（油气储运工程专业论文）高压输电线对埋地管道耦合干扰规律研究.pdf

h i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e so nb u r i e dp i p e l i n e s c o u p l i n gd i s t u r b a n c es t u d y w a n gs h u a i - h u a ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz i l i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h ee n e r g yi n d u s t r yh a sb e c o m e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o rt h et r a n s m i s s i o no fe l e c t r i c i t ya n dt h ee r e c t i o no fh i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h el a y i n go fo i la n dg a sa n dm o r ea n dm o r eo ft h em a n yb u f f e dp i p e l i n e c u r r e n th i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e si nt h ef r e q u e n c yo fr a d i a t i o no nt h ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l dn e a rab u f f e dp i p e l i n ei n d u c e dv o l t a g ec o m m u n i c a t ea n dc a u s ec o r r o s i o n t h i sp r o b l e m h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u si m p o r t a n c ef o rt h ep e o p l e h o wp r o t e c t i o n ，t r yt oa v o i ds t r a y c u r r e n tc o r r o s i o no ft h ep i p e l i n e ，a sw e l la st h ep r o t e c t i o no fp i p e l i n e s ，a sw e l la st h e c o r r e s p o n d i n gs u r r o u n d i n gw o r k ，a n dt h es a f e t yo fc i v i l i a n f a c i l i t i e st ob e c o m em o r ea n d m o r eo u rc o n c e m i nt h i sp a p e r , s o m ea s p e c t so ft h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha n da n a l y s i s ： ( 1 ) a n a l y s i so fh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e so nb u r i e dp i p e l i n e sc o u p l e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo fi n t e r f e r e n c ef r o mt h ei m p a c to fe x t r a c t i o no fb u f f e dp i p e l i n ei n d u c e dv o l t a g e i n t e r f e r e n c ef a c t o r s ，t oc o n d u c ta ni n d e p e n d e n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t od e t e r m i n et h e v a r i o u si n t e r f e r i n gf a c t o r so nt h ei m p a c to fv o l t a g es e n s o rc h a n n e l st h a tf o c u so nt h e i n t e r f e r e n c ef a c t o rf o rt h ep r o j e c tp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ( 