我國(guó)資源儲(chǔ)備與能源需求存在地區(qū)分布不平衡的現(xiàn)象，客觀上需要在大范圍內(nèi)進(jìn)行能源的長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)移以及優(yōu)化配置，因此高壓直流輸電工程和油氣管道工程日益得到蓬勃發(fā)展。

我國(guó)自20世紀(jì)80年代引入高壓直流輸電技術(shù)，30多年來(lái)建成大容量直流輸電工程36個(gè)，總?cè)萘窟_(dá)120.81 GW，無(wú)論從輸送容量或是輸電距離而言，我國(guó)都已成為直流輸電第一大國(guó)。然而，由于地理環(huán)境的限制，埋地油氣管道與高壓直流電系統(tǒng)會(huì)不可避免地發(fā)生靠近，甚至存在管道與輸電線路共用能源走廊的情況，高壓直流輸電工程對(duì)管道的潛在威脅與干擾腐蝕問(wèn)題逐漸暴露。

當(dāng)高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)按正常工況雙極運(yùn)行時(shí)，不平衡入地電流僅為額定運(yùn)行電流的1%左右，幾十安培的雜散電流雖然對(duì)幾千米外的管道干擾不明顯，但其累計(jì)效應(yīng)不可忽視。

高壓直流輸電系統(tǒng)在投運(yùn)初期、年度檢修以及故障排查時(shí)均采用單極大地返回運(yùn)行方式，上千安培的電流經(jīng)接地極流入大地，會(huì)對(duì)附近的埋地金屬管道及構(gòu)筑物產(chǎn)生明顯的雜散電流干擾。相比其他直流干擾，高壓直流干擾具有干擾電流更大、管道受干擾強(qiáng)度更高和影響范圍更廣的典型特征，不僅會(huì)造成埋地金屬管道腐蝕，還給人員、設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

近年來(lái)，高壓直流接地極放電干擾埋地金屬管道的問(wèn)題受到了廣泛關(guān)注。在國(guó)內(nèi)建成的直流輸電工程中，已經(jīng)出現(xiàn)了多起接地極放電造成周邊埋地金屬管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的案例。但是目前關(guān)于高壓直流干擾對(duì)埋地金屬管道影響的認(rèn)識(shí)仍存在較大局限性，室內(nèi)試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際干擾程度的指導(dǎo)尚存在不足，迫切需要從干擾腐蝕機(jī)理、危害與影響因素等方面進(jìn)行深入研究，明確高壓直流干擾的檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)高壓直流干擾問(wèn)題提出有效的防控措施。

1   高壓直流干擾腐蝕機(jī)理及危害

對(duì)金屬管道而言，高壓直流接地極放電后，大量電流流入大地，因埋地金屬管道的電阻相比大地電阻更低，管道的“集流效應(yīng)”匯集了地中電流，并且直流電流具有穩(wěn)定、衰減比低的特征，管道內(nèi)雜散電流會(huì)沿管道流動(dòng)，最終從電阻相對(duì)較低的防腐蝕層破損點(diǎn)流出。

管道吸收、傳遞、釋放電流的具體位置取決于管道與接地極的相對(duì)位置、電流極性以及所處環(huán)境。當(dāng)接地極陽(yáng)極放電時(shí)，雜散電流從接地極流向土壤，并在近接地極處流入管道，在遠(yuǎn)離接地極區(qū)域流出；相反，當(dāng)接地極陰極放電時(shí)，電流從大地流向接地極，雜散電流從近接地極區(qū)域管段流出，在遠(yuǎn)離接地極處流入。

雜散電流從管道上流出的區(qū)域?yàn)殛?yáng)極區(qū)，該區(qū)域管段發(fā)生腐蝕，防腐蝕層存在缺陷的管道還可能發(fā)生穿孔，對(duì)應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)如下：

Fe→Fe2++2e-

在中性或堿性環(huán)境中，還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

Fe(OH)3不穩(wěn)定，會(huì)轉(zhuǎn)化為赤色腐蝕產(chǎn)物羥基氧化鐵（FeOOH）、黑色腐蝕產(chǎn)物水合氧化鐵（Fe2O3·3H2O），或經(jīng)脫水后轉(zhuǎn)化為黃褐色氧化鐵（Fe2O3）。

雜散電流流入的區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)，對(duì)應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)如下：

