钢质管道电危害标准制定研究与建议–韩兴平

钢质管道电危害标准制定研究与建议

韩兴平

中油西南油田输气管理处

摘要:调查国内外钢质管道电危害来源、影响及现状,指出电流造成的腐蚀破坏,人体承受的安全电流阈值、电压限值及减缓措施。推荐管道的安全距离、安全施工操作法。介绍使用交流电流密度评价CP有效性的方法,计算输电线故障时的感应电压,CP完整性的保护接地,风险管理降低电危害后果等技术。提出了制定电危害缓解技术标准的迫切理由和建议。

关键词:钢质管道;电危害;减缓;标准;研究

0 前言

为了有效利用土地资源,通常在一条公共走廊里同时安装高压电线和管道,管道有时还与铁路平行或交叉,受许多外部因素制约,高压电线与管道不得不靠得很近形成低频感应(LFI)。加上现代高绝缘涂层的使用更加重了电危害。其主要影响有:与管道接触的人员电伤害、管道涂层与钢质损坏、烧毁CP装置和遥测系统等。通常这样的环境主要是:与高压线或者交流高压牵引系统平行或者接近平行时引起的LFI、管道与高压电缆塔分站接地网、以及接地电流排放点、同时会引起地电势升高(EPR) [1]

当闪电与管道附近的物体或者设施接触时,产生的电流同样引起EPR。管道与高压电缆线足够近能引起电容耦合,使电力场不再连续,形成电压聚集直接作用于管道;管道与电力排散或者牵引系统的不规则接触等都能引起电危害。

减缓钢质管道电危害国外有很多成熟的标准和规范。AS/NZS 4853金属管道电危害,NACE SP0177-2007 Mitigation
of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic Structures and
Corrosion Control Systems,NACE SP0502 Pipeline External Corrosion Direct
Assessment Methodology,DD CEN/TS 15280:2006 Evaluation of a.c.corrosion likelihood
of buried pipelines-Application to cathodically protected pipelines,
EN 50162:2004直流系统杂散电流腐蚀控制、SP0207:2007管道DCVG密间隔电位检测,BS EN 13509:2003 CP测量技术, API RP2003防静电、闪电和杂散电流引燃的措施等。    

国外标准反映了当今世界管道先进的电危害的减缓技术。相反,我国电危害控制方面技术较弱,交直流腐蚀控制与缓解措施滞后,SY/T0017, SY/T0032适应于石油沥青涂层,在高绝缘涂层条件下严重不适用。近年来管道电危害事故时有发生,业界没有清醒认识到很多事故直接原因与我国缺少管道电危害标准相关,因此,我国钢质管道电危害标准制定问题亟待解决。

1 国内外钢质管道电危害来源及影响

1.1国外对钢质管道电危害的研究

国外较早发现钢质管道上的电危害并加以研究,形成系列电危害标准规范。实际应用证明这些措施可靠性、适用性强。当然仍存在很多值得研究问题。

2006年第23届世界天然气会议上,日本Y.Hosokawa在发表《战胜管道完整性的新威胁交流腐蚀的评价和缓解》[2],指出:由于天然气管道埋设在高压输电线路、电气化轨道附近,遭受到交流腐蚀的风险越来越高。之后,希腊N.Kioupis研究了《有CP的天然气管道上交流干扰与减缓措施》。而后,加拿大的R.D.Southey用计算机技术模拟高压线故障,提出缓解管道交流干扰所需要的条件。

《腐蚀》2003上R.D.Southey,Eng,Canada发表,《交流高压线路故障时管道的减灾要求》[3]。交流干扰所产生LFI不仅造成人身伤害还会造成严重的管道腐蚀事故。

路权问题越来越严重,现代涂层的应用加速了共用走廊中的电危害。对沥青涂层来说绝缘电阻率较低接地点较多,交流腐蚀机会相对较少,故引起LFI较低。现代涂层的绝缘电阻很高,LFI电流可以远传100km,不仅造成管道腐蚀,甚至击穿涂层,烧坏管道,伤及人畜和环境。电危害结果见图1。  

1 SEBF涂层上深度电烧伤                   CP的高低风险分析

1.2 国内电危害研究现状调查

国内管道电危害的研究,局限在交直流干扰检测和排流,实际上排流指标、干扰类别、减缓方法并不很清楚。比如秦京管道对交流干扰采取极性排流,结果排出的电流,从其它低电阻位置又返回管道,造成腐蚀。重庆卧龙河沿线管道为防止静电,所有阀室直接接地,致使CP系统大量漏电,形成欠保护。