2 ) t oc a r r y o u t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a tt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ， e x p e r i m e n t a la i r c r a f ti n t e r i o rs e tu pf o re a c ho ft h ei n t e r f e r i n gf a c t o r si nt h el a b o r a t o r yt o c o n d u c ta ni n d e p e n d e n tt e s t ，a n a l y s i so ft h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h ei n d u c e dv o l t a g eo nt h ei m p a c t o fp i p e l i n e ，i no r d e rt oi n t e r f e r ew i t ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h el a w ，a sw e l la ss u m m a r y t op r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i s ( 3 ) p r e p a r a t i o ns o f t w a r e ，a sw e l la si nt h et h e o r e t i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do n l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，f o rs e n d i n ga l o n gt h ee a s ts i c h u a ng a sp a r a g r a p h ss o i lc o n d i t i o n s ， e s t a b l i s h m e n to fc h u a ne a s t g a sp i p e l i n e s e c t i o n st os e n da l o n gw i t ht h ea d j a c e n t h i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n es e n s o rp r e d i c t i o ns o f t w a r e s i c h u a ng a st oe a s tp i p e l i n et o s e n dl a y i n gd r a i n a g e ，a sw e l la sf u t u r er e f e r e n c e k e yw o r d s ：h vt r a n s m i s s i o nl i n e ，p i p e l i n e ，c o u p l i n gd i s t u r b a n c e ，i n d u c e dv o l t a g e ，s o i l r e s i s t i v i t y ，c + + b u i l d e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：2 i f , 年皇月2 d 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：工哆年上月2 。日 i l ：i 期：砌7 年月加日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 前言 在现代化社会中，电力线已经分布在我们生活的每寸空间里。在有密集建筑群的地 区，因为缺少架空输电线路的通道，按照法规管理部门的规定，有必要更多的利用公共 的“能源公用通道 ，这造成线路频繁交叉或者相互接近，并且平行的多条电力线可能 延伸几公里，由此引起对周围建筑物的交流干扰。这不仅对管道维护人员构成威胁，对 阴极保护也有损害。 为避免人员受到伤害，防止设备遭受破坏，在管道和高压装置规划时就应当考虑如 何避免这类干扰，包括按照公共的“能源公用通道”规定安排管道与电力线走向，在管 道建设与运行中采取必要的预防措施，采用科学方法测定干扰下的管道电位与安全要 求。 随着国民经济的快速发展，能源工业已经成为其中的重中之重，为输送电力而架设 的高压输电线和为输送石油和天然气而敷设的埋地管道越来越多。高压输电线中的电流 辐射产生的工频电磁场会对附近的埋地管线感应出交流电压，并引起交流腐蚀。这个问 题变得日益严重并为人们所重视。如何防护，尽量避免杂散电流对于管道的腐蚀，以及 保护管道以及周边相应工用，民用设施的安全，成为我们越来越关注的问题。 继“西气东输”后，我国管道铺设已经进入一个发展的高峰时期，“川气东送”是 支持东部长江三角洲经济发展，解决上海，江苏等一系列地区对于天然气需求日益增大 的一个重要工程。