王愛(ài)玲

國家管網(wǎng)集團西南管道公司

摘要：對西南山區油氣并行管道干擾因素及規律進(jìn)行了探究計算，采用BEASY軟件模擬研究多種因素對管道腐蝕的影響規律，并采用現場(chǎng)跨接實(shí)驗得出緩解并行管道干擾的規律。結果表明：并行管道的干擾隨管道間距的增大呈逐漸減小的趨勢；當破損率較大時(shí)受干擾管道電位負向偏移更多；并行管道間的干擾程度隨土壤電阻率的增大而增大，且電位偏移程度呈邊界遞減趨勢。

關(guān)鍵詞：并行管道；數值模擬；干擾程度；跨接實(shí)驗

針對西南山區油氣并行管道干擾程度影響和規律進(jìn)行了探究和計算，采用仿真軟件研究管道間距、土壤電阻率、涂層破損率、陰極保護水平等因素對干擾的影響情況，并改變參數研究其影響規律，模擬獲得管道沿線(xiàn)電位分布，為探究西南山區并行管道陰極保護干擾系統間的影響程度提供參考，對于管道安全運行與維護具有重要意義。

1  實(shí)驗

西南山區多條管道存在并行情況，典型并行段（A-B段）陰極保護共涉及5座站場(chǎng)及14座閥室。其中某原油干線(xiàn)管道（A-C）全長(cháng)619.52 km，管徑813 mm；某天然氣干線(xiàn)管道（A-C）全長(cháng)618.81 km，管徑1016 mm；某成品油管道全長(cháng)390.62 km，管徑406.4 mm；某原油管道支線(xiàn)（C-B）全長(cháng)45.48 km，管徑610 mm；某天然氣管道支線(xiàn)（C-B）全長(cháng)44.36 km，管徑813 mm。防腐蝕層均為3PE。

依據現場(chǎng)實(shí)際陰極保護系統輸出除以該管段的表面積得到各條管道的電流需求量，作為邊界條件中采用的電流密度。采用以上模型和邊界條件進(jìn)行模擬計算，并保持陽(yáng)極輸出與現場(chǎng)恒電位儀輸出一致。在現有陰保系統輸出下模擬計算得到陰極保護電位，并將計算結果與實(shí)測數據對比，結果表明平均誤差僅為10%。

管道間距、土壤電阻率、涂層破損率等因素對管道陰極保護的干擾具有重要影響，因此將采用上述數值模擬方法研究各因素對陰極保護的影響規律。原油管道和天然氣管道并行鋪設，管徑、埋深、土壤電阻率等參數（表 1）采用現場(chǎng)參數，實(shí)際測試干擾距離不足3 km。

表 1 模型基本參數

在進(jìn)行以下模擬計算時(shí)，天然氣管道位置不動(dòng)，電流需求量均為100μA/m²，輸出電流均為3.2 A。將管道間距分別設為200 m、50 m、10 m、2 m，模擬計算管道間距對干擾程度的影響。將原油管道陰極保護的輸出電流分別設為5.2 A、2.6 A、1.3 A，模擬計算原油管道陰極保護的輸出電流對干擾程度的影響。將涂層破損率分別設為0.01%、0.1%、1%，模擬計算原油管道涂層破損率對干擾程度的影響。將土壤電阻率分別設為1 Ω·m、10 Ω·m、30 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m，模擬計算土壤電阻率對干擾程度的影響。

研究還針對西南山區某油氣并行管道干擾情況進(jìn)行電跨接實(shí)驗現場(chǎng)測試，跨接點(diǎn)和沿線(xiàn)電位監測點(diǎn)（圖 1）以某油氣管道K606到K22段為研究對象，在LF輸油氣站以及1#成品油閥室進(jìn)行跨接實(shí)驗，對跨接后的并行管道測試評價(jià)方法適用性進(jìn)行分析。

圖 1 跨接實(shí)驗測試點(diǎn)平面分布示意

2  結果與討論

2.1  并行管道間距對干擾程度的影響規律

探究不同管道間距條件下的并行管道干擾情況，電位偏移隨管道間距的變化呈現邊際效應遞減趨勢（圖 2），表現為電位偏移隨著(zhù)管道間距的增大而逐漸減小，最后趨于平緩。這主要是隨著(zhù)兩管道間距的增加，兩條管道之間相互干擾的強度減小。一個(gè)極端的例子：如果兩管道相距無(wú)窮遠，那么它們之間就不會(huì )有干擾，因而干擾強度也隨著(zhù)兩管道距離的增加而降低[1-2]。

圖 2 不同管道間距下保護電位隨距離的變化曲線(xiàn)

