衛(wèi) 憲,楊 嶺,朱 艷,王 巍,趙開(kāi)龍
1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072
2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司大港趙東作業(yè)分公司,天津 300457
3.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司,天津 300451
隨著海洋油氣田的不斷開(kāi)發(fā),作為海上油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)主要組成部分的海底管道及為海上石油平臺(tái)提供通訊和電力的海底電纜,需求越來(lái)越大,由此導(dǎo)致海底電纜與海底管道存在交叉或者長(zhǎng)距離并行的工況[1-6]。
在高壓交流輸電線正常運(yùn)行或發(fā)生短路接地故障時(shí),線路周圍存在的電磁場(chǎng)會(huì)在周圍的環(huán)境中產(chǎn)生電磁感應(yīng)、電容、傳導(dǎo)干擾電流或電壓。不管交流還是直流干擾,都會(huì)對(duì)周圍的金屬物體造成損傷,甚至對(duì)站在附近觸摸金屬的人造成電擊傷害,引發(fā)一定危險(xiǎn)。而且過(guò)高的雜散電流或涂層電壓(管地電壓)會(huì)使管道涂層性能劣化甚至擊穿,加速管道的腐蝕、損壞絕緣法蘭和整流設(shè)備,甚至威脅作業(yè)人員安全[7-13]。
我國(guó)渤海某油田的2條海底電纜與2條海底管道在長(zhǎng)度約5 km范圍內(nèi)形成公用走廊,其中靠近管道側(cè)的電纜長(zhǎng)4 831.61 m,與2條管道存在4次交叉;另一條電纜長(zhǎng)4 756.59 m,與管道無(wú)交叉。本文主要研究電纜對(duì)生產(chǎn)管道的電磁干擾,以實(shí)際工況作為實(shí)驗(yàn)條件,借助專業(yè)軟件構(gòu)建了海底電纜與海底管道的電磁干擾仿真模型,研究了海底電纜在正常運(yùn)行、單相對(duì)地短路故障、電纜鎧裝層破損等工況下對(duì)海底管道形成的交流干擾,并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、人身安全等判斷。研究結(jié)果可為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與整改提供參考依據(jù)。
海水電阻率為0.32 Ω·m,海水層深度5 m;海泥層電阻率為10 Ω·m,海泥層厚度為5 m,海泥層下方的基巖電阻率為800 Ω·m。管道和電纜均處于海泥層。
海底管道鋪設(shè)在水中,采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)。海底管道仿真設(shè)計(jì)時(shí),沿管道每900 m布置一個(gè)犧牲陽(yáng)極,犧牲陽(yáng)極相對(duì)電阻率3.42,相對(duì)磁導(dǎo)率10,外半徑0.015 m。海底管道具體參數(shù)如表1所示。
表1 海底管道參數(shù)
海底電纜具體參數(shù)如表2所示。兩條電纜雖然長(zhǎng)度不同但型號(hào)相同。
表2 海底電纜參數(shù)
涂層小缺陷破損孔的電流密度是確定交流干擾腐蝕的關(guān)鍵參數(shù),決定了金屬管道的腐蝕速度。在小孔的存在不影響管地電位的假設(shè)條件下,涂層小缺陷破損孔的電流密度可以由無(wú)涂層小缺陷破損時(shí)計(jì)算的管地電位除以涂層小缺陷破損孔等效電阻得到。
若管道在電阻率為10 Ω·m的海泥里,假設(shè)小孔為圓柱形,面積1 cm2的涂層小缺陷破損孔的等效電阻為:
式中:R為涂層小缺陷破損孔等效電阻,Ω;ρs為電阻率,Ω·m;r為小缺陷破損孔半徑,m。
若管道位于電阻率為0.32 Ω·m的海水里,假設(shè)小孔為圓柱形,面積1 cm2的涂層小缺陷破損孔的等效電阻為:
根據(jù)實(shí)際工況,建立如圖1所示的計(jì)算模型,整個(gè)模型中包括了電纜和管道系統(tǒng)平行、交叉的區(qū)域,同時(shí)為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,也考慮了平行區(qū)域外的電力電纜。模型采用的各參數(shù)均基于實(shí)際工況數(shù)據(jù)選取,如電纜參數(shù)、管道參數(shù)、電纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流、故障以及鎧裝的接地等,從而準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。
圖1 仿真模型平面示意
在兩條電纜均正常運(yùn)行且同方向供電情況下,工作電壓為13.8 kV,工作電流為75 A。
經(jīng)模擬計(jì)算,海底管道受交流干擾的程度如圖2~圖5所示。圖2為管道金屬電位升;圖3為管道沿線接觸電壓;圖4為當(dāng)生產(chǎn)管道處于海泥中,在管道任意位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度;圖5為當(dāng)海底管道處于海水中,在管道任意位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度。橫坐標(biāo)以圖1中A平臺(tái)位置為原點(diǎn)。
圖2 管道金屬電位升
圖3 管道沿線接觸電壓
圖4 海底管道處于海泥層時(shí)小孔電流密度
圖5 海底管道處于海水層時(shí)小孔電流密度
從圖2、圖3可見(jiàn):在電力電纜正常運(yùn)行時(shí),管道所受交流干擾水平很低;管道金屬最大電位升約0.009 79 V,最大接觸電壓為0.009 754 V。
從圖4、圖5可見(jiàn):若海底管道處于海泥中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為0.219 8 A/m2;若海底管道處于海水中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.869 A/m2。
