韓 非

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,深圳 518049)

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固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器的排流效果對(duì)比

韓 非

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,深圳 518049)

固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器是目前在埋地鋼質(zhì)管道交流干擾排流實(shí)踐中廣泛使用的產(chǎn)品。借助某天然氣管道的交流干擾排流應(yīng)用，對(duì)兩種排流產(chǎn)品的性能進(jìn)行了對(duì)比性研究。固態(tài)去耦合器在排流效果以及對(duì)陰極保護(hù)的影響方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

固態(tài)去耦合器；鉗位式排流器；交流干擾；陰極保護(hù)

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使原油、天然氣等化石能源的消費(fèi)增加，極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)油氣管道行業(yè)的繁榮。隨著電力、鐵路、管道的大規(guī)模建設(shè)，埋地鋼質(zhì)管道遭受到越來(lái)越多的雜散電流干擾。而交流干擾問題會(huì)嚴(yán)重威脅管道及其相關(guān)設(shè)備的安全以及工作人員的人身安全。

當(dāng)管道與電力輸送線路(主要是交流高壓輸電線路和交流電氣化鐵路)并行或者交叉時(shí)，電力線可以通過電容耦合、電阻耦合以及電感耦合三種方式對(duì)管道造成交流干擾。如果不考慮輸電線路鐵塔的影響，對(duì)埋地鋼質(zhì)管道來(lái)說(shuō)造成交流干擾的方式主要是電感耦合。在高壓輸電線路或交流電氣化鐵路附近由于電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的電磁場(chǎng)，管道處于該交變的電磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)在管道上感應(yīng)出交流電壓，這種耦合方式稱之為電感耦合，如圖1所示。

目前國(guó)際上對(duì)于交流干擾的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各不相同[1-2]。我國(guó)實(shí)行GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]。按該標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4 V時(shí)，應(yīng)對(duì)交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)交流電流密度進(jìn)行判定。

圖1　管道受到交流輸電線的電感耦合的作用原理Fig. 1　Mechanism of induction interference by AC transmission line above pipeline

當(dāng)確認(rèn)埋地鋼質(zhì)管道受到嚴(yán)重的交流干擾之后，最迫切需要解決的問題就是緩解交流干擾。目前，國(guó)內(nèi)外常用的緩解交流干擾措施為增大管道與干擾源之間距離以及安裝排流地床等。增大管道與干擾源之間的距離，能有效降低管道的感應(yīng)電壓，但是受實(shí)際情況的制約，該緩解措施的實(shí)踐性不強(qiáng)。交流排流裝置和排流地床結(jié)合的方法由于具有良好的緩解效果，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的使用[4]。

排流地床方法是在埋地管道附近水平或垂直埋設(shè)接地材料，如裸銅導(dǎo)線、鋅帶、鍍鋅扁鋼或者鋅陽(yáng)極等，并通過固態(tài)去耦合器或者鉗位式排流器等排流裝置與管道連接。當(dāng)管道受到交流干擾產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)時(shí)，排流地床作為一個(gè)低電阻接地通道導(dǎo)通交流電流，降低管道的感應(yīng)電壓。

1　兩種排流裝置的原理

固態(tài)去耦合器接地方法參照NACE SP0177-2014標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)外減緩交流干擾工程中應(yīng)用普遍。近年來(lái)從北美引入到國(guó)內(nèi)管道界后，該方法在國(guó)內(nèi)大型長(zhǎng)輸管道工程中大量應(yīng)用[5-6]。它具有“阻直通交”的特性，對(duì)交流電流提供低阻抗通道，而在一定電壓范圍內(nèi)阻止直流電流的導(dǎo)通。此外，固態(tài)去耦合器還具有浪涌、雷擊保護(hù)模塊，可防止管道及附屬設(shè)備被瞬態(tài)大電流損壞。