O2+2H2O+4e-→4OH-

陰極區(qū)管段雖不存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，但局部區(qū)域pH升高，當(dāng)防腐蝕層存在漏點(diǎn)時(shí)，在高壓直流接地極放電導(dǎo)致的負(fù)電位下陰極區(qū)會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，堿性電解質(zhì)會(huì)降解聚合物防腐蝕涂層，造成管道防腐蝕層的“陰極剝離”，繼而導(dǎo)致管道在后續(xù)服役過(guò)程中腐蝕加劇，該現(xiàn)象在受陰極保護(hù)的管道上更加嚴(yán)重。對(duì)于高強(qiáng)度及硬度的管材（如高鋼級(jí)管材X80鋼等），以及焊縫、彎頭處受加工工藝影響形成組織劣化的高硬度區(qū)，高壓直流負(fù)向干擾對(duì)其氫脆敏感性的影響不可忽視。

此外，在高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況條件下，接地極放電極性、持續(xù)時(shí)間、時(shí)間間隔具有不確定性，因此管道的近端與遠(yuǎn)端都存在腐蝕、防腐蝕層剝離和氫脆等風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，當(dāng)距離較近的后建接地極進(jìn)行相同極性放電時(shí)，若存在時(shí)間重疊，還會(huì)對(duì)管地電位偏移量產(chǎn)生累加效應(yīng)。

在人員與設(shè)備安全方面，應(yīng)考慮管道金屬電位與所處大地電位的差值導(dǎo)致的人身接觸電壓。當(dāng)管道、測(cè)試樁電纜等其他與管道電氣連通的構(gòu)件與近地的電位差超過(guò)GB/T 3805-2008《特低電壓（ELV）限制》規(guī)定的穩(wěn)態(tài)接觸電壓限制（35 V）時(shí)，可能會(huì)對(duì)測(cè)試人員造成人身安全傷害。同時(shí)，高壓直流接地極放電還會(huì)造成非等電位連接設(shè)備之間電位差過(guò)大，且可能影響陰極保護(hù)設(shè)施的正常運(yùn)行。

目前已報(bào)道的高壓直流干擾造成的不同形式的危害包括閥室處絕緣卡套放電燒蝕、測(cè)試樁和站場(chǎng)的跨接線燒毀、恒電位儀內(nèi)部元件燒毀、恒電位儀無(wú)法正常運(yùn)行、固態(tài)去耦合器燒毀、極性排流元件損壞、犧牲陽(yáng)極和排流接地體消耗速率加快以及排流接地體短接片燒蝕等。

2   高壓直流干擾下管道受干擾程度的影響因素

高壓直流接地極放電條件的影響

在高壓直流接地極放電條件方面，研究人員針對(duì)高壓直流干擾腐蝕規(guī)律開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)研究工作。

秦潤(rùn)之等與熊娟等團(tuán)隊(duì)通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探究了高壓直流干擾下X80鋼的腐蝕行為，他們發(fā)現(xiàn)在不同干擾電壓條件（最大為300 V）下管線鋼的電流密度隨時(shí)間的變化規(guī)律呈現(xiàn)出3個(gè)階段：在幾秒內(nèi)迅速達(dá)到峰值，隨后在幾百秒內(nèi)下降至穩(wěn)定值，最后在穩(wěn)定值保持較長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)干擾電壓越大時(shí)，電流密度峰值越大且下降幅度越大，當(dāng)干擾電壓小于50 V時(shí)，電流密度下降幅度不明顯。基于對(duì)試片附近土壤含水量、溫度以及電阻率的測(cè)試與分析可知，電流密度下降主要?dú)w因于強(qiáng)干擾電壓作用下試片附近土壤含水量下降、溫度升高以及局部土壤電阻率大幅增大。

此外，熊娟等團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下，當(dāng)干擾電壓為150 V和200 V時(shí)，管線鋼的腐蝕速率最大（約為2.15 μm/h），即干擾電壓對(duì)腐蝕的影響程度存在臨界值。秦潤(rùn)之等發(fā)現(xiàn)，相比基于峰值電流密度或穩(wěn)定電流密度的計(jì)算結(jié)果，按干擾過(guò)程中電流密度曲線積分計(jì)算得到的理論腐蝕速率與真實(shí)腐蝕速率更為接近。

部分研究人員綜合運(yùn)用了高壓直流接地極真實(shí)放電對(duì)實(shí)際管道干擾的數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)干擾腐蝕規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

新西蘭Benmore-Haywards高壓直流工程連接新西蘭北島和南島，該輸電線路在大地返回工作模式下的電流達(dá)2400 A，自首次調(diào)試以來(lái)的40年內(nèi)，O′BRIEN等調(diào)研了接地極放電對(duì)附近管道腐蝕的影響后指出，即使土壤中的地電位梯度較小，金屬管道仍可能發(fā)生較為明顯的腐蝕問(wèn)題。

