工程與800 kV云南至廣東特高壓直流輸電工程受端換流站共用魚龍嶺接地極，魚龍嶺接地極附近20 km范圍內有西氣東輸管道約18 km。

我國高壓直流輸電系統運行過程中多采用雙極系統，但在運行初期或發生故障和檢修時采用單極大地回路運行模式，此時大地作為一根導線加入到輸電系統中，電流從受端接地極流出，經大地返回到送端接地極，入地電流為系統額定直流電流，其數值會達到幾千安培，對管道本體、防腐蝕層及管道附屬設施可能造成一定影響。

高壓直流接地極干擾的風險

高壓直流接地極單極大地回路運行時，部分入地電流經由大地被埋地管道吸收、傳遞、釋放，在此過程中可能對管道造成氫脆、防腐蝕層剝落、絕緣墊片/卡套兩端放電打火、管道設施對地直流電壓超過人體安全電壓限值（潮濕環境下為35 V）、陰極保護電源無法正常運行及管道本體腐蝕等風險。

目前，高壓直流接地極單極大地回路運行時，入地電流引起的管道瞬時腐蝕較嚴重且影響范圍廣泛，哈鄭特高壓直流輸電系統對西氣東輸管道的影響范圍達到400 km。當直流雜散電流流出管道，管道失去電子，管道基體發生腐蝕。高壓直流接地極運行時，受其干擾管道瞬時腐蝕速率較大，X80鋼在廣東土壤中的腐蝕速率高達10.63 μm/h，受哈密接地極影響的烏蘭管線的腐蝕速率達0.093 mm/a，根據接地極單極運行時測得的試片腐蝕速率估算得出西氣東輸二線管道受酒泉-湖南±800 kV特高壓直流接地極影響時的腐蝕速率為0.54 mm/a，遠大于ISO 15589-1:2015規定的0.01 mm/a。

由于我國高壓直流輸電系統建設時間短、維護得當，單極大地回路運行累積時長短，同時與高壓直流輸電系統共用路由的管道建設時間也較短，故目前現場管體開挖的數據顯示，由高壓直流干擾造成的管體實際腐蝕嚴重的案例較少，但由于我國高壓直流輸電系統的容量大、額定電流大，受高壓直流接地極干擾管道面臨的風險仍需持續關注。

當陰極保護系統正常運行時，微量陰極保護電流（μA/m2級別）流入管道，在高壓直流輸電接地極單極大地回路運行時，部分入地電流流入管道，致使管地電位大幅負向偏移，金屬表面發生析氫反應，產生大量氫原子。大量氫原子可能使高強度鋼產生氫脆，從而使高壓管道存在泄漏風險，管道鋼強度越高，管地電位越負，管材發生氫脆的可能性越大。

我國管道建設起步相對較晚，但管線鋼強度等級較高，以X80鋼為代表的高強度油氣管線鋼總里程達到1.7萬公里，約是國外X80管道總長度的兩倍。有研究發現在-150~-50 V外加直流電壓下，X80管線鋼的氫脆敏感性先增大后減小再趨于穩定，在-100~-80 V范圍內達到最大。另據文獻報道，高壓直流接地極單極大地回路運行時，管地電位最高超過-200 V，若不采取防護措施，管道可能面臨氫脆風險。

陰極保護系統正常運行時，陰極（管道）表面將在管道/土壤界面發生陰極吸氧反應。高壓直流接地極干擾時，大量電流流入管道，管地電位負向偏移，上述吸氧反應加速，金屬表面氫氧根離子含量急劇增加，堿性顯著增強，這可能引起管道防腐蝕層的陰極剝離，特別是在役時間較長的管道，防腐蝕層與管道結合力減弱，防腐蝕層發生陰極剝離的可能性更大，典型的陰極剝離形貌如圖1所示。

圖1 防腐蝕層陰極剝離宏觀形貌

大量電流進入管道除了對管道本身及防腐蝕層產生影響，還可能引起閥室內絕緣卡套、引壓管出現燒蝕現象。絕緣卡套的絕緣耐壓性能下降后，其內部可能出現持續放電燒蝕。

有研究表明，當引壓管間電位差超4 V時，引壓管間存在打火放電燒蝕風險，接地極附近管道陰極保護系統的恒電位儀可能出現部件燒蝕或運行異常。部分地區接地極對管道影響嚴重，管地電位值較大，引壓管間電位差不僅遠超4 V，存在放電燒蝕風險，同時還遠超35 V（GB/T 3805-2008規定的潮濕環境下人體的安全電壓限值），比如華南地區某接地極對周圍管道干擾時通電電位最正至304.4 V、最負至-218.2 V，管道附屬設施及人身安全均存在安全隱患。

在高壓直流接地極單極大地回路運行時，管道及其附屬設施可能面臨眾多風險，而且當管道防腐蝕層質量與使用環境不同時，管道受高壓直流接地極干擾的情況也會出現差異，故某一地區的干擾防護經驗無法照搬至其他地區使用，這大大提高了高壓直流干擾監檢測的工作量。