圖2為典型的固態(tài)去耦合器裝置內(nèi)部電器件構(gòu)造。該裝置中，電解電容可以導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)交流電流；晶閘管導(dǎo)通故障電流并起到控制直流導(dǎo)通閾的作用；浪涌保護(hù)器可以導(dǎo)通雷電沖擊電流。固態(tài)去耦合器的直流導(dǎo)通閾值通常為-2/+2 V或者-3/+1 V，這個(gè)門檻值是由晶閘管來(lái)控制的。當(dāng)固態(tài)去耦合器兩個(gè)接線端之間的電壓差達(dá)到閾值電壓時(shí)，設(shè)備自動(dòng)切換到直流短路模式；當(dāng)兩個(gè)接線端之間的電壓低于閾值電壓時(shí)，該設(shè)備對(duì)直流電流的阻抗極大，直流電流無(wú)法導(dǎo)通。

圖2　固態(tài)去耦合器內(nèi)部電路示意圖Fig. 2　Schematic diagram of internal circuit in solid state decoupler

鉗位式排流器由三只硅二極管組成，分為正臂和負(fù)臂兩部分，如圖3所示。負(fù)臂串聯(lián)兩只二極管Z2和Z3，正臂串入一只二極管Z1，正負(fù)臂上二極管互為反向安裝。當(dāng)干擾電壓正半波時(shí)Z1導(dǎo)通，負(fù)半波時(shí)Z2、Z3導(dǎo)通。它們的正向壓降為0.7 V，負(fù)向壓降為-1.4 V。該裝置在緩解交流干擾的同時(shí)利用干擾電壓起到對(duì)陰極保護(hù)作用。

圖3　鉗位式排流器結(jié)構(gòu)及原理Fig. 3　Structure and diagram of clamping diode

固態(tài)去耦合器與鉗位式排流器的排流原理是不同的。固態(tài)去耦合器利用電容元件導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)交流干擾電流，同時(shí)具備故障電流與雷擊浪涌的防護(hù)能力，還具有精確的直流導(dǎo)通閾值。而鉗位式排流器采用雙向二極管導(dǎo)通交流干擾電流，同時(shí)利用雙向二極管數(shù)量不同，對(duì)管道提供額外的陰極保護(hù)電流。

鉗位式排流器的性能取決于二極管性能。在以往的交流干擾排流標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)二極管提出的要求是“允許電流應(yīng)大于20～30 A”[7]。固態(tài)去耦合器產(chǎn)品對(duì)于性能指標(biāo)有更為明確的要求。固態(tài)去耦合器的主要指標(biāo)參數(shù)包括額定隔離電壓、穩(wěn)態(tài)交流電流、故障電流等，常用的固態(tài)去耦合器的參數(shù)要求見表1。

表1　常用固態(tài)去耦合器參數(shù)

2　兩種方法交流干擾排流效果對(duì)比

圖4　交流輸電線路與管道相對(duì)關(guān)系Fig. 4　AC transmission line vs pipeline

某天然氣管道與高壓輸電線路有較長(zhǎng)距離的并行、交叉，全線共安裝12處交流干擾排流地床，見圖4。其中7處(S1～S7)使用固態(tài)去耦合器連接管道與地床，5處(C1～C5)使用鉗位式排流器連接管道與地床。固態(tài)去耦合器所配套安裝的地床為與管道并行敷設(shè)的裸銅線長(zhǎng)為300 m,鉗位式排流器所配套安裝的地床為與管道垂直敷設(shè)的鋼管。在排流設(shè)施安裝完畢后，對(duì)管道的排流緩解效果進(jìn)行了檢測(cè)。主要檢測(cè)內(nèi)容包括管道的交流電壓、交流電流密度以及管道的通電電位和斷電電位等。采用銅纜作交流干擾緩解的接地極是早期的作法，由于固態(tài)去耦合器的故障狀態(tài)是短路，可能造成管道發(fā)生電偶腐蝕，現(xiàn)已不推薦使用。表2中統(tǒng)計(jì)了管道的交流電壓、交流電流密度以及通斷電電位數(shù)據(jù)。從管道的交流電壓來(lái)看，該段管道受到的交流干擾本身不是特別嚴(yán)重，在排流地床斷開時(shí)最高的交流電壓是28.8 V。圖5為通過交流電流密度來(lái)演示排流的效果。由圖5可見,在接通排流地床后，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的交流電流密度都明顯下降；但在C3～C5處，交流電流密度尚大于30 A/m2，需要采取進(jìn)一步的排流措施。