秦京输油管道紧邻电气化铁路,检测到电干扰DC 28VAC 67V2007在中石化成品油管道上检测到DC 37V,AC 49V,管道穿孔泄漏并疑似电击损伤。2006年在贵昆电气化铁路旁的成品油管道上检测到AC电压107V,持续时间10 min[4]。忠武输气管道在一些地段与500kV高压线长距离平行铺设,管道上的LFI超过30V[5]

2003年11月在输气两付线石板站,拍摄到被闪电损坏的CP仪器,电路板元器件烧坏,线路烧断。同年10月,在渡两输气管道上,测试到高达72V交流电压。

2 国内外管道电危害的减缓措施

2.1电危害人员的安全电压阈值

电危害主要体现在伤害人畜和管道设施上。澳大利亚/新西兰AS/NZS
4853中提出了减缓管道电危害的措施,指出A类电压适用于公众的限制范围,见表1,通常接触时间越短可以适用的电压相对较高,最高电压不能超过1kV

1 公众/非技术人员接触管道及附件的电压范围

故障清除时间      AC(V)   
         DC(V)

100ms          350*              500

>100ms 150ms       300*              451

>150ms 300ms       200              400

>300ms 500ms       100              300

>500ms 1s    
      50     
        200

>1s(连续负载电流)      32              100

*由AS 3859(在电阻为1000欧姆米的人上,200V以上电压,皮肤很快就会被破坏)

超过B类电压就属于高压专业人员控制的电压,必须采取特别的控制措施。B类电压的阈值见表2

2非公众人员接触管道及附件的电压范围

故障清除时间        
AC(V)        DC(V)

1s              1000          1000

>1s并且连续          32            115

除开上述接触电压限制外标准还要求风险管理。风险评价的要点是确定B类接触电压限制是否可以接受,也要注意A类接触电压限制下某些安装方面对风险评价的要求。

电力行业标准[6]对人体短时安全电压的规定:以单相接地故障切除时间为0.1 s500 kV为例,土壤电阻率为100Ω.m。依据标准公式可计算出:故障电压=604V

2.2交流输电线路对油气管道安全电压及距离

铁道部TB/T2832 [7]规定:交流电气化铁道接触网正常运行状态下管道对地电压容许值为60V;故障时管道对地电压容许值为430V

管道底部与接触网带电体的距离不得小于4m 且与轨顶的距离不宜小于11.1m。管道与铁路长距离平行时,应保持50m以上距离。对220kV以下输电线,保持75m以上距离。

TS 15280中7.2.2指出:交流供电系统干扰管道,除了距离近外,还受土壤电阻率,杂散电流,平行的高压线,涂层状况影响。设计中应使用下列距离,见:prEN50443:2009。管道与铁路路轨的最大距离在1000m*之内时,应计算交流感性、容性耦合的干扰电压。在城镇地区,土壤中存在电力与通信电缆,气液体管道,需要考虑与它们的距离不能低于300m

2.3施工中电危害对人体影响及缓解措施

NACE SP0177  :2007,指出高压输电线会通过电阻耦合,电容耦合,电感耦合、电弧及闪电对人与管道设施造成电危害。对人员的防护提供了表3的人体电阻。

人体对电流的电阻

人体部位      电阻值/ kΩ     
 
人体部位        电阻值/kΩ

干燥皮肤       100-600        体内手到脚       0.4-0.6

湿润皮肤           1          体内耳到耳          0.1

电击危险的程度取决于许多因索,如电压的高低和人员承受时间的长短,人体皮肤条件和由人体传导任一电流的路径和大小。由人体传导电流的大小是随电压源内部阻抗、加到人体两端的电压,以及人体通道电阻而变化的。这个电阻还取决于接触电阻(如湿的或干燥的皮肤,站立在干操地上或水中)和通过身体电流通道(如手到脚、手到手等)的电阻。

通常认为15V交流的开路电压或5mA电流,就构成了预期的电击危险状态。影响人生命60HZ交流电流阈值见NACE SP0177 的表 4,不同电流造成的生理伤害列入表中, 100mA以上电流可致人死亡。

在缓解措施中提出:可通过采用电屏蔽,接地网,管道等电位跨接,分布式阳极,套管,绝缘接头,绝缘短接、接地电池,极化电池和其它装置来缓交交流,闪电的影响。

规定了施工与维护中应严格遵守的准则:提出使用警告标志,安全检测人员通过检测无超标电流限制后方可进行正常施工维护。

实施安全措施时,首先把所有引线接到仪器上,然后再连接管道上的引线。拆线的顺序正相反,先拆除管道的引线,最后拆仪器接线。

对受到交流影响的管道被暴露出来的地方进行切割、缠带或分离作业时,应当进行测试以确定对地的交流电压或电流。发现电压超出限值,应采取减缓措施。视管道为带电体,在切割点或要拆除的管段上,应在作业之前做好固定等电位跨接。