王愛(ài)玲等基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了貴廣II回±500 kV高壓直流輸電系統(tǒng)接地極故障電流對(duì)西南某天然氣管道的影響程度。檢測(cè)期間接地極發(fā)生了電流大小分別為600 A和1200 A的不同極性的多次放電，放電過(guò)程中距接地極最近的管道的電位偏移量最大，但管道中電流較小，管道中電流的最大值出現(xiàn)在管地電位正負(fù)極性交變區(qū)。在相同電流、不同極性的放電條件下，管道電位偏移方向改變而偏移量不受影響。此外，在相同放電極性、不同電流的放電條件下，管地電位及管中電流與接地極放電量之間不存在線性關(guān)系。

蔣卡克等對(duì)上海天然氣管道的電位進(jìn)行了為期6個(gè)月的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，獲得了接地極放電對(duì)管道的干擾頻次、干擾持續(xù)時(shí)間及通斷電電位偏移程度等信息，其中南橋接地極2400 A放電工況對(duì)管道的干擾最大，管道斷電電位最正可達(dá)-0.23 V，通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室極化試驗(yàn)獲得該電位條件下試片的電流密度為0.7 mA/cm2（流出）。該研究假設(shè)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)每次放電均為陰極最大放電情況（2400 A），由法拉第定律可得該條件下鋼材6個(gè)月內(nèi)的累計(jì)消耗量為7.03×10-3 mol/cm2，換算成平均腐蝕速率為1.00 mm/a，這嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)行。

防腐蝕層狀況的影響

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，干擾因素的調(diào)控往往受限于目標(biāo)管道的狀態(tài)，影響因素復(fù)雜且難以單獨(dú)調(diào)控，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室研究又難以復(fù)現(xiàn)高壓直流接地極放電過(guò)程。隨著邊界元、有限元等數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，目前已有不少學(xué)者利用模擬計(jì)算方法開(kāi)展了高壓直流干擾影響因素與規(guī)律的研究工作，這些研究主要分為編程計(jì)算與軟件模擬兩方面。編程計(jì)算方面可以劃分為以矩量法為代表的場(chǎng)路耦合方法和以有限元、邊界元為代表的微分方程求解方法兩類；在仿真模擬方面，通常使用的計(jì)算軟件包括邊界元分析軟件CDEGS、BEASY與有限元分析軟件ANSYS等。

在防腐蝕層狀況方面，早期的數(shù)值模型往往相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)真實(shí)干擾下管道的腐蝕工況的描述存在不足。以基于矩量法的數(shù)值計(jì)算模型為例，通常對(duì)防腐蝕層參數(shù)采取均一化處理，缺乏針對(duì)存在局部缺陷的防腐蝕層工況的研究。

李雄等基于矩量法，建立了考慮防腐蝕層局部破損的埋地管道高壓直流干擾數(shù)值計(jì)算模型，并結(jié)合典型案例探究了防腐蝕層破損點(diǎn)數(shù)量、位置及面積對(duì)管道腐蝕嚴(yán)重程度的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明：在防腐蝕層破損點(diǎn)均勻分布條件下，破損點(diǎn)數(shù)量對(duì)破損點(diǎn)處泄漏電流密度的影響較小；在破損點(diǎn)集中分布條件下，管道可能發(fā)生單一腐蝕或氫損傷；防腐蝕層破損面積越小，破損處泄漏電流密度越大，并且當(dāng)破損率增大到一定程度后，泄漏電流密度趨于穩(wěn)定。

值得注意的是，在防腐蝕層破損處管道金屬與大地直接接觸，存在極化效應(yīng)，這在早期研究中很少被考慮。曹方圓等考慮了管道的極化效應(yīng)，將破損點(diǎn)處管道與土壤等效為串聯(lián)的對(duì)地電阻和受破損點(diǎn)電流密度控制的對(duì)地電壓源，優(yōu)化了之前考慮管道防腐蝕層、絕緣接頭、犧牲陽(yáng)極等防護(hù)措施的電路模型，并結(jié)合CDEGS軟件驗(yàn)證了該數(shù)值模型的正確性。該團(tuán)隊(duì)計(jì)算獲得了接地極與埋地金屬管道的安全距離，并探究了防腐蝕層類型及狀況對(duì)安全距離的影響。結(jié)果表明，防腐蝕層的面電阻率越大、破損率越小，管道的安全距離越長(zhǎng)。

劉昌等利用電磁分析軟件CDEGS，建立了高壓直流接地極放電條件下埋地金屬管道的仿真計(jì)算模型，對(duì)比了防腐蝕層絕緣性良好與破損工況下接地極入地電流對(duì)埋地金屬管道的影響。研究表明，當(dāng)防腐蝕層破損時(shí)，需要考慮管道的極化過(guò)程，而當(dāng)防腐蝕層完好時(shí)，管道與土壤之間的阻抗為接地電阻（考慮防腐蝕層電阻，一般遠(yuǎn)大于極化電阻），管道與土壤界面處幾乎沒(méi)有電流的流入與流出，相應(yīng)的管地電位差遠(yuǎn)大于防腐蝕層破損工況下的電位差。