表2　管道交流干擾排流效果檢測(cè)

圖5　排流前后交流電流密度的變化Fig. 5　AC current density variation before and after mitigation

圖6和圖7為排流裝置對(duì)管道通電電位和斷電電位的影響。由通電電位和斷電電位在排流地床接通、斷開時(shí)的變化可見，該型號(hào)的固態(tài)去耦合器對(duì)管道的電位影響幾乎可以忽略不計(jì)，而鉗位式排流器對(duì)通電、斷電電位都有很大影響。在接通鉗位式排流器后，管道的斷電電位變化最大達(dá)到56 mV。鉗位式排流器對(duì)管道陰極保護(hù)電位的影響，很大程度上是由其內(nèi)部構(gòu)造決定的。其正臂和負(fù)臂上二極管的數(shù)量不同，造成干擾交流電流的“整流”效應(yīng)，對(duì)管道的陰極保護(hù)造成影響。

圖6　排流前后管道通電電位的變化Fig. 6　Pipeline on-potential variation before and after mitigation

圖7　排流前后管道斷電電位的變化情況Fig. 7　Pipeline off-potential variation before and after mitigation

此外，從表3中排流器兩端的交流電壓數(shù)據(jù)可以看出，鉗位式排流器兩端的交流電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固態(tài)去耦合器兩端的，這意味著其交流阻抗很高，這對(duì)交流干擾的排流效果有負(fù)面影響。陰極保護(hù)電流通過排流器導(dǎo)通后，鉗位式排流器的直流漏流量最小達(dá)到-324.8 mA，固態(tài)去耦合器(采用限流能力精確的晶閘管控制直流導(dǎo)通閾值)的直流漏流量最小值除個(gè)別位置的直流漏流量達(dá)到-49.4 mA外，基本都在個(gè)位數(shù)，這與該產(chǎn)品說(shuō)明書中標(biāo)示的1 mA直流漏流量是不符的。

表3　交流電流排流量及直流漏流量測(cè)試結(jié)果

3　結(jié)論

(1) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明固態(tài)去耦合器和鉗位式排流器都可以明顯的緩解管道受到的交流干擾。

(2) 交流阻抗在排流器的選型中有重要的作用，應(yīng)盡量選取交流阻抗較低的排流器產(chǎn)品。固態(tài)去耦合器的交流阻抗較低，而鉗位式排流器的交流阻抗較高。

(3) 固態(tài)去耦合器在排流效果以及對(duì)陰極保護(hù)的影響方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

[1]NACE SP0177-2014Mitigation of alternating current and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems[S].

[2]DD CEN/TS 15280-2006Evaluation of a. c. corrosion likelihood of buried pipelines-application to cathodically protected pipelines[S].

[3]GB/T 50698-2011埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]胡士信，路民旭. 管道交流腐蝕的新觀點(diǎn)[J]. 腐蝕與防護(hù),2010,31(6):419-424.

[5]張平，童開平，屠海波，等. 陜京三線交流干擾防護(hù)新技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化[J]. 腐蝕與防護(hù),2012,33(8):724-727.

[6]滕延平，李熙，蔡培培. 去耦合器排流技術(shù)在管道交流干擾減緩中的應(yīng)用[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2011(5):27-29.

[7]SY-T0032-2000埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

Comparison of Effectiveness of AC Interference Mitigation between Solid State Decoupler and Clamping Diode

HAN Fei

(Shenzhen Gas Co., Ltd., Shenzhen 518049, China)

Solid state decoupler and clamping diode are widely used in AC interference mitigation of buried steel pipelines. Based on the AC interference mitigation of a natural gas pipeline, the performance of two kinds of device was evaluated comparatively. The performance of solid state decoupler was better than that of clamping diode in respects of the effectiveness of AC mitigation and the effect on cathodic protection.

solid state decoupler; clamping diode; AC interference; cathodic protection

2015-08-18

韓 非(1981-)，工程師，本科，從事燃?xì)夤艿肋\(yùn)行管理工作，13632902155，jianainana@sina.com

10.11973/fsyfh-201512017

TQ174.41

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1005-748X(2015)12-1186-04