目前，對于高壓直流干擾監檢測，最常用的方法是監檢測管道的管地電位、腐蝕速率。主要采用試片法并結合智能電位測試儀監測高壓直流接地極單極大地回路運行時對管地電位的影響，同時采用失重試片法測量腐蝕速率。近年來，由于油氣管道里程及高壓輸電工程的增加，管道管理方與電網建設方越來越重視管道與電網之間的相互影響，越來越多的新型方法應用到管道及電網的建設中。

高壓直流干擾監檢測方法

對于已建管道，目前主要監檢測對象是受干擾管段的管地電位及腐蝕速率。通過管地電位變化情況判斷高壓直流接地極單極大地回路運行時入地電流對已建管道的干擾程度及范圍，通過腐蝕速率的大小判斷干擾的強弱，通過電位偏移方向判斷干擾電流的方向。此類測量一般采用失重試片法結合智能電位采集儀監檢測管地電位和腐蝕速率，或采用ER腐蝕探頭測試受干擾管段的腐蝕速率。

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高壓直流干擾檢測方法

接地極附近管道受到接地極單極大地回路運行干擾時，必然會出現干擾電流流入、流出管道的情況。當電流流入管道時，管地電位負向偏移，可能導致管道面臨防腐蝕層陰極剝離、氫脆等風險；當電流流出管道時，管地電位正向偏移，可能導致管道發生腐蝕。

測量腐蝕最直接的方法是根據內檢測或外檢測結果進行開挖驗證，對缺陷點的尺寸進行測量并估算腐蝕速率，但此方法工程量較大，測試頻次低。目前常用方法是模擬管道的運行環境采用失重試片或ER腐蝕探頭間接測量管道的腐蝕速率。

失重試片法測量腐蝕速率

根據試片埋設前后質量變化計算腐蝕速率，此時計算得到的腐蝕速率為平均腐蝕速率，計算公式為：v=(K·Δm)/(A·t·D)。

式中：K為常數（8.76×104）；t為腐蝕試驗時間，h；A為裸露面積，cm2；Δm為試片的質量損失，g；D為試片的密度，g/cm3。

試片裸露面形狀為圓形或方形，裸露面積一般為6.5~50 cm2（交流干擾試片裸露面積為1.0 cm2），試驗周期一般不小于1年，測試樁與管道通過試片連接，同批同類試片數量以3片為宜。

ER腐蝕探頭檢測腐蝕速率

失重試片法是根據試片埋設前后的質量損失得到腐蝕速率，屬于一次性測量平均腐蝕速率，其具有測量周期長、工程量大的缺點。ER腐蝕探頭一般用來實時、連續監測短時內的平均腐蝕速率。

ER腐蝕探頭屬于電阻探針。其原理是采用測量元件模擬涂層缺陷，因腐蝕減薄，厚度減小，測量元件的電阻增大，通過測試測量元件的電阻變化，獲得測試管道壁厚的腐蝕量。

ER腐蝕探頭可以連續測量不同時間段的平均腐蝕速率。有報道利用ER腐蝕探頭測試受哈密接地極單極大地回路運行影響管道的腐蝕速率，測量結果通過GSM/GPRS網絡無線傳輸至服務器，可實現遠程實時查看，并了解了管道在不同接地極運行模式下的腐蝕風險。還有研究人員利用ER腐蝕探頭與國家電網聯合檢測了酒泉-湖南±800 kV特高壓直流接地極干擾下西氣東輸二線管道的腐蝕速率。結果表明ER腐蝕探頭測試的腐蝕速率最大為0.54 mm/a，超過ISO 15589-1:2015標準規定的0.01 mm/a，NACE RP0775-2018規定的0.0254 mm/a。

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高壓直流干擾監測方法

高壓直流接地極干擾時，一般通過監測管道的通電電位、斷電電位，根據電位大小及變化情況判斷干擾的影響范圍以及是否有人身安全風險。

試片法監測直流干擾

試片法是利用陰極保護智能監測系統中的智能測試樁監測管道管地電位變化情況，并根據管地電位偏移情況判斷管道受干擾程度，根據管道沿線管地電位是否偏移確定干擾距離。

圖2為高壓直流接地極單極大地回路運行時某受干擾管道上智能測試樁的監測數據。當管地電位負向偏移時，可判斷此時干擾電流流入管道；當管地電位正向偏移時，可判斷此時干擾電流流出管道。通過沿線管道管地電位是否明顯偏移，可判斷受高壓直流接地極單極大地回路運行影響的管道長度。

圖2 管道受直流干擾時管地電位變化情況

地電位梯度法監測直流干擾

直流電流通過接地極入地后，接地極與整個大地都將呈現一定的電位，地電位從接地極導體上方的地面向遠方遞減，越靠近接地極極環，地電位等位線越密，通過監測管道附近的地電位梯度可以判斷管道的受干擾程度。但地電位梯度易受土壤電阻率、其他干擾電流以及局部漏電或管道附近電場的影響，因此目前地電位梯度的重現性不好。