環(huán)境因素的影響

環(huán)境因素同樣是影響高壓直流干擾的重要因素，計(jì)算中若不考慮地形與土壤電阻率分布，而用均一化的土壤參數(shù)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線以及深度方向上土壤結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確描述，難以獲得符合工程實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。

曹方圓等研究發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率對(duì)管道安全距離的影響較大，當(dāng)土壤電阻率越大時(shí)，管道的安全距離越長(zhǎng)，土壤pH則幾乎不改變管道的泄漏電流密度。

孟曉波等結(jié)合矩量法與邊界元法，建立了考慮復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的埋地管道直流干擾數(shù)值計(jì)算模型，具體包括分區(qū)分層的土壤模型、考慮防腐蝕層破損的管道模型和陰極保護(hù)模型。針對(duì)土壤電阻率橫向與深度方向分布的區(qū)域化特點(diǎn)，其算法模型考慮了管道與土壤之間的非線性電化學(xué)極化效應(yīng)，結(jié)合建模過(guò)程可知，土壤電阻率對(duì)管道受干擾程度的影響本質(zhì)上是雜散電流在復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)中的流散與界面處的面電流密度差異。此外，該研究還結(jié)合了試驗(yàn)管道（約40 m）的電位檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了上述模型計(jì)算結(jié)果的正確性。

除了研究陸地土壤環(huán)境中的高壓直流干擾問(wèn)題外，研究人員還意識(shí)到海岸直流接地極放電對(duì)地下金屬構(gòu)件的影響更大，這是因?yàn)楹┑碾娮杪蔬h(yuǎn)小于陸地土壤電阻率，并且海洋面積遠(yuǎn)大于陸地面積。

遲興和等針對(duì)高壓直流接地極放電對(duì)海灘沼澤潮間帶內(nèi)埋地金屬管道的腐蝕問(wèn)題開(kāi)展了研究，構(gòu)建了綜合考慮海灘土壤電阻率、大地土壤電阻率以及海灘地形的計(jì)算模型，計(jì)算了接地極附近的土壤電位梯度，并基于SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)直流地電位梯度的要求（小于2.5 mV/m），獲得了接地極與埋地金屬構(gòu)件之間的安全距離的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：Id為接地極入地電流；R為等效半球體半徑，即安全距離；ρ1為海灘土壤電阻率；ρ2為大地土壤電阻率；β為土壤電阻率分界面與大堤夾角。

綜上所述可知，關(guān)于高壓直流干擾規(guī)律的基礎(chǔ)性研究還有待進(jìn)一步深入。高壓直流干擾具有偶發(fā)性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試往往難以捕捉，并且實(shí)驗(yàn)室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)現(xiàn)性較差，如何在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中辨別高壓直流干擾與其他因素對(duì)管道腐蝕的影響、在實(shí)驗(yàn)室條件下如何構(gòu)建合理的高壓直流干擾腐蝕裝置、能否直接依據(jù)接地設(shè)計(jì)參數(shù)劃定安全距離，這些問(wèn)題還有待深入研究。在模擬研究方面，土壤模型對(duì)雜散電流的流散以及管道的電位分布具有重要影響，尤其在大研究尺度下管道在沿線土壤環(huán)境中的極化特性存在差異，故應(yīng)依據(jù)工程需求實(shí)現(xiàn)土壤與管道的準(zhǔn)確描述，建立符合實(shí)際情況的高壓直流干擾計(jì)算模型。

3    高壓直流干擾的檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

電流密度測(cè)試及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

雜散電流密度、管地電位偏移量以及地表電位梯度是反映高壓直流干擾對(duì)管道影響的重要檢測(cè)指標(biāo)。由于影響金屬管道腐蝕嚴(yán)重程度最重要的因素是直流接地極入地電流大小，所以評(píng)價(jià)金屬管道受干擾情況最直接的方法就是測(cè)量流入管道的電流大小以及相應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)外已成功研發(fā)了用于測(cè)量管道雜散電流的專業(yè)儀器，如英國(guó)雷迪公司和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所國(guó)家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心研制的雜散電流智能測(cè)試儀等。然而，專業(yè)儀器價(jià)格昂貴，難以普及使用，實(shí)際工程中大多采用間接測(cè)量方法，如采用電壓差計(jì)算法、腐蝕試片埋設(shè)法、加裝ER腐蝕速率探頭。