2.2  涂層破損率對干擾程度的影響規律

分別模擬計算了無(wú)干擾管道、涂層破損率為0.01%、涂層破損率為0.1%以及涂層破損率為1%時(shí)天然氣管道的電位，當受干擾管道涂層破損率為0.01%和0.1%時(shí)，相對于無(wú)干擾管道時(shí)其電位負向偏移程度不太明顯，而當涂層破損率為1%時(shí)，受干擾管道的電位比無(wú)干擾管道電位負向偏移更多（圖 3）。此外，當防腐層破損率越大時(shí)，裸露的金屬面積越大，即防腐層面電阻率越低，則防腐層單位破損面積流入或流出的電流越少，管道受干擾程度越輕。

圖 3 不同破損率下保護電位隨距離的變化曲線(xiàn)

2.3  土壤電阻率對干擾程度的影響規律

分別計算了土壤電阻率為1 Ω·m、10 Ω·m、30 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m時(shí)無(wú)干擾與有干擾情況下的管道電位分布情況，電位偏移隨著(zhù)土壤電阻率的增大而增大，且呈現邊際效應遞減的趨勢（圖 4）。說(shuō)明并行管道間的干擾程度隨著(zhù)土壤電阻率的增大而增大。這主要是因為較高的土壤電阻率意味著(zhù)較大的土壤電阻，輔助陽(yáng)極釋放的電流更多地將從管道的中心區域流入管道而無(wú)法從較遠的區域流入管道，因而導致并行管道間的干擾程度增加[3]。

圖 4 不同土壤電阻率在有無(wú)干擾情況下保護電位分布

2.4  并行管道跨接實(shí)驗現場(chǎng)測試結果

C站場(chǎng)內無(wú)合適通電點(diǎn)測試樁進(jìn)行跨接實(shí)驗，本次實(shí)驗于陰保間進(jìn)行測試，將天然氣干線(xiàn)與原油干線(xiàn)陰極保護系統恒電位儀的陰極進(jìn)行跨接。分別采用天然氣干線(xiàn)陰極保護系統保護原油和天然氣管道，原油干線(xiàn)陰極保護系統保護原油和天然氣管道，以及關(guān)閉其中一套陰極保護系統各自獨立保護自身陰保系統的實(shí)驗，輸出電流均為跨接前原有電流量的總和0.22 A，得出不同工況下沿線(xiàn)測試樁電位結果（圖 5）。

圖 5 C站跨接前后沿線(xiàn)測試樁電位

跨接前后測試樁通斷電電位無(wú)明顯變化，其原因是天然氣干線(xiàn)和成品油干線(xiàn)沿線(xiàn)無(wú)絕緣接頭，管道沿線(xiàn)存在多套干線(xiàn)陰極保護系統，并且新建管線(xiàn)防腐層質(zhì)量較好，上下游的陰極保護系統可以保護的距離足夠覆蓋當前測試管段。當C站陰極保護系統進(jìn)行調整時(shí)（跨接間隙，開(kāi)閉陰極保護系統），沿線(xiàn)測試樁通斷電電位均有明顯的負向偏移，說(shuō)明上下游陰極保護系統也會(huì )對測試段產(chǎn)生較大的影響。對比跨接前各陰極保護系統獨立輸出、跨接后天然氣干線(xiàn)陰極保護系統輸出以及跨接后原油干線(xiàn)陰極保護系統輸出結果可知，天然氣陰極保護系統輸出時(shí)通電電位波動(dòng)幅度大于各陰極保護系統獨立輸出時(shí)通電電位波動(dòng)幅度，大于原油干線(xiàn)陰極保護系統輸出時(shí)通電電位波動(dòng)幅度。表明C站干線(xiàn)陰極保護之間相互干擾主要是由于天然氣陰極保護系統造成。

關(guān)閉F支線(xiàn)和G支線(xiàn)原有陰極保護系統，將天然氣F支線(xiàn)、B原油支線(xiàn)和成品油干線(xiàn)管線(xiàn)跨接保護，由成品油1#閥室恒電位儀的陰極進(jìn)行恒電位輸出，設置通電點(diǎn)電位分別為1300 mV、1500 mV和1700 mV，得出不同工況下的電位結果（圖 6）。