一旦工程建设完成，即可极大的缓解当地的能源需求，为我国经济保 持快速稳定增长提供有力的保障。 “川气东送 工程西起四川达州市，东至上海，途经重庆、湖北、江西、安徽、江 苏、浙江，从川东到上海的干线管道全长1 7 0 2 公里，是我国天然气基干管网的重要组 成部分。普光作为川气东送工程的主力气田，已探明储量3 5 6 1 亿立方米，是目前南方 海相领域规模最大的整装气田，并具有良好的资源前景。为基本形成覆盖全国的天然气 基干管网创造条件川气东送工程的建设，为中东部地区管线联网创造了条件，也为在 2 0 1 0 年以前基本形成覆盖全国的天然气基干管网创造了条件。我国天然气开发利用程度 还不高。更多大气田的发现和更多天然气管网的建设，使我国的天然气产业发展进入黄 金时期，步入快车道。在如此长度的天然气管道的铺设过程中，难免会遇到问题，而且 在跨度上，从四) t i n 上海所经过的地域，其中地质条件，气候条件差异巨大。土壤，温 第一章绪论 度，湿度变化非常频繁，不仅对于铺设管道的施工技术要求非常严格，并且对日后的管 道维护保养都提出的很高的要求，在管道防腐和维护中，一定要切合沿途不同的地质地 况进行腐蚀程度分析，提出适合当地条件的防腐技术和要求，为今后安全输气作出有力 保证。如何提出一个可行的具体实施方案，建立一个可信的数据采集档案，是保证在今 后维护和故障处理中不可缺少的重要条件。现在要求针对“川气东送”沿线做出杂散电 流对于埋地管道的影响合理评估，并且做出相应的测试，进行多方面具体实验研究，建 立试验模型分析可能出现的情况，是十分必要的，并且对于今后的管道铺设提供了可以 参考的依据。 1 2 国内外对于高压输电线对管道干扰影响发展 国际上对管道交流干扰研究始于5 0 年代初期，随着长距离管道电力线和交流制电 气化铁路的发展，它们之间的相互干扰问题逐步为人们所重视。国际大电网会议 ( c i g i 迮) 、世界煤气会议( i g v ) 、国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 等都讨论通过 此课题，并且还例如其工作日程。各国有影响的刊物如n a c e 的“性能材料 、j a c e 的“防腐技术 、国际管道杂志( 3 r ) “等都发表过许多论文和研究报告。但是由于课题 设计的学术领域广，难度大，至今尚未得到定论。 我国关于交流干扰的研究始于7 0 年代，1 9 7 2 年四川石油管理局在成都一德阳输气管 道上测得1 2 v 的交流干扰电压，1 9 7 3 年进一步进行了现场测试，确认了干扰的，并开 始了交流干扰的研究。东北输油管理局在其所辖铁岭秦皇岛输油管道上，测得高达5 7 v 的交流干扰电压。1 9 7 8 年，又对2 0 0 0 余公里输油管道进行交流干扰普查。此后，我国 有关生产部门及科研院校深入开展交流干扰和防护技术的研究，在工业应用和学术上都 取得了显著成果。交流干扰的干扰源，主要是交流电气路和电力架空输电线路。其中， 处于经济的理由，6 0 年代在我国的广大农村，敷设了为数不多的两线一地制线路。这种 制式的电力线路，相当于单相接地故障下运行，所引起的交流干扰异常突出。虽然两线 一地制路线未得到更大的推广，但是能存在于我国农电线路中，从而对邻近的埋地管道 等地下建筑物造成交流干扰及危害【1 】【7 】i a l 。 1 3 课题研究主要内容 本文重点研究在“川气东送”管道铺设过程中高压输电线对埋地管道的耦合干扰规 律，通过建立实验架，模拟现场进行试验，得出在有不同具体情况下的高压输电线的交 流干扰源时对于埋地管道的磁电耦合干扰，依据实验及现场实测数据得出合理的规律总 中国( i 油人学( 华东) 硕上学位论文 结，并为如何进行杂散电流的防护以及排流提出理论和实践依据。 具体研究内容 ( 1 ) 建立实验架，模拟高压输电线与埋地管道在现场实测干扰源的位置关系，进 行数据采集尤其是对超高压输电线的仿真模拟，确定实验架的数据测试的准确性以及现 场模拟的可行性。 ( 2 ) 实验架建立完毕后，主要工作是模拟实验高压输电线与管道平行、垂直交叉 时候两种工况下，高压输电线路对管道的磁电耦合干扰情况。进行数据采集，用建立数 学模型的方法得出干扰的实验规律总结。 ( 3 ) 模拟出高压输电线对管道耦合干扰情况后，进行分类情况研究，确定输电线 架空高度、电路与管路间距、电压、电流强度、交流频率、土壤性质等与管道受电流干 扰程度的关系，通过对于上述关系的总结进一步提出相应的具体干扰规律，用实验的方 法来判定在特定的条件下，高压输电线对埋地管道的实际影响。 第- 二章杂散电流的危害以及成因 第二章杂散电流的危害以及成因 2 1 杂散电流概述 随着能源工业的发展，使为输送电力而架设的高压输电线和为输送石油和天然气而 敷设的管道越来越多。高压输电线中的电流辐射产生的变频电磁场会对附近的埋地管线 感应出交流电压，并引起交流腐蚀。这个问题变得日益严重并为人们所重视。管道越接 近供电系统，杂散电流的腐蚀越严重。尽管交流电干扰引起的腐蚀要比直流电干扰的强 度小得多( 大约为直流电的1 或更小) ，但是当高压输电线与管道平行架设时，由于静 电场和交变磁场的影响，在钢管上感应出交流电压和电流，对管道的危害则是不可疏忽 的。