高壓交流電纜對海底管道的交流干擾及二者間安全距離探究

李 毅, 黃浩軍,張 健,李 津,祝振洪,梁 毅,杜艷霞

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 北京科技大學新材料技術研究院,北京 100083)

近年來,隨著我國海洋開發的大力推進,近岸或海上電力設施大量建設,在多個海域敷設了高壓交流電纜,其與海底油氣管道形成“并行通道”[1-2],海底管道面臨交流干擾風險[3-6]。交流干擾會對管道的安全運行帶來危害,如引起交流腐蝕[7-9], 危害人員及設備安全[10-12]。

目前,國內外圍繞架空高壓交流輸電線路對埋地油氣管道的交流干擾開展了大量研究,相關研究表明,高壓交流電線可通過電磁干擾、電阻耦合等方式對與其并行的埋地管道產生交流干擾電壓和電流[13-15],造成安全影響。丁清苗等[16]在土壤模擬液中研究了交流電對埋地管道的干擾腐蝕作用,XIAO等[17]通過室內模擬試驗,在兩種典型土壤模擬環境中,研究了X70鋼在陰極保護和交流干擾共同作用下的交流腐蝕行為。王新華等[18]模擬真實土壤環境,分析了不同交流電流密度對X70管線鋼的腐蝕作用。但目前有關交流干擾的研究主要集中在陸上高壓輸電線路對埋地管道的影響,缺乏海底電纜對海管交流干擾規律的系統研究和認識。由于海水電阻率遠低于一般的土壤環境,同時海底電纜的結構也不同于陸上架空輸電線路,這使得海洋環境中的交流干擾問題與陸上存在差異。隨著國家海洋能源開發的重視,海底管道和高壓交流電纜的建設規模日益加大[19],交流干擾對海底管道的安全運行提出了挑戰。由于海底管道的檢測與維護難度非常大,在海底電纜設計和路由選擇時掌握其電磁干擾規律,最大程度避免對鄰近管道的交流干擾是非常有必要的。針對這種情況,數值模擬技術可以有效評價新建海底管道,梁毅等[20]構建了海底電纜與沉海油氣管道的電磁干擾計算模型,通過模擬計算考察了海底電纜對油氣管道的交流干擾風險及影響因素;李平[21]采用數值模擬技術,研究了海纜和陸上換流站的雜散電流對海底管線的干擾程度及影響因素。但目前針對海底管道受海纜電磁干擾的相關研究較少,不足以為海纜及管道敷設時交流腐蝕安全距離和路由選擇提供參考。

基于此,筆者使用CDEGS數值模擬軟件,建立了高壓交流電纜對海底管道交流干擾的計算模型,通過模擬計算探究不同因素對管道交流干擾影響的相關規律,并得出管道在不同電壓等級和并行長度下可避免交流腐蝕的安全距離,以期為高壓電纜和海底管道的路由選擇提供參考。

1 計算模型與參數設計

以圖1所示海纜與管道相對位置關系建立基礎模型,模型中高壓交流電纜與海底管道并行,在并行結束后以角度90°與管道分離,間距為海纜中心與管道中心的水平距離。本工作在圖1所示模型和表1設定的基本參數中探究海纜與管道并行間距、并行長度和海纜電壓等級對管道交流干擾參數的影響規律。

表1 計算模型中的恒定參數設置

圖1 海纜與管道相對位置Fig.1 Location of the pipeline relative to the submarine cable

2 海底電纜對海底管道交流干擾的模擬計算及影響因素分析

以圖1及表1所示管道、海纜及管道附近環境的基本參數為基礎信息,采用CDEGS軟件建立不同條件下高壓交流海纜對管道的穩態電磁干擾計算模型,計算高壓交流海纜與管道在不同并行間距、并行長度和電壓等級條件下管道沿線穩態電磁干擾規律。

2.1 并行間距對管道交流干擾的影響規律

根據構建的模型,在電壓等級為220 kV、并行長度為10 km、70 km條件下,改變管道與海纜兩者之間的并行距離為2,5,10,30,50,100,150,200,300,500,1 000 m,以探究并行間距對管道交流干擾程度的影響規律,結果見2圖。

由圖2可知:當海纜與管道之間并行長度分別為10 km與70 km時,管道沿線的交流電流密度均隨并行間距的增大而迅速減小,管道受到的交流電流密度最大值位于海纜起點處。在海纜與管道并行長度10 km條件下,當海纜與管道并行間距為2 m時,管道的最大交流電流密度為1189.86 A/m2,隨著海纜與管道并行間距增至50,200 ,1 000 m,管道最大交流電流密度分別降至170.69,12.17, 0.18 A/m2。在海纜與管道并行長度為70 km條件下,當海纜與管道并行間距為2 m時,管道的最大交流電流密度為1207.43 A/m2,隨著海纜與管道并行間距增至50,200,1 000 m,管道最大交流電流密度分別降至169.56,12.10,0.18 A/m2。根據以上計算結果,得到管道最大交流電流密度隨并行間距的變化曲線,如圖3所示。由圖3可見,管道最大交流電流密度隨著管道與電纜并行間距增大而迅速下降,2 ～100 m時,下降幅度較大;超過100 m后,下降幅度變小,當并行間距達到200 m時,繼續增大并行間距,對緩解管道交流電流密度影響不大,且在兩種并行長度下,都呈現相似的變化規律,該結果可為工程上評估海底電纜與管道之間并行間距對管道的交流干擾影響提供參考。