值得注意的是，在測(cè)量接地放電導(dǎo)致的管道腐蝕速率等參數(shù)間接變化時(shí)，需要考慮測(cè)試點(diǎn)處的土壤類型、接地極類型以及管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行工況等影響因素，應(yīng)盡可能排除其他因素，僅測(cè)量接地極放電造成的流入或流出管道的電流密度大小。上述間接測(cè)量方法雖然可以獲得腐蝕速率等參數(shù)，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到檢測(cè)位置選取以及外界因素的影響，僅對(duì)個(gè)別位置開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線高壓直流干擾情況的評(píng)估。

在評(píng)價(jià)準(zhǔn)則方面，DL/T 5224-2014《高壓直流輸電線路大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定，在等效入地電流下，當(dāng)非絕緣地下金屬管道的泄漏電流密度大于1 μA/cm2或者累積腐蝕量（厚度）影響到其安全運(yùn)行時(shí)，需要采取保護(hù)措施。然而在實(shí)際工程中，基于泄漏電流密度、瞬時(shí)腐蝕速率或某時(shí)段的累積腐蝕量評(píng)價(jià)管道的受干擾程度存在局限性，管道的累積腐蝕量與接地極的放電情況密切相關(guān)，需要獲取高壓直流接地極單極運(yùn)行情況，包括接地極歷次放電極性、大小、時(shí)長(zhǎng)，以及計(jì)劃停運(yùn)率、故障停運(yùn)率等。

管地電位偏移量測(cè)試及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

管地電位偏移量和持續(xù)時(shí)間決定了管道受干擾腐蝕的危害程度，并且管地電位偏移量測(cè)試是現(xiàn)場(chǎng)最常用的測(cè)量方法之一。當(dāng)管道正常運(yùn)行時(shí)，管地電位波動(dòng)幅度比較小，但當(dāng)管道受到高壓直流干擾時(shí)，高強(qiáng)度的直流電流在管道的破損處流入或流出，管地電位偏移量反映了埋地金屬管道的受干擾程度。

在管地電位測(cè)量方面，工程中通常采用參比法，其中最為常見(jiàn)的是地表參比法和近參比法，它們分別應(yīng)用于短時(shí)間的雜散電流測(cè)量和長(zhǎng)期測(cè)量，然而其他因素引起的地表流動(dòng)電流以及偏移指標(biāo)中的IR降會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，已在部分管道疑似干擾嚴(yán)重管段加裝了智能測(cè)試樁，通過(guò)試片法對(duì)管道通斷電電位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可為了解高壓直流接地極放電時(shí)管道受干擾情況提供重要數(shù)據(jù)。

在評(píng)價(jià)準(zhǔn)則方面，GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》指出一般土壤和水環(huán)境中管道的最小保護(hù)電位為-0.85 V，限制臨界電位不應(yīng)比-1.20 V更負(fù)。DL/T 5224-2014規(guī)定，在等效入地電流下，如管道對(duì)其周邊土壤的電壓超過(guò)-1.5～-0.85 V，應(yīng)采取保護(hù)措施。此外，GB/T 21447-2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》和GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)于沒(méi)有實(shí)施陰極保護(hù)的管道，宜采用管地電位相對(duì)于自然電位的偏移量進(jìn)行判斷。當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對(duì)于自然電位的正向或負(fù)向偏移量超過(guò)20 mV時(shí)，應(yīng)確定存在直流干擾；當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對(duì)于自然電位的正向偏移量大于或等于100 mV時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。對(duì)于已實(shí)施陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道的最小保護(hù)電位不滿足要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。

除了當(dāng)前研究中較為受重視的電位正向偏移量之外，還應(yīng)當(dāng)按照GB/T 21448-2017要求，關(guān)注電位負(fù)向偏移量下防腐蝕層的陰極剝離、起泡以及含馬氏體和鐵素體管道的氫脆風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合高壓直流干擾的偶發(fā)性和電流強(qiáng)度大的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)的陰極保護(hù)準(zhǔn)則尚缺乏對(duì)管道年允許最大電位偏移程度、偏移時(shí)間以及正負(fù)向偏移情況的明確規(guī)定，應(yīng)用于高壓直流干擾問(wèn)題的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍有待進(jìn)一步研究。