尤其是在交直流叠加的情况下，交流电的存在可引起电极表面的去极化作用，造成 腐蚀加剧，形成穿孔。同时交流干扰还可以加速绝缘层的老化，特别是在防腐层的破损 处，易引起防腐层的剥离。交流干扰还会使阴极保护无法在控制电位的范围内正常进行， 使牺牲阳极发生极性逆转，电流效率降低。故障情况下，可对管道造成危险影响，甚至 会危及操作人员的安全。所以对交流干扰的危害应当引起足够的重视f 2 】f 3 】【4 】。 杂散电流，又叫迷走电流。它的定义是“e l e c t r i c a lc u r r e n tt h r o u g hap a t ho t h e rt h a nt h e i n t e n d e dp a t h ”。这个定义比较客观而生动的阐述了杂散电流的特点。可以这样理解：只要 是没有按照期望的路径流动的电流，都可以叫它杂散电流。例如在轨道交通运输系统中。 在理想状态下，由牵引变电站送出的电流经过架空线进入列车，然后由铁轨回到变电站， 可以形成一个封闭的回路。但是，在实际运行过程中若铁轨之间联结不好，接头处电阻 过大，或者轨道与地面绝缘不良等因素都会造成电流的泄漏，这些泄漏的电流就是杂散 电流【1 o 】( 1 l 】【12 1 。 按照产生杂散电流的电流源，可以把杂散电流分为三类： 第一类：直流杂散电流。杂散电流由直流电流源产生。主要出现在地铁， 直流电焊机和阴极保护系统当中。 第二类：交流杂散电流。主要发生在高压输电线中。 第三类：由于地球自身的磁场而引起的。 杂散电流会加速金属的腐蚀。例如上面介绍的轨道交通传输系统。当在铁轨附近埋 有自来水管、煤气管、输油管线等其它结构物时，都容易引起这些结构物的腐蚀。金属 遭受腐蚀损失的数量和从金属释放出杂散电流的数量成比例。用法拉第定律( 2 1 ) 可 以得到物体因杂散电流腐蚀而失去的金属的重量。 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 w ：丝， 砌 ( 2 1 ) 形为金属溶解的克数；m 是金属的原子量；玎是金属离子的电荷( 腐蚀作用中金属的 原子价) ；f 是法拉第常数( 9 6 ，5 0 0 库仑) ；，为腐蚀电流( 安培) 1 3 】。 2 2 杂散电流产生的原因 杂散电流容易受到周围环境的各种因素的影响，是一个不稳定的物理量。产生它的 原因很复杂，种类也很多，但一般都可以归结为以下两点【2 1 】【2 2 1 。 第一、电流泄漏。电流泄漏是产生杂散电流的一个主要原因。电流泄漏主要是由于 接触或者绝缘不好等原因造成的。因为一旦有电流泄漏，在这些泄漏电流的作用下，会 导致金属结构物中的自由电子发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。如果这些 金属结构物的周围是电解质环境，那么结构物中的金属阳离子就会脱离金属，进入电解 质中去，这样金属就遭受了腐蚀。 仍然以轨道运输系统来进一步说明这样的杂散电流腐蚀过程。在轨道运输系统中， 采用走行轨回流的直流牵引供电系统，接触网与牵引变电站的正母线连接，牵引变电所 输出的直流电经导电轨和架空线送入电动车组，流经电机电器后经走行轨回流，再经连 接在走行轨上的导线回流到变电所负母线。走行轨具有纵向电阻，因此从运行车辆至变 电站负母线之间的回流走轨上就产生电压降，车量附近的走行轨电位相对高一些，形成 轨道阳极区，就有正向泄漏电流流入大地铁隧道混凝土结构中电阻较低的钢筋，电流就 沿着钢筋向低电位的区域流动。接近回流点附近的地区轨道电位比较低，为轨道阴极区， 结构钢筋中的杂散电流又可能再回流走行轨。因为地下埋设的钢筋，管道周围总有比较 潮湿的电解质物质，杂散电流在金属与电解质之间流动就加速了金属失去电子游离成金 属离子，形成了类似于电解过程的腐蚀现象。 第二、电位梯度。电位梯度是产生杂散电流的另外一个主要原因。如果某一金属结 构物置于一个电场中，而且这个电场的电位分布是不均匀的，存在电位梯度，这样这个 金属结构物就容易遭受杂散电流的腐蚀。具体原因如下。因为电场中有电位梯度，会对 放于其中的带电粒子( 金属中的自由电子) 产生电场力，在电场力的作用下，金属内部的 自由电子就会发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。如果金属结构物所处的环 境是电解质环境，金属阳离子就会脱离金属结构物而进入到电解质环境中去，造成金属 结构物的腐蚀i 引。 例如地下管线的阴极防护系统( 图2 1 ) 。地下管线经常使用阴极防护系统来防护管 第二章杂散电流的危害以及成因 线的腐蚀，阴极防护系统本身会在它周围一定范围的区域内产生一个电场；如果这时刚 好有另外一根金属管线通过这个电场区，金属管线上离阴极防护系统较远的部位电位比 较正，而离阴极防护系统比较近的部位电位比较负，这样就在这个金属管上产生了电位 差。在这个电位差引起的电场力的作用下，就会有自由电子在金属管内发生定向移动： 土壤环境大多是电解质环境，这样最终导致金属阳离子进入周围土壤中，造成金属管线 的腐蚀。 