地磁暴對輸油管道雜散電流的影響

楊永明

摘 要：本文通過對東黃老線停運管道進行分析試驗，驗證了東黃復(fù)線管道不達標(biāo)管段與地磁暴之間的關(guān)系，結(jié)果表明：地磁暴對東黃復(fù)線輸油管道保護電位的影響較小，此外，東黃復(fù)線欠保護與動態(tài)直流雜散電流干擾、地磁暴無明顯的因果關(guān)系，還需從防腐層、陰極保護電流流失方面做進一步檢測。

關(guān)鍵詞：陰極保護;雜散電流;地磁感應(yīng)電流（GIC）;管地電位;地磁擾動（GMD）

腐蝕是引起埋地管道破壞和失效的主要原因之一，金屬腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，雜散電流腐蝕是金屬電化學(xué)腐蝕中危害最為嚴(yán)重的一種。

雜散電流又稱迷流，是指在規(guī)定的電路之外流動的電流，由雜散電流而引起的金屬腐蝕為雜散電流腐蝕。根據(jù)雜散電流的來源，腐蝕主要有三種類型。①直流雜散電流腐蝕，電流來源于軌道交通供電系統(tǒng)、陰極保護系統(tǒng)等直流電源;②交流雜散電流腐蝕，電流來源與高架交流電線等交變電流源;③地球磁場影響，屬于一種自然界的現(xiàn)象，由于地球磁場而引起的雜散電流[1]。根據(jù)雜散電流幅值和電流流經(jīng)路徑是否隨著時間發(fā)生變化，直流雜散電流可進一步分為靜態(tài)雜散電流和動態(tài)雜散電流兩種[2]。

因地球本身存在磁場，管道為金屬管道，根據(jù)感應(yīng)電流的成因，地球磁場會在管道中形成感應(yīng)電流，可能會對管道保護電位產(chǎn)生影響，本文通過在東黃老線上的科研試驗，分析地磁場對東黃復(fù)線的影響。

1 地磁暴監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為驗證東黃復(fù)線管道不達標(biāo)管段與地磁暴之間的關(guān)系，對東黃老線停運管道進行分析試驗，根據(jù)檢測結(jié)果進行類比分析研究（東黃復(fù)線為在運管道，公司相關(guān)規(guī)定要求不得在在運管道上進行科研試驗）。本次選取了中國地震局地質(zhì)預(yù)測研究所安丘地磁臺提供的地電場監(jiān)測數(shù)據(jù)（東西分量，西向為正）與東黃老線輸油管道GIC（地磁感應(yīng)電流）及PSP管地電位數(shù)據(jù)進行對比分析，安丘地磁臺與昌邑輸油站和西里固陰保站的距離分別為28.5km、24.3km，是目前與兩管道監(jiān)測點距離最近的地電磁場監(jiān)測臺站（東黃老線和東黃復(fù)線輸油管道整體并行，之間的最大距離為10km）。安丘地電場（b）、昌邑管道GIC（c）、昌邑管道PSP（d）和西里固管道PSP（e）。為便于分析，Dst指數(shù)及管道測量數(shù)據(jù)的水平坐標(biāo)已統(tǒng)一為世界時間。

1.1 西里固陰保站PSP觀測

據(jù)中國科學(xué)院空間環(huán)境研究預(yù)報中心報道，受2017年9月4日和6日全暈日冕物質(zhì)拋射的持續(xù)影響，8日地磁有9小時達到大磁暴水平，3小時中等磁暴水平，9小時小磁暴水平，最高Kp指數(shù)達到了8，本次磁暴屬于急始型大磁暴事件。

機理分析結(jié)果表明，管道GIC可引起PSP量值的偏移，東黃老線管道GIC和西里固管道PSP的相關(guān)性并不明顯，導(dǎo)致這一測量結(jié)果的原因是：西里固陰保站現(xiàn)場維護人員定期切換兩臺恒電位儀，這一操作會導(dǎo)致1#設(shè)備時而工作時而停止，在1#設(shè)備工作時，PSP測量值以1#設(shè)備輸出的預(yù)設(shè)電位為基準(zhǔn)，隨著GIC的變化而變化;而在切換至2#設(shè)備時，由于儀器故障原因，PSP測量值則為管地自然電位。根據(jù)陰保站人員現(xiàn)場切換時間，本文將西里固PSP數(shù)據(jù)劃分為5個時段，并求出每段時間內(nèi)PSP與昌邑管道GIC的數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù) ，這一測量結(jié)果說明地磁暴感生的管道GIC可導(dǎo)致PSP偏移，對管道的腐蝕態(tài)勢產(chǎn)生影響;在恒電位儀的作用下，PSP的偏移量不僅與GIC有關(guān)，而且與恒電位儀的輸出電位變化量有關(guān);同時驗證了測量儀器的可靠性。