2.4阴极保护涉及电危害的特殊考虑

2.4.1恒电位仪如反复出现故障,可能是邻近电力系统干扰,可采用自复式避雷器跨接交流输入端和直流输出端,并在交流或直流导线中安装重负荷扼流圈。

2.4.2安装防止公众或家畜与管道直接接触的设施,如果发现设施不起作用,应立即更换或修理。在电气测试的接线中,所有测试导线、线夹和端子必须适当绝缘。在连接管道之前,应先将测试仪表引线接好,每次测试完成后,应先拆下管道的连接线,后拆仪表上的连接线。

2.4.3测试电位梯度时很长的测试导线与电力线平行时,导线中会感应出明显的电压,减缓方法是:测试导线夹、端子和导线适当绝缘;避免与裸测试导线端子接触。

2.4.4禁止站在接地垫或接地网上的人,与未站在接地网上的人之间,有仪器工具等的电接触。当接地网为了测试目的而断开时,任何人不得与管道接触,不管是直接接触或是通过测试导线的接触。

管道在受到闪电电流影响时,与其它设施有很大的不同。它实质上是一个很大的耐高压的电容,高绝缘涂层能耐压50kV。管道受电磁脉冲作用纵向端电压会对系统形成电流冲击。有涂层漏点的地方线性电压可能会引入大地,但是需要最适合接地电阻是5-10Ω,若管道中间加有保护电极,可对CP装置和遥测装置起专门的保护作用。

2.4.5管道保护接地:管线上大量防静电直接接地使CP电流短路到地,解决矛盾的办法是通过闪电接地并安装过电压保护装置,可使管道CP系统与大地隔离开,从而避免不必要的CP电流流失,也能使CP装置与闪电保护点之间的电压降减到最小,见图3所示。实际生产中大量的直接接地,致使CP系统几乎瘫痪。这样的情况下是无从谈及阴极保护有效性的。

2.5采用交流电流密度评价有交流干扰时CP的有效性

评价交流腐蚀风险需要透彻了解管道沿线的土壤腐蚀条件,因为土壤电阻率的差异会造成管道交流腐蚀电流密度的较大差异。交流腐蚀与直流腐蚀差异还在于,直流腐蚀关注较大的涂层缺陷,交流腐蚀更关注涂层小的缺陷,因为这些位置的交流电流密度大很多倍、交流腐蚀风险更大。采用 DCVG 可以实现高质量的涂层小缺陷检测,结合土壤电阻率分析可有效确定管道交流腐蚀等级[8],见表4.

4交流腐蚀程度等级划分表

检测工具      严重腐蚀ρ=(Ω.m)     中等腐蚀ρ=(Ω.m)   
     
轻微腐蚀ρ=(Ω.m)

AC电流密度CIS    100A/m2                           20-100A/m2                                    20A/m2

DCVG表面区域    2%1-2cm23-5%       3-5cm25%        
       6-10cm2

不同环境对应  ρ1V:5ρ3V:6-10ρ  2V:5ρ4V:6-10ρ     4V:5ρ,6V:6-10ρ

应交流电位   10V:10-50ρ,15V:50ρ   20V:10-50ρ,30V:50ρ  30V:10-50ρ,40V:50ρ

DD CEN/TS15280:2006中6.0指出:任何时候不能放过在土壤电阻率大于25Ω.m时有10V交流电压,土壤电阻率小于25Ω.m时有4V交流电压。在6.6.2条中规定的交流电流密度的腐蚀程度等级为:交流电流密度低于30A/m2无腐蚀,30A/m2100A/m2中等腐蚀,大于100A/m2有高腐蚀风险。

用测试控制电流比指标来降低腐蚀风险:Ia.c/Id.c小于5a.c.为低腐蚀可能;Ia.c./Id.c510AC腐蚀已存在;Ia.c./Id.c大于10时会出现AC高腐蚀速率风险。

为保障人身安全排流时将交流干扰电压控制到15 V以下,实际上只要环境条件适合,仅存1 V的交流电压,依然会发生严重腐蚀。因此找出交流腐蚀风险区尤为重要,需要丰富的经验和采用多种检测手段,重要的是建立科学的可靠的评价体系。