在海底電纜的A相纜芯和護(hù)套短路并與鎧裝短接情況下,由于故障相電流較大,管道感應(yīng)電壓會(huì)成倍抬高。同時(shí),有很大的故障電流將經(jīng)過(guò)鎧裝兩端流向水中,附近海水的電位會(huì)升高,構(gòu)成傳導(dǎo)干擾。此時(shí),在電纜發(fā)生單相對(duì)地故障情況下,海底管道將同時(shí)承受電感性耦合和傳導(dǎo)性耦合影響。對(duì)于一個(gè)給定的管道,最嚴(yán)重的故障位置通常是在最接近電力系統(tǒng)的部分即電纜與管道的交叉位置。在該電磁干擾仿真模型中,設(shè)置單相對(duì)地故障點(diǎn)的位置如圖6所示。
圖6 單相接地故障點(diǎn)位置
經(jīng)模擬計(jì)算,圖6所示位置海底電纜發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)海底管道受交流干擾,兩條管道沿線的接觸電壓和涂層電壓如圖7、圖8所示。
圖7 管道沿線接觸電壓/V
圖8 管道沿線涂層電壓/V
從圖7、圖8可知:在圖6所示位置發(fā)生短路故障時(shí),故障電流可在管道涂層形成最大25.56 V的總電壓,管道沿線接觸電壓最大值為25.25 V。
靠近管道的電纜在管道交叉位置破損且兩條電纜都正常運(yùn)行條件下,計(jì)算模型如圖9所示。
圖9 電纜破損位置
經(jīng)模擬計(jì)算,海底管道受交流干擾的程度如圖10~圖13所示。圖10為管道電位升;圖11為接觸電壓;圖12為當(dāng)海底管道處于海泥中,在管道任何位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度;圖13為當(dāng)海底管道處于海水中,在管道任何位置發(fā)生面積1 cm2小缺陷破損孔的電流密度。
圖10 管道金屬電位升
圖11 管道沿線接觸電壓
圖12 海底管道處于海泥層時(shí)小孔電流密度
圖13 海底管道處于海水層時(shí)小孔電流密度
從圖10、圖11可見(jiàn):電纜靠近管道的電纜和管道的交叉位置處,鎧裝外絕緣破損,且電力電纜正常運(yùn)行時(shí),管道所受交流干擾水平很低,最大管道金屬電位升約0.015 V,最大接觸電壓為0.012 V。
從圖12和圖13可見(jiàn):若海底管道在海泥中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.642 A/m2;若生產(chǎn)管道處于海水中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為10.3 A/m2。
通過(guò)建立海底電纜與海底管道的電磁干擾仿真模型,研究了海底電纜在正常運(yùn)行、單相對(duì)地短路故障、電纜鎧裝層破損等工況下對(duì)海底管道形成的交流干擾。依據(jù)NACE SP0177標(biāo)準(zhǔn),接觸電壓安全設(shè)計(jì)限值15 V,金屬電位升安全設(shè)計(jì)限值50 V,管道涂層安全電壓設(shè)計(jì)限值5 000 V;依據(jù)GB/T 50065—2011標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算電纜故障下接觸電壓允許值為394.05 V;依據(jù)EN 15280標(biāo)準(zhǔn),選擇管道交流腐蝕設(shè)計(jì)限值為30 A/m2。
(1)在電纜正常運(yùn)行時(shí),海底管道所受交流干擾水平很低:最大管道金屬電位升約0.00979V,遠(yuǎn)小于安全極限值(50V);最大接觸電壓0.009754V,可接觸物體不會(huì)超過(guò)安全極限值(15 V)。若海底管道在海泥中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為0.219 8 A/m2,無(wú)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn);若海底管道處于海水中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.869 A/m2,無(wú)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
(2)電纜典型位置發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí),故障電流可在管道涂層形成最大25.56 V的總電壓,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)限值(5 000 V),無(wú)須對(duì)管道進(jìn)行緩解措施的設(shè)計(jì),管道沿線接觸電壓的最大值為25.25 V,滿足人身安全要求。
(3)電纜在交叉位置破損,且電力電纜正常運(yùn)行時(shí),管道所受交流干擾水平很低,最大管道金屬電位升約0.015 V,遠(yuǎn)小于安全極限50 V標(biāo)準(zhǔn);最大接觸電壓為0.012 V,可接觸物體不會(huì)超過(guò)安全極限15 V。若生產(chǎn)管道在海水中,流過(guò)面積1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為6.642 A/m2,無(wú)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn);若生產(chǎn)管道處于海水中,流過(guò)1 cm2缺陷孔的最大泄漏電流密度為10.3 A/m2,無(wú)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
綜上所述,結(jié)合油田的實(shí)際工況,在長(zhǎng)度約5 km范圍內(nèi)的公用走廊,海底電纜不會(huì)對(duì)海底管道形成明顯交流干擾,無(wú)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),滿足人身安全要求。