1.1.2 GIC量值分析

7日12：00至7日23：00期間，屬于GMD強度較小的時段，因此昌邑管道GIC量值基本穩(wěn)定在3A左右，無強烈波動。7日23：00至9日00：00期間，屬于磁暴期間，經(jīng)分析可得，每次Dst指數(shù)的快速下降，都會帶來GIC的劇烈波動，且在Dst指數(shù)下降最快的4小時內(nèi)（即7日23：00至8日03：00），產(chǎn)生了本次磁暴期間GIC的最小值0.16A（時間：8日00：02）和最大值7.88A（時間：8日00：28），在8日13：00至19：00也出現(xiàn)了多次峰值。

1.1.3 PSP量值分析

與GIC相似，昌邑輸油站中監(jiān)測的PSP，在7日12：00至7日23：00期間波動較小，基本穩(wěn)定在-1.1V左右，在7日23：00至9日00：00期間，昌邑PSP值基本在-1.00V至-1.20V之間變化，但波動十分劇烈。在7日23：00至8日04：00之間，PSP正向偏移量多次超過100mV，負向偏移量最大值達到128mV。

西里固陰保站中監(jiān)測的PSP在7日12：00至7日14：00期間，PSP未出現(xiàn)明顯波動，在7日23：00至9日00：00期間， PSP的波動幅值較高，由地磁暴造成的正向偏移量多次超過100mV，負向偏移量最大值達到392mV。同時在儀器故障瞬間的PSP偏移也十分嚴(yán)重。

1.1.4 危害分析

我國埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50991-2014規(guī)定，管道PSP正向偏移20mV時可確認(rèn)有直流電流干擾，管道PSP正向偏移100mV時必須采取排流或其他防護措施。PSP數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：

（1）地磁擾動較小期間，昌邑管道PSP和西里固管道PSP偏移量水平在20mv以下，通電電位和斷電電位都在陰保電位標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，無需進行排流保護。

（2）大磁暴期間，昌邑輸油站和西里固陰保站的PSP正向偏移量都多次超越應(yīng)采取排流措施的限值，可見在本次磁暴侵?jǐn)_下兩監(jiān)測點附近的管道產(chǎn)生了較嚴(yán)重的正向偏移，負向偏移量仍未超過限值。

PSP的監(jiān)測結(jié)果表明，2017年9月7日至9日期間的強烈地磁擾動引起了管道保護電位的正向偏移，未造成管道的負向偏移。

磁暴期間，雖然會造成管道保護電位的波動，但恒電位儀的保護作用可以將波動控制和限值以內(nèi)，不會造成管道電位的劇烈變化。

2 結(jié)語

通過對地磁暴對管道影響的研究，發(fā)現(xiàn)正常情況下地磁暴對管道的保護電位干擾影響很小，在地磁暴較為嚴(yán)重的時候因恒電位儀的保護，管道保護電位的變化幅度也在正常的范圍以內(nèi)，地磁暴不是該段管道陰保不達標(biāo)的主要影響因素。

東黃復(fù)線壽光至昌邑段管道欠保護原因從本文研究看，與動態(tài)直流雜散電流干擾和地磁暴干擾無明顯聯(lián)系。排除以上管道外界影響因素后，管道電位不達標(biāo)的原因集中在管道本身，即防腐層的狀況，下一步的工作重點要針對防腐層的情況進行檢測、分析。

參考文獻：

[1] 馮洪臣. 管道陰極保護設(shè)計-設(shè)計、安裝和運營[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[2] 陳志光，秦朝葵，張揚竣. 軌道交通雜散電流腐蝕研究現(xiàn)狀[J]. 世界科技研究與發(fā)展，2010，32（4）：497-500.