近管线 的瞥娩 图2 - 1 管线置于阴极保护系统引起的电场区域内示意图 f i 9 2 1p i p e l i n ec a t h o d ep r o t e c t i o ns y s t e ma tt h ee l e c t r i cf i e l da r i s i n gf r o mt h er e g i o ns c h e m a t i c d i a g r a m 交流干扰作用于埋地管道，按其干扰电压作用的时间，可分为瞬间干扰，间歇干扰 和持续干扰2 1 。 ( 1 ) 瞬间干扰强电线故障时产生的电压可达几千伏以上，由于干扰电压作用的 持续时间在l s 以下，故称瞬间危险干扰电压。此电压对人身安全和设备均可构成危险， 高压电还会引起管道防腐层击穿，在管道与电力系统接地极距离不当时，还会产生电弧 通道，引起管壁烧穿事故。 ( 2 ) 间歇干扰在电气化铁路附近的管道上，因感应而产生的干扰电压从几伏、 几十伏，一直到几百伏，其作用时断时续，随电气铁路馈电网负载变化。 ( 3 ) 持续干扰高压输电线路运行时，在管道上感应产生的交流电压，可由几伏 到几十伏到几百伏。其作用时间长，只要高压输电线路上有电流，管道上就有感应电压， 埋地管道则会在此干扰电压下产生交流腐蚀。 6 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 2 3 交流腐蚀与自然腐蚀的区别 交流腐蚀过程和自然腐蚀有着很大的不同，主要有以下几点f 3 】： 交流腐蚀是在外界电场作用下进行的，这个外施电场比起自然极化过程的内电 场，在强度上要大的多。现场感应产生的交流持续干扰电压的幅值比起电极本身的直流 的自然极化电位高1 0 1 0 0 倍。 交流腐蚀是在大小和方向变化的电场作用下进行的电化学过程。交流电变化周 期，在工频时只有o 0 2 秒，比起一般腐蚀的电化学反应时一间要小几个数量级，即是说 这个交变过程是极为迅速的。 在变化迅速而强度又相当高的电场作用下，有一些化学反应发生的可能性( 或者 说或然率) 增大了，一些反应由缓慢变的较快，也就是说，在交流电影响下内部电化学 腐蚀过程发生了变化。 在外界强电场作用，电流强度是决定交流腐蚀的一个重要物理量，它和地下管道， 金属结构物的表面状况和形状有关，并和介电系数成正比，而且，随漏敷表面积增大而 减小。由于土壤是不均匀介质，管道绝缘层的泄露状况大不一致，再加上腐蚀过程中， 管道表面会变的十分粗糙，这就使得电场变的非常不均匀，从而造成了强电场处的集中 腐蚀。交流的集中腐蚀比直流更明显。 在交流电场作用下双电层构成的等效电容具有分流作用，使得视在交流电流量比流 过反应电阻的有效分量大。交流腐蚀是一个变化迅速而强度又甚高的电场作用下进行的 电化学腐蚀过程，由于这个电场的不均匀，其集中腐蚀甚为突出。 交流电引起的腐蚀要比直流电干扰的强度小的多，大约为直流电的1 或更小。但 是当高压输电线与管道平行架设时。由于静电场和交变磁场的影响，在钢管上感应出交 流电压和电流，对管道的危害则是不可忽视的。尤其在交直流叠加情况下，交流电的存 在可引起电极表面的去极化作用，造成腐蚀的加剧，形成穿孔。同时，交流干扰还可加 速绝缘层的老化，特别是在防腐层的破损处，易引起防腐层的剥离。交流干扰还会使阴 极保护无法在控制电位的范围内正常进行，使牺牲阳极发生极性逆转，电流效率降低。 故障情况下，可对管道造成危险影响，甚至危及操作人员的安全。因此，交流干扰也日 益被人们所重视i l 】。 2 4 交流干扰的成因 油气管道与高压输电线路，交流电气化铁路平行或接近敷设时，平行或接近的管段 7 第一二章杂散电流的危害以及成因 上就会产生感应电压，这种感应电压被成为交流干扰电压，其成因主要有以下三种( 下 章将进行详细比较介绍) 1 1 】： ( 1 ) 静电场影响：强电线路与金属管道由于静电场的作用，通过分布电容耦合引 起管道对地电位升高。这种影响只在地面管道或正在施工的管道上才会出现。 ( 2 ) 地电场影响：管道处于地电位变化剧烈的土壤中，所引起的管地电位升高叫 地电场影响这主要是地中电流引起的耦合现象。即高压输电线路出现故障时的短路电 流，电气化铁路或两相一地电力线路的泄漏电流流入大地中造成的地电场影响。 ( 3 ) 磁感应耦合：磁感应耦合也称磁干扰，它是因交变相电流周围产生磁场作用 而在管道上产生的二次交流电压或电流，也称磁干扰或磁感应。 其原理为，当电流在一条相导线中流动时，在导线周围产生了磁场，这个磁场同时 存在于空气和邻近的大地中，对于导线中流动的交变电流而言，它产生的磁场并不是静 止的。这个磁场先在导线周围变动，然后以交流系统的固有频率为函数的速度从导线横 向向外扩展。 埋地管道交流感应电压的产生，是源于高压输电系统的三种耦合方式。即：容性耦 合，磁感应耦合和阻性耦合。潜油电泵井的套管和电缆平行，根据法拉第电磁感应定律， 处于交变电磁场的套管相当于切割磁力线的金属导体。运动着的变化的磁场在导体上感 应出交变的电压，产生出感生电流。这一耦合原理如同变压器。套管上产生感生电动势 的大小取决于管道与输电线平行的距离长度，距离越长，对地感应电压就越高，对管线 的影响越严重。磁感应电压和电流的大小，由以下因素决定： l平行于强电线路的管道长度 2 输电系统中( 不平衡) 电流的大小； 3 输电系统的频率；， 4 产生感应的导线和管道间的距离； 5 管道覆盖层电阻； 6 管道所处位置土壤电阻率； 7 钢质管道纵向阻抗； 8 干扰源系统的性质( 单相、三相、中性点接不接地等) 。 