地電位梯度測(cè)試及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

當(dāng)高壓直流接地極單極運(yùn)行時(shí)，入地電流會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生地表電位梯度，從而引起管道或埋地金屬構(gòu)件上電流的流入或流出。地電位梯度測(cè)試相對(duì)容易實(shí)施，GB 50991-2014給出了管地電位梯度與雜散電流方向的詳細(xì)測(cè)試方法。當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展地電位梯度測(cè)試并判斷高壓直流干擾程度時(shí)，較大的電極間距（不宜小于20 m）會(huì)使數(shù)據(jù)分析更加精確，并且應(yīng)當(dāng)削弱測(cè)量環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)的影響，盡量保證測(cè)試點(diǎn)處地形、土質(zhì)等條件保持一致。然而，該測(cè)量方法還易受到其他干擾源、附近電場(chǎng)和局部漏點(diǎn)的影響，表現(xiàn)出測(cè)試結(jié)果重復(fù)性差的缺點(diǎn)。

在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，GB 50991-2014指出，當(dāng)管道工程處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，可采用管道擬經(jīng)路由兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)的地電位梯度判斷土壤中雜散電流的強(qiáng)弱。當(dāng)?shù)仉娢惶荻却笥?.5 mV/m時(shí)，應(yīng)確認(rèn)存在直流雜散電流；當(dāng)?shù)仉娢惶荻却笥诨虻扔?.5 mV/m時(shí)，應(yīng)評(píng)估管道敷設(shè)后可能受到的直流干擾影響，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果預(yù)設(shè)干擾防護(hù)措施。

需要說(shuō)明的是，該測(cè)量方法獲得的地電位梯度由地表流動(dòng)電流引起，與干擾條件下實(shí)際流入或流出管道的電流大小沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道受干擾程度的定性評(píng)價(jià)，這在很大程度上限制了地電位梯度評(píng)價(jià)高壓直流干擾程度在工程與研究中的實(shí)用性。

最小防護(hù)距離評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

上述測(cè)試與評(píng)價(jià)方法往往適用于接地極放電已經(jīng)對(duì)管道產(chǎn)生干擾并使管道參數(shù)變化的情況，最小防護(hù)距離可更為直接地評(píng)價(jià)待建或已建接地極放電的影響范圍。

在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，DL/T 5224-2014和DL/T 437-2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定，在接地極與地下金屬管道的最小距離d小于10 km，或者地下金屬結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度大于d的情況下，應(yīng)計(jì)算接地極電流對(duì)管道產(chǎn)生的不良影響。

此外，部分研究工作還將標(biāo)準(zhǔn)中的地電位梯度或腐蝕速率等參數(shù)控制值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于求解特定工況下的高壓直流接地極最小防護(hù)距離。遲興和等根據(jù)GB 50991-2014對(duì)地電位梯度的要求，計(jì)算最小防護(hù)距離，并認(rèn)為當(dāng)接地極周圍地電位梯度衰減到2.5 mV/m時(shí)，距接地極中心的距離即為最小防護(hù)距離。該研究結(jié)合某500 kV直流輸電工程接地極選址工作，提出了海岸直流接地極與地下金屬管道構(gòu)件防護(hù)距離的計(jì)算方法，依據(jù)接地極周圍真實(shí)環(huán)境與地質(zhì)情況建立數(shù)學(xué)模型，基于土壤電位梯度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，獲得了上述計(jì)算條件下直流接地極與金屬構(gòu)件的最小防護(hù)距離約為965 m。

曹方圓等將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NACE SP 0169-2013《埋地或水下金屬管線系統(tǒng)外腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的0.0254 mm/a腐蝕速率作為防護(hù)距離的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了在接地極陰極放電工況下土壤電阻率、土壤pH和管道防腐蝕層類型對(duì)管道防護(hù)距離的影響。該研究雖然未考慮土壤電阻率等參數(shù)在接地極與管道之間以及管道沿線的區(qū)塊劃分，但獲得了典型、均一設(shè)計(jì)條件下的防護(hù)距離，探明了上述各因素對(duì)防護(hù)距離的影響規(guī)律。

CAO等指出，對(duì)于多層土壤結(jié)構(gòu)，若將最大單層電阻率作為總電阻率，則可以計(jì)算得到最為保守（最長(zhǎng)）的安全距離。

值得注意的是，接地極對(duì)金屬管道的影響與目標(biāo)接地極所屬輸電系統(tǒng)電容量、所處土壤環(huán)境、金屬管道狀況等眾多因素相關(guān)，難以使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)衡量，上述理論研究為確定真實(shí)環(huán)境中高壓直流接地極與金屬管道之間的最小防護(hù)距離確定提供工程參考。

4   高壓直流干擾的防控措施

總體而言，高壓直流接地極的干擾防控可分為兩類，即控制雜散電流的產(chǎn)生和采取防控措施減輕干擾。GB 50991-2014規(guī)定，管道側(cè)應(yīng)根據(jù)調(diào)查與測(cè)試的結(jié)果，選擇排流保護(hù)、陰極保護(hù)、防腐蝕層修復(fù)、等電位連接、絕緣隔離、絕緣裝置跨接和屏蔽等干擾防護(hù)措施。下面總結(jié)埋地管道針對(duì)高壓直流干擾可采取的防控措施。