3.6金属管道电危害风险管理

3.6.1AS/NZS
4360给出了风险管理内容:管道埋深、管道覆盖物(覆土)保护、管道临近部分的电绝缘或其它适当保护、使用等电位罩或其它适当方式保护CP测试点、任何接地设备的设计及位置、电力系统故障的频率和持续时间、管道与电厂周围的位置、管道的可接近性,使用个人保护(如特制工作鞋或手套,安全带等)的要求。意大利米兰理工大学的M.Ormellese交流风险分析成果[9]见图2.采用低腐蚀风险区的CP电位,能保证管道CP有效和低腐蚀速率*(*通常为0.01mm/a)

AS 3859标准认为:较高电压300V/100ms的短期电冲击一般不会形成电危害。但是会带来物理伤害如从梯子上或高空摔下,或与电器具接触等。中石油近几年屡屡发生亡人事故,与电危害认识不足有关。建议在执行安全操作禁令的同时,建立电危害辨识理念,采用危机管理比建立应急预案更为经济安全。

3.6.2膨胀的公用走廊风险越来越大

2008年晋东南荆门1000kV特高压交流工程试运行,向家坝上海800kV特高压直流输电工程开工,750kV输电线路、青海官亭西宁750kV输变电工程投运。十一五期间规划的电网建设是十五期间的2.4倍。到2020年特高压电网跨区电网的输送容量约为2.1亿kW

大型接地极的建设给管道也造成危害,德阳直流接地极是西北华中直流联网工程的一部分,额定电流高达3000A,设计使用40年,接地极东北侧距一条天然气管道705m,超大电流危害正在研究中。

1O年后将建成12000km的电气化铁路,依据路权择优的选择,依据地形、交通、距离、人员密集程度地区类别,维护管理的方便等,使得铁路工程不得不与已建的输电工程、管道工程相邻相近或接近平行交叉,这就使本来拥挤的公共走廊更加热膨胀。

未来10年管道工程线路建设将由现在的4km增加到10km以上。规划需求变数甚大,西南油田输气主干线由几年前的1360km,骤然增到现在的4000km,几年前难以想象预料。加上现代高绝缘涂层大量应用,电危害缓解很多技术难题都需要研究,就目前而言根本无法适应飞速经济增长和人民生命财产安全的需要。如:2005年深圳地铁110kV变电站发生磁辐射事件,深圳地铁目前又起腐蚀风波,这些都表明必须尽快出台钢质管道电危害标准,规范膨胀的公共走廊,防止和减少电危害事故发生。

3.结论

3.1钢质管道的电危害伴随高压超高压电力线路的加速建设,管道与电力线、铁路轨道公共走廊矛盾日益突出,研究电危害减缓措施已刻不容缓,对于人员和环境设施的安全意义重大。国外的成熟技术通过试验和实际应用能实现顺利转标。

3.2建立我国钢质管道电危害标准,不仅可以减少电危害造成的经济损失,人员伤亡及环境破坏,避免管道事故,还有利于加速国家经济发展,更直接的目标是规范热膨胀的公共走廊。

参考文献:

[1] AS/NZS 4853:2000 Electrical hazards
on metallic pipelines[S].

[2]Y.Hosokawa,Japan,Overcoming the New Threat
to Pipeline Integrity-AC Corrosion Assessment and its Mitigation[J]23 World Gas
Conference.Amsterdan-2003.

[3] R.D.Southey,Eng,Canada,Estimating
AC Mitigation Requirements for Pipelines Installed in High Voltage AC
CorridorFault Conditions[J],Corrosion:2003.

[4] 米琪,交流干扰埋地管道完整性的新威胁及其危险性的分类标准[J],20089,防腐保温技术,P27-35.

[5]闫明珍.忠县武汉输气管道遇到的交直流干扰及防护措施[J]腐蚀与防08,29(2):55-57.

[6]DL/T621:1997交流电气装置的接地[S]

[7]TB/T2832:1997交流电气化铁道对油()管道(含油库)的影响容许值及防护措施[S]

[8] Ted Huck,MatcorUSA,Discusses the investigation
andmitigation of AC induced corrosion[J]World Pipelines,2007.12.

[9]M.Ormellese,L.Lazzari,CP CRITERIA
ASSESSMENT IN THE PRESENCE OF AC INTERFERENCE[J].paper 08064,NACE CORROSION
2008:1-10.

 

作者介绍:韩兴平(1955-)长期从事管道腐蚀控制研究与教学,擅长管道的电磁电流技术研究与减缓(检测评价)。发表论文50多篇。E-mail[email protected].cn

工作单位:西南油气田公司输气管理处,邮编:610213通讯地址:四川省双流华阳镇迎宾大道中段工艺技术研究所, QQ:95306869,028-85601573.手机:13608034853.

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