高压交流电缆对海底管道的交流干扰及二者间安全距离探究

李 毅, 黄浩军,张 健,李 津,祝振洪,梁 毅,杜艳霞

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 北京科技大学新材料技术研究院,北京 100083)

近年来,随着我国海洋开发的大力推进,近岸或海上电力设施大量建设,在多个海域敷设了高压交流电缆,其与海底油气管道形成“并行通道”[1-2],海底管道面临交流干扰风险[3-6]。交流干扰会对管道的安全运行带来危害,如引起交流腐蚀[7-9], 危害人员及设备安全[10-12]。

目前,国内外围绕架空高压交流输电线路对埋地油气管道的交流干扰开展了大量研究,相关研究表明,高压交流电线可通过电磁干扰、电阻耦合等方式对与其并行的埋地管道产生交流干扰电压和电流[13-15],造成安全影响。丁清苗等[16]在土壤模拟液中研究了交流电对埋地管道的干扰腐蚀作用,XIAO等[17]通过室内模拟试验,在两种典型土壤模拟环境中,研究了X70钢在阴极保护和交流干扰共同作用下的交流腐蚀行为。王新华等[18]模拟真实土壤环境,分析了不同交流电流密度对X70管线钢的腐蚀作用。但目前有关交流干扰的研究主要集中在陆上高压输电线路对埋地管道的影响,缺乏海底电缆对海管交流干扰规律的系统研究和认识。由于海水电阻率远低于一般的土壤环境,同时海底电缆的结构也不同于陆上架空输电线路,这使得海洋环境中的交流干扰问题与陆上存在差异。随着国家海洋能源开发的重视,海底管道和高压交流电缆的建设规模日益加大[19],交流干扰对海底管道的安全运行提出了挑战。由于海底管道的检测与维护难度非常大,在海底电缆设计和路由选择时掌握其电磁干扰规律,最大程度避免对邻近管道的交流干扰是非常有必要的。针对这种情况,数值模拟技术可以有效评价新建海底管道,梁毅等[20]构建了海底电缆与沉海油气管道的电磁干扰计算模型,通过模拟计算考察了海底电缆对油气管道的交流干扰风险及影响因素;李平[21]采用数值模拟技术,研究了海缆和陆上换流站的杂散电流对海底管线的干扰程度及影响因素。但目前针对海底管道受海缆电磁干扰的相关研究较少,不足以为海缆及管道敷设时交流腐蚀安全距离和路由选择提供参考。

基于此,笔者使用CDEGS数值模拟软件,建立了高压交流电缆对海底管道交流干扰的计算模型,通过模拟计算探究不同因素对管道交流干扰影响的相关规律,并得出管道在不同电压等级和并行长度下可避免交流腐蚀的安全距离,以期为高压电缆和海底管道的路由选择提供参考。

1 计算模型与参数设计

以图1所示海缆与管道相对位置关系建立基础模型,模型中高压交流电缆与海底管道并行,在并行结束后以角度90°与管道分离,间距为海缆中心与管道中心的水平距离。本工作在图1所示模型和表1设定的基本参数中探究海缆与管道并行间距、并行长度和海缆电压等级对管道交流干扰参数的影响规律。

表1 计算模型中的恒定参数设置

图1 海缆与管道相对位置Fig.1 Location of the pipeline relative to the submarine cable

2 海底电缆对海底管道交流干扰的模拟计算及影响因素分析

以图1及表1所示管道、海缆及管道附近环境的基本参数为基础信息,采用CDEGS软件建立不同条件下高压交流海缆对管道的稳态电磁干扰计算模型,计算高压交流海缆与管道在不同并行间距、并行长度和电压等级条件下管道沿线稳态电磁干扰规律。

2.1 并行间距对管道交流干扰的影响规律

根据构建的模型,在电压等级为220 kV、并行长度为10 km、70 km条件下,改变管道与海缆两者之间的并行距离为2,5,10,30,50,100,150,200,300,500,1 000 m,以探究并行间距对管道交流干扰程度的影响规律,结果见2图。

由图2可知:当海缆与管道之间并行长度分别为10 km与70 km时,管道沿线的交流电流密度均随并行间距的增大而迅速减小,管道受到的交流电流密度最大值位于海缆起点处。在海缆与管道并行长度10 km条件下,当海缆与管道并行间距为2 m时,管道的最大交流电流密度为1189.86 A/m2,随着海缆与管道并行间距增至50,200 ,1 000 m,管道最大交流电流密度分别降至170.69,12.17, 0.18 A/m2。在海缆与管道并行长度为70 km条件下,当海缆与管道并行间距为2 m时,管道的最大交流电流密度为1207.43 A/m2,随着海缆与管道并行间距增至50,200,1 000 m,管道最大交流电流密度分别降至169.56,12.10,0.18 A/m2。根据以上计算结果,得到管道最大交流电流密度随并行间距的变化曲线,如图3所示。由图3可见,管道最大交流电流密度随着管道与电缆并行间距增大而迅速下降,2 ～100 m时,下降幅度较大;超过100 m后,下降幅度变小,当并行间距达到200 m时,继续增大并行间距,对缓解管道交流电流密度影响不大,且在两种并行长度下,都呈现相似的变化规律,该结果可为工程上评估海底电缆与管道之间并行间距对管道的交流干扰影响提供参考。

