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潮汐地磁干扰对管道阴极保护系统的影响及缓解措施
李昆
国家管网集团东部储运公司徐州输油处
摘要：沿海长输管道因潮汐地磁干扰引起的地电场变化会影响其阴极保护系统。简述了潮汐地磁干扰产生原理及对沿海管道的作用机理及干扰特点，并通过相关案例对我国东部沿海长输管道因潮汐地磁干扰引起的管地电位波动异常及波动规律特征进行了详细分析，给出了受潮汐地磁干扰管道的缓解、监测及日常管理维护措施。
关键词：潮汐感应；地磁干扰；阴极保护；管地电位；长输管道
腐蚀是引起埋地管道破坏和失效的主要原因之一。目前我国沿海管道遭受潮汐地磁干扰引起地电场变化导致其阴极保护系统不稳定的现象越来越多，地磁感应电流（GIC）对管道的干扰腐蚀影响与检测应得到行业重视，并采取针对性防护措施。太阳黑子的活动引起太阳风强度的变化，使地球磁场发生相应的变形。根据法拉第电磁感应定律，在闭合导体回路中，磁通量变化时，就会在该回路上产生感应电流和电势，在埋地长输油气管道及其涂层与大地所构成的分布式闭合导体回路内产生的感应电流，即地磁感应电流（GIC）[1]。沿海埋地管道除了受到GIC影响之外，还受潮汐感应作用影响。潮汐感应是由于太阳和月亮引力作用的结果，潮汐运动在海里产生的二次电场以及在沿海附近陆地地区产生电势，当海岸两侧电位升高之后，附近埋地油气管道的电位也会随之上升，如图 1、图 2所示。管道上感应电流的大小与土壤电位梯度大小及水的流速、海水电导率有关[2]。
图 1 潮汐地磁感应作用于沿海管线
潮汐地磁干扰的特点。潮汐24小时内呈现“两峰两谷”特性，相邻两波峰或波谷间隔约12 h（波动周期）。高潮时，地电位梯度是管道侧大于海岸线侧，管道电位正向偏移，低潮时则相反。地电位梯度随着靠近高潮时间的不断累积，也随之增大，低潮时则相反。受干扰管道电位随着时间缓慢变化（逐渐正向或负向偏移），且各管段波动规律一致。沿海岸线或距海岸线较近敷设的管道均受潮汐能干扰可能性大，而且管道越长，防腐层越好，所感应的电压（VP，g）就越大[3]。如图 3所示。
图 3 较差防腐层与良好防腐层管道典型的地磁感应电位分布曲线
日照—仪征原油管道（简称日仪线）全长390 km，近海岸线敷设，选用直径914 mm螺旋缝和直缝埋弧焊钢管，采用外加电流阴极保护和环氧粉末防腐涂层相结合的保护方式。2020年，日仪线杂散电流专项调查中发现该管道整体受东部沿海潮汐产生的地电流干扰特征较明显，连云港境内靠近海岸线16#桩～80#桩管段干扰最为严重，管道电位波动区间在 1000 mVCSE～ ﹣3500 m VCSE（图 4）。
图 4 日仪线16#桩～ 80#桩管段管地电位24 h监测曲线
在日仪线16#桩、62#桩位置各设置1台DL-1静态数据记录仪对管道管地电位进行长周期监测，采集频率为1次/30 s。发现2处监测点的管地电位正偏移波峰、负偏移波谷时间节点与江苏新洋港附近海域潮汐高潮、低潮时间节点吻合，规律一致，呈现24 h周期内“两峰—两谷”特征，且相邻2次管地电位正向（涨潮）或负向（低潮）偏移时间间隔均为12 h，两处监测点管道管地电位波动情况一致，均为典型的潮汐地磁干扰特征（图 5）。
（a） 16#桩
（b） 62#桩
图 5 日仪线管地电位监测曲线与对应时间段附近海域潮汐曲线对比图
后续调查中发现，随着日仪线往南逐渐远离东部海岸线深入内陆，管道受到潮汐地磁干扰越来越弱，管地电位波动区间逐渐收窄，进入淮安境内管地电位趋于平稳。目前国内标准规范均未给出专门针对潮汐地电流干扰管道的保护准则，行业内普遍使用澳大利亚标准AS 2832.1―2015《金属的阴极防护. 管道和电缆》中的保护准则：（1）进行管道地电流影响测试时，通常必须记录 20 h的电位。如果采用数据记录仪监测电位，其采样频率应不低于1次/min。（2）受地电流影响的管道电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的10％。确定电位的变化幅度时，应对记录期间电离层扰动的程度进行评价。（1）在阴极保护极化电位不超限的情况下，尽可能调大管道恒电位仪的输出，以抵消潮汐地磁干扰带来的管地电位正向波动影响。受干扰管段的阴极保护极化电位满足AS 2832.1―2015要求，可以有效抑制潮汐地磁干扰对管道的影响，暂不会对管道产生干扰腐蚀影响。（2）在干扰严重、阴极保护不达标管段，采取负接地极（一般采用镁合金牺牲阳极） 极性排流器组合方式进行排流防护（图 6）。
图 6 排流防护装置示意图
（3）加强干扰管段管道极化电位精确测量及动态监测。潮汐地磁干扰地电流对管道阴保效果测试评价的主要影响在于干扰精准测量管线极化电位（Ep）的能力，土壤中的地电流活动在参比电极和管道缺陷之间的土壤中产生一个附加的电压降Vt。通过断电法测试极化电位可以消除土壤电压降（Ve），但无法消除地电流附加的电压降Vt。图 7所示为一种不需要断开测试片连接就可以减少IR降误差的检测装置[3]。
图 7 阴保测试中减少IR降误差的检测装置示意图
受测试人员经验、测试设备精度、环境等因素影响，人工现场测试阴保效果的精准度不高，建议在潮汐地磁干扰严重或地磁感应电压峰值出现位置设置智能阴保监测桩进行持续监测。重点关注地磁感应电压峰值出现在管道上的位置，如绝缘接头处、管道方向改变处、在海岸处或其附近、在地质条件剧烈转变处或异常处及其附近，以及高电阻率土壤中[3]。沿海管道管地电位有“双峰—双谷”特性，并且与潮汐表变化趋势一致，干扰特征显著，应采取措施缓解干扰影响。近年来，计算机仿真模拟技术突飞猛进，CDEGS、BEASY模拟软件已在管道杂散电流干扰影响评估及排流防护设计中得到了很好的应用。通过深入研究海岸效应，建立管道潮汐地磁干扰理论模型，为管线受潮汐地磁干扰影响的评估、缓解及日常管理维护提供科学理论依据。目前国内关于潮汐地磁干扰对长输油气管道影响方面的研究较少，应对遭受潮汐地磁干扰管道的腐蚀机理进行深入研究，进一步做好沿海长输管线腐蚀防护工作。[1]李家龙，胡黎花，王培金. 地磁感应电流对管道影响研究现状[J].天津科技.2016，43(7)：5-8.[2]熊树海.潮汐感应和地磁海岸效应对沿海埋地管线腐蚀机理的研究[D].北京：中国石油大学（北京），2017.[3]NACE International,2005. CP3- Cathodic Protection Technologist. 3:61-3:62.作者简介：
李昆，1983年生，本科，政工师，2006年毕业于南通大学电气工程及其自动化专业，现担任徐州输油处管道保卫科科长。联系方式：18552922110，likun_2008@126.com。来源：东部储运安全保护专辑（《管道保护》2023年第3期）
张三 