首先，增加回路電阻可以阻斷或抑制雜散電流流入管道，主要措施包括防腐蝕層修復(fù)、絕緣隔離等。在防腐蝕層修復(fù)方面，孟曉波等通過(guò)建立等效電路模型，探究了增強(qiáng)絕緣防腐蝕層對(duì)抑制直流接地極入地電流影響的效果。結(jié)果表明，當(dāng)防腐蝕層電阻率較大時(shí)，進(jìn)一步增加防腐蝕層電阻率或防腐蝕層厚度對(duì)控制管地電位的作用較小；對(duì)于存在防腐蝕層破損點(diǎn)的管道，增強(qiáng)防腐蝕層絕緣性能減小流出管道的電流，但破損點(diǎn)處電流密度增大，反而會(huì)加劇防腐蝕層破損處的管道腐蝕。

管道的絕緣接頭可進(jìn)行分段絕緣，從而使得管道本身的陰極保護(hù)電流集中在防護(hù)段，不易流失。孟曉波等基于仿真計(jì)算研究了絕緣接頭對(duì)高壓直流干擾的緩解效果，發(fā)現(xiàn)增設(shè)絕緣接頭可明顯控制管地電位，從而大大降低管道防腐蝕層和陰極保護(hù)設(shè)備面臨的風(fēng)險(xiǎn)，并且針對(duì)靠近接地極的管段，絕緣分段越短可以更好地控制管地電位，并指出對(duì)受高壓直流干擾嚴(yán)重的管段可通過(guò)優(yōu)化絕緣接頭布局實(shí)現(xiàn)管地電位的控制。

直流排流保護(hù)方式可分為4種，包括直接排流、極性排流、接地排流、強(qiáng)制排流。直接排流法僅適用于管道陽(yáng)極區(qū)范圍穩(wěn)定且允許直接向干擾源排流的工況；極性排流適用于陽(yáng)極區(qū)不穩(wěn)定的場(chǎng)合，若向干擾源排流，則以上兩種排流方法均會(huì)對(duì)電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生影響；接地排流需要安裝并定期更換犧牲陽(yáng)極材料；強(qiáng)制排流是通過(guò)主動(dòng)為管道施加陰極保護(hù)電流抑制干擾腐蝕的發(fā)生。目前常用的排流方式為接地排流和強(qiáng)制排流，或兩者結(jié)合的方式。

廖永力等基于南方地區(qū)某接地極與管道的實(shí)際參數(shù)，建立了數(shù)值計(jì)算模型，研究了集中接地、犧牲陽(yáng)極和強(qiáng)制排流措施對(duì)高壓直流干擾的防護(hù)效果。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)管道采用集中接地裝置時(shí)，管道局部受干擾程度可明顯降低，但作用范圍小（不足500 m）；敷設(shè)犧牲陽(yáng)極對(duì)管道的防護(hù)效果明顯，尤其在長(zhǎng)距離敷設(shè)且與管道多點(diǎn)連接條件下，防護(hù)效果更好；根據(jù)工作電流的強(qiáng)制排流措施可以實(shí)現(xiàn)不同程度的防護(hù)效果，但不宜與其他接地排流措施同時(shí)使用。

陰極保護(hù)方法是基于電化學(xué)原理，通過(guò)施加陰極電流使管道達(dá)到保護(hù)狀態(tài)。蔣卡克等基于BEASY軟件，模擬了管線在額定放電情況下的電位分布，并開(kāi)展了干擾防護(hù)措施研究。因上海管網(wǎng)周邊環(huán)境的局限性，該研究不考慮敷設(shè)陽(yáng)極帶等措施，僅通過(guò)調(diào)整現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)和施加強(qiáng)制排流實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓直流干擾的防控。模擬結(jié)果表明：在陰極放電情況下，需在3處閥室位置添加強(qiáng)制排流系統(tǒng)；在陽(yáng)極放電情況下，需要調(diào)整現(xiàn)有的10處陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出參數(shù)。該防護(hù)方案條件下全線管地電位均低于-0.85 V，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)降低，但該措施導(dǎo)致管地電位整體負(fù)移（最負(fù)達(dá)-3.32 V），該方案還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