在三相输电系统中，如果三相电流相等，而且三相架空导线与管道轴向距离相等， 在管道上产生综合感应电压为零。但在大多数结构中，三相导线与管道是不对称的，而 且零序电流并不为零，使得磁感应现象不可避免。它是强电线路对管道感应影响的主要 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 形式。 三相平衡运行的输电线路，其零序电流为零，外部的影响磁场也为零，在管道和三 相线间有一个足够大的距离时，磁感应可以忽略，这是目前遇到的大多数实际情况。 2 5 交流腐蚀机理 交流腐蚀的实质问题是电化学问题，因此，交流腐蚀归根结底为交流电流影响下的 腐蚀原电池作用的结果，根据国外资料，铂在直流电解时，即使处在阳极电位上，它也 不溶解于稀硫酸：在交流电解下也不溶解于稀硫酸，但是在阳极电位上叠加交流后，铂便 溶于稀硫酸了。这里的交流起了去极化的作用。 交流电对金属的阳极的溶解的作用比较复杂，可以从腐蚀电化学理论加以解释。若 金属的阳极溶解遵循塔菲尔方程，而且在金属受到交流电作用时，金属的阳极溶解反应 的动力学机构不发生变化，交换电流密度和塔菲尔斜率都保持不变。 由于川为非线形状态，是e 的指数关系，所以，随e 值的改变按指数函数变化。 在交流电的负半周时，衄是负值，腐蚀金属的电极电位自e 。往下降，电位的最低点是 e y ，在这半周内，金属的阳极溶解电流密度降低。反之，在正半周时，电位最高点 是e + y ，金属的阳极溶解电流密度增加。但由于b ，曲线的非线形，在正半周内的平均 增加量比负半周内，的平均减少量大，总的结果引起金属的阳极溶解速度增加。 但实际上交流电的影响已不止此，交流电可以使金属活性阳极溶解时尾，的数值 减少或使金属的钝化困难。这意味着，交流电还影响了金属的阳极溶解反应机构，使得 溶解反应容易进行。这样，就使得交流电加速金属阳极溶解过程的效应，比单从它对金 属电位的影响考虑的结果还要大【冽【2 6 】1 2 8 】。 从电化学腐蚀原电池理论来解释交流腐蚀，也就是在腐蚀原电池的3 个条件之外， 再加上交流电流条件，即： 必须存在不同电极电位的两电极： 两电极必须有导线连接； 两电解必须共存与同一电解质体系里； 两电极间存在有交流电流【1 5 】。 2 6 交流电腐蚀的电场强理论 交流腐蚀是在外界电场作用下进行的，这个外施电场比起自然极化过程的内电场， 在强度上要大的多。现场感应产生的交流持续干扰电压的幅值比起电极本身的直流的白 9 第二章杂散电流的危害以及成闪 然极化电位高1 0 - - - 1 0 0 倍并且交流腐蚀是在大小和方向变化的电场作用下进行的电化学 过程。交流电变化周期，在工频时只有0 0 2 秒，比起一般腐蚀的电化学反应时间要小几 个数量级，这个交变过程是极为迅速的。在变化迅速而强度又相当高的电场作用下，有 一些化学反应发生的可能性( 或者说或然率) 增大了，一些反应由缓慢变的较快，也就是 说，在交流电影响下内部电化学腐蚀过程发生了变化。 在外界强电场作用下，电流强度是决定交流腐蚀的一个重要物理量，它和地下管道。 金属结构物的表而状况和形状有关，并和介电系数成正比，而且，随漏敷表面积增大而 减小。由于土壤是不均匀介质，管道绝缘层的泄露状况大不一致。再加上腐蚀过程中， 管道表面会变的十分粗糙，这就使得电场变的非常不均匀，从而造成了强电场处的集中 腐蚀。交流的集中腐蚀比直流更明显。交流腐蚀是一个变化迅速而强度又甚高的电场作 用下进行的电化学腐蚀过程，由于这个电场的不均匀，其集中腐蚀甚为突出。 在交流电场作用下双电层构成的等效电容具有分流作用，使得视在交流电流量比 流过反应电阻的有效分量大。 对于涂有沥青的试片，电场强度与干扰电压，暴露面积，介电系数的大小和表面的 形状有关。干扰电压越大，双电层充电量加多，电场强度随之增大。由于电流线的屏蔽 效应，泄露面积越大，电流强度与电场强度就愈小。根据电位随距离变化的关系，当泄 漏面积很小，距离试片很近时，地电位就接近于零，这时在试片附近，电位梯度很大。 曾有实验表明：当泄漏面积越大，地电位降为零的距离越长。从而试片附近的电位梯度也 就越小。因此试片附近的电场强度越小。这就是为什么“电流密度随泄露面积的减小 而增大的原因。 土壤介质是不均匀介质，这种不均匀性随泄漏表面的增大而逐渐增加。由于土壤介 质不均匀，各点的介电系数，电导系数以及金属的表面状况不_ 样。在某些点，各点因 素促成其电场强度比其它的点大几倍甚至十几倍，这些点的腐蚀条件最具备，首先发生 腐蚀。这就是集中腐蚀比较突出的原因。 由于交流腐蚀坑深决定于电场强度或点电流密度。它们随泄漏表面的减小而加大。 所以一般绝缘质量好，但有针孔状泄漏的管线，其腐蚀穿孔的危险性大于泄漏面积大的 管线或裸管线。牺牲阳极在交流电的作用下，保护性能都要受到影响，根据资料显示， 镁阳极受交流干扰的最大，严重时会产生极性逆转，不但不起作用，反而会加速腐蚀。 曾经根据实验现象和实验结果，提出用电场强度理论来观察研究交流腐蚀，至少这 种腐蚀机理解释了日前实验的结果。 