圖2 海底電纜與管道在兩種并行長度下,不同并行間距對管道交流干擾程度的影響Fig.2 The effects of different parallel spacings on the degree of AC interference suffered by pipeline for two kinds of parallel lengths:(a) parallel length 10 km; (b) parallel length 70 km

圖3 海底電纜與管道在兩種并行長度條件下,管道最大交流電流密度隨并行間距的變化規律Fig.3 The change of maximum AC current density with the parallel spacing between submarine cables and pipelines for two kinds ofparallel lengths: (a) parallel length 10 km; (b) parallel length 70 km

2.2 并行長度對管道交流干擾的影響規律

根據構建的模型,在電壓為220 kV、并行間距為30 m和100 m情況下,改變管道與海纜兩者之間的并行長度為0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km,以探究并行長度對管道交流干擾程度的影響規律,結果見圖4和圖5。

圖4 海底電纜與管道并行間距30 m時,并行長度對管道交流干擾程度的影響Fig.4 The effects of parallel lengths on the degree of AC interference suffered by the pipeline for the parallel spacimg of30 m between submarine cable and pipeline

由圖4可知:30 m并行間距條件下,當管道與海纜并行長度為0.5 km時,管道最大交流電流密度為39.72 A/m2,隨著并行長度增至10,50,100 km,管道最大交流電流密度分別為285.46,280.15,283.72 A/m2。

由圖5可知:100 m并行間距條件下,當管道與海纜之間并行長度為0.5 km時,管道最大交流電流密度為8.76 A/m2,隨著并行長度增至10,50,100 km,管道最大交流電流密度分別為64.12,62.99,63.79 A/m2。

由圖6可知:在并行間距為30 m的情況下,管道最大交流電流密度隨并行長度增大而迅速增大,當并行長度為10 km時,管道交流電流密度達到最大值285.46 A/m2,繼續增大并行長度至30 km,管道最大交流電流密度緩慢減小到271.97 A/m2;并行長度再增大,管道最大交流電流密度有較小的增加。在并行間距為100 m的情況下,管道受到的最大交流電流密度干擾規律與并行間距30 m時的類似,在并行長度達到10 km時,管道最大交流電流密度達到最大值285.46 A/m2,之后管道最大交流電流密度緩慢減小到271.97 A/m2;并行長度再增大,管道最大交流電流密度沒有明顯的變化。

2.3 海纜電壓等級對管道交流干擾的影響規律

當海纜的電壓等級發生變化時,其三相負載電流及三相不平衡度會發生變化,對管道的交流干擾也會發生變化。在構建的幾何模型基礎上,設置并行間距為30 m,并行長度為10 km,選取海纜電壓等級為35,110,220 kV進行模擬計算,其三相額定負載電流分別為422,698,1 050 A,考察了不同電壓等級對管道交流干擾的影響,如圖7所示。

圖7 不同電壓等級下的管道受交流干擾情況Fig.7 AC interference of pipelines under different voltagegrade conditions

由圖7可見:最大交流電流密度均隨電壓等級的增大而增大,且管道受到的交流干擾程度最大處均位于海纜起點處;當海纜的電壓等級為35 kV時,對應最大交流電流密度為158.30 A/m2;當海纜的電壓等級為110 kV時,對應最大交流電流密度為261.83 A/m2;當海纜的電壓等級為220 kV時,對應最大交流電流密度為285.46 A/m2。

3 海底電纜與管道在不同并行長度與電壓等級下的安全距離

基于上述計算結果,探討海底電纜與管道在不同并行長度與電壓等級下的交流腐蝕安全距離。ISO 18086:2019Corrosionofmetalsandalloys-DeterminationofACcorrosion-Protectioncriteria和GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準則》指出,在海洋環境中的交流腐蝕評判指標如下:當交流電流密度小于30 A/m2時,交流干擾程度為“弱”。將管道受到的最大交流電流密度小于30 A/m2作為交流腐蝕安全間距的限值,從而得出安全距離。

在上述模型及已有計算基礎上,分別計算了電纜電壓等級為220 kV和110 kV,管道并行長度為0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km情況下,不同并行間距時管道受到的交流電流密度。采用交流電流密度的評估標準,根據計算得到的最大交流電流密度,對海底管道受交流干擾程度進行評估,并得出海底電纜與管道之間可避免交流腐蝕的安全距離,見表2。

表2 海底電纜與管道在不同并行長度與電壓等級下可避免交流腐蝕的安全保護距離

4 結 論

利用數值模擬軟件建立了海底電纜對管道交流干擾模型,通過模擬計算,得到了并行間距、并行長度和電壓等級對管道所受交流干擾參數的變化規律。通過大量的模擬計算,采用交流電流密度的評估標準,評估了管道的交流腐蝕風險,得到了海底電纜與管道在不同并行間距與并行長度下可避免交流腐蝕的安全距離,具體如下:

(1) 當高壓電纜與海底管道并行時,隨著電纜與管道之間的距離增大,管道受到的最大交流電流密度迅速降低,且當并行間距達到200 m后,繼續增大海纜與管道并行間距,其對管道最大交流電流密度的影響不大;

(2) 增大高壓電纜與海底管道的并行長度,管道所受的最大交流電流密度迅速增大,繼而緩慢減小,最終趨于穩定;

(3) 管道受電磁干擾產生的最大交流電流密度隨電壓等級增大而增大;

(4) 根據大量模擬計算的結果,得出在并行長度為0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km,電壓等級為110,220 kV下,海底電纜與管道之間避免交流腐蝕的安全距離,可以為電纜與管道的工程建設提供參考。