通過(guò)組合多種防護(hù)技術(shù)往往可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓直流干擾腐蝕的有效緩解。趙雅蕾等基于邊界元軟件BEASY，分別探究了防腐蝕層均勻破損率對(duì)管道腐蝕的影響，以及絕緣法蘭和緩解鋅帶的防護(hù)效果。結(jié)果表明：防腐蝕層破損率越小，干擾電流越集中，局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)越高；絕緣法蘭之間的管段可得到有效保護(hù)，而隔離區(qū)外管段干擾腐蝕加劇，鋅帶的保護(hù)范圍有限。結(jié)合各防護(hù)措施的特點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)提出了分段絕緣+陰極保護(hù)+緩解鋅帶的綜合措施，其中分段隔離與鋅帶敷設(shè)措施可以減小恒電位儀的輸出電流，陰極保護(hù)可以控制隔離段外管道的受干擾情況。

楊超等依據(jù)溪洛渡至金華特高壓直流輸電工程金絲接地極與金麗溫輸氣管道的實(shí)際資料，通過(guò)邊界元方法探究了不同防護(hù)措施對(duì)管道的有效性。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)改變接地極與管線距離時(shí)，間距為0~30 km，隨間距的增加，管地電位受影響程度急劇減小，繼續(xù)增大間距，改善程度減弱，當(dāng)間距為60 km與100 km時(shí)，管地電位基本相同，故在實(shí)際工程中接地極與管道的間距應(yīng)至少保持30 km，并且應(yīng)評(píng)估接地極放電對(duì)60 km范圍內(nèi)埋地金屬管道的干擾情況。當(dāng)以30 km為間距對(duì)管道加裝絕緣法蘭，采取分段隔離措施時(shí)，絕緣法蘭兩側(cè)電位差達(dá)1.22 V，存在絕緣法蘭擊穿或人員觸電的風(fēng)險(xiǎn)，故還需設(shè)置絕緣法蘭跨接。分段絕緣+陰極保護(hù)的綜合措施對(duì)管道起到協(xié)同保護(hù)作用，但應(yīng)謹(jǐn)防陰極保護(hù)電流較大造成隔離區(qū)域外管道干擾腐蝕的問(wèn)題。

金東琦針對(duì)上海地區(qū)3處已運(yùn)行高壓直流輸電線路接地極放電對(duì)周邊管網(wǎng)的干擾進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)干擾嚴(yán)重管段電位達(dá)1.01 V，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)巨大，因此基于BEASY軟件模擬研究了高壓直流干擾下在役主干網(wǎng)與待建化工區(qū)復(fù)線管道的防護(hù)措施。針對(duì)尚未敷設(shè)的復(fù)線管道，模擬結(jié)果顯示，當(dāng)接地極放電時(shí)管地電位偏移量為480 V。采取隔離主干網(wǎng)+獨(dú)立陰極保護(hù)+閥室強(qiáng)制排流的綜合防護(hù)措施后，可實(shí)現(xiàn)待建管道全線電位低于-850 mV的防護(hù)準(zhǔn)則要求；針對(duì)在役主干網(wǎng)，該研究提出了強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制的綜合防護(hù)措施，建議增設(shè)10處強(qiáng)制排流保護(hù)站，并安裝15處多點(diǎn)控制，以滿足防護(hù)準(zhǔn)則要求。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，高壓直流干擾問(wèn)題日益嚴(yán)重，研究高壓直流接地極放電對(duì)埋地管道的干擾腐蝕規(guī)律與防控措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于高壓直流接地極放電具有偶發(fā)性、持續(xù)時(shí)間不確定與干擾強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使得對(duì)高壓直流干擾帶來(lái)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控具有難度。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者與技術(shù)人員針對(duì)高壓直流干擾的安全距離與有效的防控措施尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，仍需要從以下方面開(kāi)展深入研究：

1

在后續(xù)研究中應(yīng)考慮構(gòu)建室內(nèi)高壓直流干擾腐蝕等效試驗(yàn)裝置，明確高強(qiáng)度干擾下管道的界面狀態(tài)與極化特性，確定高壓直流干擾腐蝕的控制步驟以及相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)，并探究放電極性、時(shí)間間隔、累計(jì)放電時(shí)間對(duì)管道年平均腐蝕速率的影響；在模擬計(jì)算研究中應(yīng)提高數(shù)值模型對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、管道狀態(tài)和陰極保護(hù)描述的準(zhǔn)確性，建立并優(yōu)化反映真實(shí)工況且滿足工程需求的高壓直流干擾計(jì)算模型。

2

應(yīng)研究高壓直流干擾下金屬管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算方法，合理劃定安全距離，為高壓直流接地極的入地電流控制工作以及干擾腐蝕嚴(yán)重管段的識(shí)別提供依據(jù)。同時(shí)，針對(duì)高壓直流干擾管段提出標(biāo)準(zhǔn)化的緩解措施，或開(kāi)發(fā)新型設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)管地電位的有效調(diào)控以解決高壓直流接地極放電干擾管道電位的工程問(wèn)題。