i o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据微分电路的欧姆定律：点电流密度万和电场强度e 之间有如下关系( 2 - 2 ) p j ： 万= 厂e ( 2 2 ) 其中? ，为电导率。它决定于单位体积内离子数。对于涂有沥青的试片，电场强度与 干扰电压，暴露面积，介电系数的人小和表面的形状有关。干扰电压越大，双电层充电 量加多，电场强度随之增大由于电流线的屏蔽效应，泄露面积越大，电流强度与电场强 度就愈小。根据电位随距离变化的关系，当泄漏面积很小，距离试片很近时，地电位就 接近于零了。这时在试片附近，电位梯度很大。当泄漏面积越大，地电位降为零的距离 越长。从而试片附近的电位梯度也就越小。因此，试片附近的电场强度越小。这样，根 据上面的公式就可得出：电流密度随泄露面积的减小而增大的结论。 同时用电场强度理论也可解释交流腐蚀的特征，集中腐蚀比较突出的原因。土壤介 质是一不均匀介质，这种不均匀性随泄漏表面的增大而逐渐增加。由于土壤介质不均匀， 各点的介电系数，电导系数以及金属的表面状况不一样。在某些点，各种因素促成其电 场强度比其它点大几倍甚至十几倍，这些点的腐蚀条件最具备，首先发生腐蚀。这就是 集中腐蚀比较突出的原因。 交流电腐蚀的电场强度理论归根结底要归结为电流密度对交流腐蚀的影响。关于电 流密度对交流腐蚀的影响，通过试验测试的交流电流密度值以及所产生的腐蚀率可看 出，电流密度的影响非常显著，并且有试验结果表明：只有在相当高的电流密度下才发 生交流腐蚀。但在地下的管道材料，其外部有绝缘保护i 只有在绝缘保护层破损处才与 土壤中的电流进行交换，在此情况下，即使土壤中的电流密度很小，但实际上在此处交 换的电流密度却很高。由此可得出：真正管道材料的交流腐蚀是由流过其的低电流在非 常小的面积上形成的高的电流密度而引起的。也就是上面所说的无穷小面积上的点电流 密度和与之相适应的电场强度理论。这样可以充分解释为什么泄露面积越小，腐蚀失重 量越大的原斟2 0 1 。 2 7 交流电腐蚀的电击假设及强电线路的感应影响 从现场部分取套井套管上，可以看到这样的腐蚀坑：金属坑光滑，无腐蚀产物或腐蚀 产物很少，仔细观察发现有黑色粉末状焦化物。坑深在2 4 m m 不等，坑直径在5 l o m m 之间。并且坑内发黑、光滑圆亮且无黄锈。种种迹象表明，这不是常规腐蚀。从电泵井 现场来看，有接地体存在，所以，这一点为“电击假设”提供了有力证据。因为无论从 工作接地体还是避雷接地体都会造成电击腐蚀的可能造成电击腐蚀的强大电流主要有 第二章杂散电流的危害以及成因 两种可能：一是来自夏天的雷电；二是来自强电线路或变电所或变压器的故障状态。一口 具备了电弧的条件，就在管道和土壤间形成了电弧，电弧的焦耳热使钢管熔化，流淌， 虽然作用的时间比较短，但能量大，且作用与一个很小的点时，其后果就可想而知了。 国外实验曾表明，短路电流l k a 和电弧时间0 1 6 s 时，在4 2 4 8 m m 厚的管壁上测出了 2 4 m m 的最大烧入深度：实验还表明，沥青覆盖层管道只要几百伏电压即可产生辉光放 电，一旦导通会使管道接地电阻急剧减小，约l k v 便开始在钢管和土壤之间形成电弧。 在国内东北管道中，有交流干扰影响现场，因二线一地变电站的接地极离管道只有o 5 米，且接地极与管道平行长度有3 0 米，使得管道上感应出5 7 伏持续的交流电压，开挖 时发现，止对着接地极的管道区域有大量的电击腐蚀坑，坑呈直径7 毫米的圆形，坑深 2 3 毫米，坑内光滑光亮，沥青碳化，有的坑周围有一群小麻点，管道有烧焦痕迹，管 壁本身无黄锈。从现象上看不是常规的腐蚀。因为没有腐蚀产物，从电击上分析，光亮， 流淌，烧焦都十分吻合，电击的强大电流来自夏季的雷电以及变电所的故障状态。并且， 国外也曾发生过雷暴引起输电系统短路，短路电流顺着电杆拉线入地，把距之较近的输 水管道击穿，弧花溅泼的残痕和金属的残渣都可看见。 强电线路与地下金属管道相邻，强电线路就会对地下金属管道造成感应影响及危险 影响，危及操作人员的人身安全和设备的安全，威胁管道的正常运行。随着能源工业的 发展，电力线路、电气化铁路、地铁和地下金属管道都以惊人的速度建设着然而，由 于对线路的择优的原则，依据地形、交通、距离、人员密集程度等各部门极其相近，使 得后建工程与已建工程相邻，甚至在局部地段还要通过“公共走廊”。在这样苛刻的条 件下敷设的埋地管道遇到的土要问题就是强电线路对埋地管道的交流干扰影响。 对丁地铁杂散电流腐蚀而言，对埋地管线的作用是它的一个重要方面，在设计和建 造地铁时不考虑此问题会产生极严重后果。关于埋地管线的腐蚀，以前主要考虑平行与 地铁线路的长距离管线，在杂散电流流出处腐蚀加剧。但是在与地铁垂直的管线也会产 生杂散电流腐蚀。如下图所示，右侧的管在与地铁线路交义处有电流流出，腐蚀加剧； 而左侧的管线在与地铁交叉处有电流流入，电流沿管道流动至远方流出，造成该处的杂 散电流腐蚀【8 1 【9 1 。 埋地管道有铸铁管和钢管之分。铸铁管表面一般涂沥青等，在管接头处多采取相互 绝缘的连接方式，因此杂散电流不会传到远方，加之壁厚大，故比较耐杂散电流腐蚀。 钢管纵向电导通良好，容易集积来自远方的电流，加之壁厚较薄，容易受杂散电流腐蚀， 有必要采取适当的防护措施。 