图2 海底电缆与管道在两种并行长度下,不同并行间距对管道交流干扰程度的影响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

图3 海底电缆与管道在两种并行长度条件下,管道最大交流电流密度随并行间距的变化规律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 并行长度对管道交流干扰的影响规律

根据构建的模型,在电压为220 kV、并行间距为30 m和100 m情况下,改变管道与海缆两者之间的并行长度为0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km,以探究并行长度对管道交流干扰程度的影响规律,结果见图4和图5。

图4 海底电缆与管道并行间距30 m时,并行长度对管道交流干扰程度的影响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

由图4可知:30 m并行间距条件下,当管道与海缆并行长度为0.5 km时,管道最大交流电流密度为39.72 A/m2,随着并行长度增至10,50,100 km,管道最大交流电流密度分别为285.46,280.15,283.72 A/m2。

由图5可知:100 m并行间距条件下,当管道与海缆之间并行长度为0.5 km时,管道最大交流电流密度为8.76 A/m2,随着并行长度增至10,50,100 km,管道最大交流电流密度分别为64.12,62.99,63.79 A/m2。

由图6可知:在并行间距为30 m的情况下,管道最大交流电流密度随并行长度增大而迅速增大,当并行长度为10 km时,管道交流电流密度达到最大值285.46 A/m2,继续增大并行长度至30 km,管道最大交流电流密度缓慢减小到271.97 A/m2;并行长度再增大,管道最大交流电流密度有较小的增加。在并行间距为100 m的情况下,管道受到的最大交流电流密度干扰规律与并行间距30 m时的类似,在并行长度达到10 km时,管道最大交流电流密度达到最大值285.46 A/m2,之后管道最大交流电流密度缓慢减小到271.97 A/m2;并行长度再增大,管道最大交流电流密度没有明显的变化。

2.3 海缆电压等级对管道交流干扰的影响规律

当海缆的电压等级发生变化时,其三相负载电流及三相不平衡度会发生变化,对管道的交流干扰也会发生变化。在构建的几何模型基础上,设置并行间距为30 m,并行长度为10 km,选取海缆电压等级为35,110,220 kV进行模拟计算,其三相额定负载电流分别为422,698,1 050 A,考察了不同电压等级对管道交流干扰的影响,如图7所示。

图7 不同电压等级下的管道受交流干扰情况Fig.7 AC interference of pipelines under different voltagegrade conditions

由图7可见:最大交流电流密度均随电压等级的增大而增大,且管道受到的交流干扰程度最大处均位于海缆起点处;当海缆的电压等级为35 kV时,对应最大交流电流密度为158.30 A/m2;当海缆的电压等级为110 kV时,对应最大交流电流密度为261.83 A/m2;当海缆的电压等级为220 kV时,对应最大交流电流密度为285.46 A/m2。

3 海底电缆与管道在不同并行长度与电压等级下的安全距离

基于上述计算结果,探讨海底电缆与管道在不同并行长度与电压等级下的交流腐蚀安全距离。ISO 18086:2019Corrosionofmetalsandalloys-DeterminationofACcorrosion-Protectioncriteria和GB/T 40377-2021《金属和合金的腐蚀 交流腐蚀的测定 防护准则》指出,在海洋环境中的交流腐蚀评判指标如下:当交流电流密度小于30 A/m2时,交流干扰程度为“弱”。将管道受到的最大交流电流密度小于30 A/m2作为交流腐蚀安全间距的限值,从而得出安全距离。

在上述模型及已有计算基础上,分别计算了电缆电压等级为220 kV和110 kV,管道并行长度为0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km情况下,不同并行间距时管道受到的交流电流密度。采用交流电流密度的评估标准,根据计算得到的最大交流电流密度,对海底管道受交流干扰程度进行评估,并得出海底电缆与管道之间可避免交流腐蚀的安全距离,见表2。

表2 海底电缆与管道在不同并行长度与电压等级下可避免交流腐蚀的安全保护距离

4 结 论

利用数值模拟软件建立了海底电缆对管道交流干扰模型,通过模拟计算,得到了并行间距、并行长度和电压等级对管道所受交流干扰参数的变化规律。通过大量的模拟计算,采用交流电流密度的评估标准,评估了管道的交流腐蚀风险,得到了海底电缆与管道在不同并行间距与并行长度下可避免交流腐蚀的安全距离,具体如下:

(1) 当高压电缆与海底管道并行时,随着电缆与管道之间的距离增大,管道受到的最大交流电流密度迅速降低,且当并行间距达到200 m后,继续增大海缆与管道并行间距,其对管道最大交流电流密度的影响不大;

(2) 增大高压电缆与海底管道的并行长度,管道所受的最大交流电流密度迅速增大,继而缓慢减小,最终趋于稳定;

(3) 管道受电磁干扰产生的最大交流电流密度随电压等级增大而增大;

(4) 根据大量模拟计算的结果,得出在并行长度为0.5,1,5,10,20,30,50,70,100 km,电压等级为110,220 kV下,海底电缆与管道之间避免交流腐蚀的安全距离,可以为电缆与管道的工程建设提供参考。