恒電位儀輸出監測直流干擾

正常情況下，恒電位儀以恒電位模式運行，若受到較強的動態直流雜散電流干擾，則以恒電流模式運行，當同時受到高壓直流接地極干擾與地鐵雜散電流干擾時，恒電位儀的自動調節功能將無法滿足抑制雜散電流干擾的需求。對于同時受到動態直流干擾和高壓直流接地極干擾的管段，一般安裝具備快速調節功能的新型智能抗干擾恒電位儀。當高壓直流接地極單極大地回路運行時，大量電流流入管道，使管道電位負于設定值，恒電位儀就會減少輸出甚至輸出為0，當電流流出管道，管道電位正向偏移，恒電位儀輸出顯著增加。從恒電位儀的輸出變化情況可以間接監測高壓直流接地極的單極運行情況。

上海天然氣管網有限公司的某管段由于同時受到地鐵雜散電流干擾和高壓直接接地極干擾，對其安裝了新型智能抗干擾恒電位儀。當管段受到干擾時，恒電位儀能夠快速改變輸出，對陰極保護系統所需電流進行調節，如圖3所示。

圖3 智能抗干擾恒電位儀電流輸出變化

由圖3可見：當管段未受到干擾時，智能抗干擾恒電位儀輸出電流穩定；當附近接地極陽極運行時，若電流流入管道，管地電位負向偏移，智能抗干擾恒電位儀電流輸出迅速降低，甚至降至0；當接地極陰極運行時，若電流流出管道，管地電位正向偏移，智能抗干擾恒電位儀迅速增加電流輸出，減緩管道的腐蝕，實現對管道陰極保護系統自動調節；當僅存在地鐵干擾時，智能抗干擾恒電位儀仍能對陰極保護系統的電流需求進行自動調整。

管道電流監測直流干擾

通過監測管道中電流變化也可以達到監測管道是否受到明顯直流干擾的目的。傳統方法是采用電流測試樁得到管道電壓偏移與電流的關系，即標定系數CF（單位是A/mV），然后根據管道受干擾時管道電壓偏移量的監測數據，計算得出管道電流。但隨著技術發展，目前主要采用電流環的方式直接監測管道電流變化情況（圖4），結合無線傳輸系統，可以實現遠程、實時監測管道電流變化。

圖4 電流環測試管道電流

智能遠傳監測系統

2019年12月9日，國家石油天然氣管網集團有限公司成立，“打造智慧互聯大管網”是國家管網集團的戰略目標之一，為響應此戰略目標，各管道公司著力打造智慧互聯大管網，因此智能監測系統也逐漸進入陰極保護領域。智能遠傳監測系統是在試片法與ER腐蝕探頭的基礎上進行改進，實現自動監測并把監測的數據傳輸到服務器，服務器根據檢測得到的電參數自動判斷是否存在腐蝕風險并提醒技術人員，智能遠傳監測系統不僅減少了人工測量的工作量，還能實時提醒工程技術人員管道沿線是否存在高壓直流干擾。

結束語

目前，高壓直流干擾監檢測的對象主要集中在管道本身，但對管道防腐蝕層及附屬設備的監檢測較少，高壓直流輸電系統接地極單極大地回路運行時，絕緣接頭/絕緣卡套存在放電燒蝕風險、排流設施存在燒毀風險、防腐蝕層存在陰極剝離風險，故高壓直流干擾監檢測不僅要對管地電位、腐蝕速率等參數進行智能監檢測與管理，還應對以下設施進行監檢測：

(1) 絕緣接頭/絕緣卡套，氣液聯動閥等容易受到直流干擾時產生損壞的設備；

(2) 排流設施，確保排流地床、固態去耦合器等功能是否正常；

(3) 陰極保護系統的電氣設施等，如恒電位儀的燒損；

(4) 防腐蝕層剝離情況，目前尚無對防腐蝕層剝離的在線監檢測。

受到高壓直流接地極干擾管段的電位監測主要是依靠試片法，并結合智能電位采集儀實現監測數據的遠程傳輸，腐蝕速率的檢測主要依靠失重試片和ER腐蝕探頭，并逐步與智能監測系統結合。面對未來復雜的高壓直流輸電系統與管網，應逐步采用智能監測手段對高壓直流干擾進行監檢測，同時注重管道附屬設施的監檢測，逐步完成“打造智慧互聯大管網”的戰略目標。

隨著高壓直流輸電系統、特高壓直流輸電系統的建設，受影響管段里程日益增加，管道管理方與電網建設方在建設前應提前通過模擬計算的方法研究高壓直流接地極對管道腐蝕的影響規律，并提出了相應的防護方案，做到防患于未然。