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 杂散电流腐蚀受许多因素的影响，如土壤电阻率，管道等结构件的绝缘层状况，杂 散电流密度以及距杂散电流源的距离等。在不同情况下所引起的腐蚀状况大不相同，但 腐蚀机理是相同的。从杂散电流源正极端，电流流入管道，使管地间电位向负方向变化， 从而使管道在莫种程度上获得保护。从管道上排除杂散电流的部位，其管地电位变正， 因而使其受到不同程度的腐蚀。也就是说，在电介质中的金属结构，杂散电流流入的部 位，是阴极，不受腐蚀；在电流流出的部位是阳极，要遭受腐蚀【2 0 1 【2 1 1 。 总的来说，土壤电阻率较高，所以管道是杂散电流的低电阻通道。但对长管道来说， 其沿途的土壤电阻率是大不相同的，在土壤电阻率低的土壤中，电流可从管道上涂层薄 弱处流出进入土壤、当土壤电阻率升高时，再次流入管道导致排除电流的管道部位遭受 腐蚀。有高绝缘层的管道，杂散电流无排出通路，如果管道各处能达到1 0 0 绝缘，就 不会产生腐蚀。但这是难以达到的，整个管道涂层难免有针孔寻坏等缺陷存在。在这种 情况下，电流集中与损伤处流出，使电流密度大增，从而引起严重的点蚀，可在短期内 造成管道的局部穿孔。 由所做的杂散电流腐蚀实验和看到的杂散电流影响现场可见：单独用电化学理论或 电场理论或电击都只能解释某一具体的现象，而不能很好的解释所有的交流腐蚀现象。 因此，交流腐蚀的机理研究必须通过更深一步的研究加以完善1 4 1 。 2 8 交流电腐蚀的防治措施 地下管道等结构遭受杂散电流的影响是客观存在的事实，管道随时都有可能流入杂 散电流，只要有电流流入，就必然有排出的通道。尽管有时排出的电流只有几毫安，但 对管道的影响却是严重的，地下钢管及电缆皑甲钢网等每安培年腐蚀率约9 1 0 k g ，铅约 3 3 9 k g ，铜约1 0 4 k g ，铝约2 9 k g 可见杂散电流的腐蚀是相当严重的。 为防止杂散电流腐蚀，曾经有人对j l - 力l ：l 电流和镁阳极进行了实验，测定镁阳极是否 能防止或控制杂散电流干扰。结果证实，在电位波动大的地方，镁阳极不能提供足够的 保护，在干扰不大的地方采用装有二极管的镁阳极保护方法是成功的。 总之，地下管道和电缆等结构完全杜绝杂散电流流入是不可能的，而减少或防止从 管道上排出电流则是可能的。通过牺牲阳极和外加阴极保护系统以及接地电排流等措施 可以达到此日的。接地排流固然是好，但管道接地后将对原来的阴极保护系统产生影响， 为此要在管道和接地体之间串有隔直环节，主要有嵌位式排流器，电容排流器和止极管 的极性排流器，日前，国内外广泛采用二极管符加牺牲阳极排流保护。图2 2 是嵌位式 排流的示意图 第- 二章杂散电流的危害以及成因 图2 - 2 捧流设施安装示意图 f i 9 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ei n s t a l l a t i o no fd r a i n a g ef a c i l i t i e s 图中的排流节由两臂组成，其中一臂串入一只硅二极管，其正极接管道，成正臂。 另一臂中串入两只硅止极管，其负极接管道，称负臂。在管道上有干扰电压时，当电压 处于正半周，正臂导通，当电压处于负半周时，负臂导通。由于硅二极管的止向压降为 0 6 0 7 伏，因此管道上将余留正0 6 伏或负1 2 伏的电压。正向余压影a 向阴极保护效 果，而负相余压在数值上与管道阴极保护电压一致，有利于阴极保护。另一方面也防比 了阴极保护电流经排流地床大量泄漏。由于负臂利用了一极管的嵌位特性，使排流后的 管地电位限制在1 2 1 4 伏的电压，所以排流节有嵌位作用1 1 6 1 1 刀。 从做的腐蚀实验中发现，由于杂散电流的存在，而做实验时没有及时对阴极保护系 统做适当调整，使原本设计裕量很大的牺牲阳极保护系统出现了保护率下降的现象，这 也说明杂散电流对牺牲阳极性能有明显的影响。因此在存在杂散电流影响的情况下， 对阴极保护系统设计必须做适当变动，如对阳极数量、阳极保护半径、阳极间隔和布局 作适当的调整，使之于杂散电流影响下的环境相适应，以保证保护系统的效果。特别是 使用牺牲阳极时更应注意这一点。 有效消除杂散电流的影响是比较困难的，应综合多种措施之特点来加以消除。提高 绝缘涂层的效果，选择适当的管地间电位可抵消杂散电流引起管地电位波动的影响。此 外，周期性监控是任何控制杂散电流或腐蚀计划的主要组成部分【1 9 j 。 2 9 小结 本章分析了国内外对高压输电线对埋地管道干扰影响的研究进程以及关注程度，并 且具体阐述了关于交流腐蚀与自然腐蚀的区别，提出了防治交流杂散电流的危害的重要 1 4 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 意义。国内外对于交流腐蚀研究现状表明，更多的研究在于现场实际数据测量，以及分 析管道特性参数在高压输电线对其干扰下产生的变化，所以在对这些固定参数进行分类 研究是非常必要的。 第三章高压输电线干扰原理及影响因素研究 第三章高压输电线干扰原理及影响因素研究 3 1 高压输电线干扰原理 高压输电线等大电流载流导体的周围，有着强大的交变磁场，其磁力线切割与之平 行的金属管道，从而产生交流干扰电压。由于其影响范围大，干扰电压高，进行有效防 范不易。所