圖 6 天然氣K15測試樁跨接前后沿線(xiàn)測試樁電位

可以看出，跨接前后測試樁通斷電電位變化顯著(zhù)。相比C站干線(xiàn)陰極保護系統上下游多套陰極保護系統相互影響，B原油支線(xiàn)和F天然氣支線(xiàn)陰極保護系統較為單一，跨接試驗前后已將其關(guān)閉，因此跨接后B原油支線(xiàn)、F天然氣支線(xiàn)和成品油干線(xiàn)電位變化顯著(zhù)。當1#成品油閥室恒電位輸出1300 mV時(shí)，K016測試樁處B原油支線(xiàn)、F天然氣支線(xiàn)和成品油干線(xiàn)電位均能滿(mǎn)足標準要求，其有效保護范圍約3 km，并且管道沿線(xiàn)K019和K022測試樁處仍然有一定保護效果，但其管道斷電電位已經(jīng)不滿(mǎn)足標準﹣850 mV準則。繼續增大1#成品油閥室輸出至1500 mV和1700 mV，靠近跨接點(diǎn)的B原油支線(xiàn)、F天然氣支線(xiàn)和成品油干線(xiàn)K015和K016測試樁處陰極保護效果有部分提升，但遠離跨接點(diǎn)的K019和K022測試樁保護效果無(wú)明顯提升。其結果說(shuō)明跨接能有效提升原本陰極保護水平較差的F天然氣支線(xiàn)的陰極保護效果，但是單靠單點(diǎn)的跨接作用的范圍較為有限，無(wú)法使管道沿線(xiàn)電位均達到標準要求。

3  結論

（1）并行管道陰保系統之間的干擾存在一定的規律，其中，保護電位在管道中心位置變負，在遠端變正；并且隨著(zhù)管道間距的增大，干擾逐漸減��；干擾引起的電位偏移與管道間距呈非線(xiàn)性的減小趨勢；一個(gè)極端的例子：如果兩管道相距無(wú)窮遠，那么它們之間就不會(huì )有干擾。因而干擾強度也隨著(zhù)兩管道距離的增加而降低。

（2）并行管道陰保系統之間的干擾程度與涂層破損率大小相關(guān)，當涂層破損率越小時(shí)，受干擾管道的保護電位相對于無(wú)干擾管道負向偏移不顯著(zhù)，而當涂層破損率較大時(shí)，受干擾管道的電位負向偏移更明顯。

（3）土壤電阻率會(huì )對并行管道陰保系統之間的干擾產(chǎn)生不同程度的影響，隨著(zhù)土壤電阻率的增大干擾逐漸增大，且電位偏移的幅度呈邊界效應遞減趨勢。土壤電阻率較高意味著(zhù)輔助陽(yáng)極釋放的電流更多的從管道中心處流入管道而無(wú)法從較遠處流入管道，從而增強了并行管道之間的干擾。

（4）天然氣干線(xiàn)和成品油干線(xiàn)沿線(xiàn)無(wú)絕緣接頭，管道沿線(xiàn)存在多套干線(xiàn)陰極保護系統，并且新建管線(xiàn)防腐層質(zhì)量較好，上下游的陰極保護系統可以保護的距離足夠覆蓋測試管段，跨接前后測試樁通斷電電位無(wú)明顯變化，不建議在干線(xiàn)進(jìn)行多處跨接來(lái)緩解目前可接受的干擾問(wèn)題。

（5）天然氣陰極保護系統輸出時(shí)通電電位波動(dòng)幅度大于各陰極保護系統獨立輸出時(shí)通電電位波動(dòng)幅度，大于原油干線(xiàn)陰極保護系統輸出時(shí)通電電位波動(dòng)幅度，表明C站干線(xiàn)陰極保護之間相互干擾主要是由于天然氣陰極保護系統引起的。

（6）靠近跨接點(diǎn)的B原油支線(xiàn)、F天然氣支線(xiàn)和成品油干線(xiàn)測試樁處陰極保護效果有部分提升，但遠離跨接點(diǎn)的測試樁保護效果提升不明顯，保護范圍約3 km，說(shuō)明跨接能有效提升原陰極保護水平較差的F天然氣支線(xiàn)的陰極保護效果，但是僅通過(guò)單點(diǎn)跨接作用的范圍較為有限，無(wú)法使管道沿線(xiàn)電位均達到標準要求，建議首先考慮優(yōu)化天然氣F支線(xiàn)陰極保護輸出。

參考文獻：

[1]高祥，曾富菁，黨玉儒，等.并行管道陰極保護干擾分析[J].科技資訊，2012，10(34)：68.

[2]李丹丹，畢武喜，祁惠爽，等.交叉并行管道陰極保護干擾數值模擬[J].油氣儲運，2014，33(3)：287-291.

[3]李薦樂(lè ).三維地形下并行管道陰保干擾規律數值模擬研究[J].裝備環(huán)境工程，2020，17(6)：58-65.

（原文發(fā)表于《腐蝕與防護》2024年2月刊，轉載時(shí)作者對部分內容進(jìn)行了補充和刪節。）

作者簡(jiǎn)介：王愛(ài)玲，1988年生，碩士，高級工程師，從事管道腐蝕防護、完整性管理相關(guān)工作。聯(lián)系方式：17713614023，411692359@qq.com。