衛(wèi) 憲,楊 嶺,朱 艷,王 巍,趙開龍

1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072

2.中國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.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司,天津 300451

隨著海上石油平臺(tái)通訊、供電等設(shè)施的快速發(fā)展，海底電纜的需求不斷增加，由此導(dǎo)致海底電纜與海底管道在長距離范圍內(nèi)形成并行或者交叉的情況[1-2]，海底電纜會(huì)對臨近的金屬海底管道產(chǎn)生交流電磁干擾，使得海底管道產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并由此造成海底管道的雜散電流干擾越來越嚴(yán)重，進(jìn)而有可能破壞海底管道的防腐層甚至威脅作業(yè)人員安全[3-9]。

目前，海底電纜對海底管道的交流干擾研究多停留在仿真研究階段[10-12]。本文搭建真實(shí)海洋工況環(huán)境，根據(jù)海底電纜與海底管道在長距離范圍內(nèi)并行或交叉等實(shí)際工況，設(shè)計(jì)海底電纜與海底管道在不同距離、不同角度下的多組試驗(yàn)工況，試驗(yàn)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)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

1.1 海洋環(huán)境電氣特性

1.1.1 海洋環(huán)境模擬池

海洋環(huán)境模擬池可以模擬海底電纜和海底管道運(yùn)行的真實(shí)海洋環(huán)境，選擇于青島海洋工程水下設(shè)備檢測有限公司測試池搭建海洋環(huán)境模擬池，該模擬池尺寸為6 m×6 m×6 m，灌裝海水50 m3，灌裝后池內(nèi)海水深度1.4 m左右。海洋環(huán)境模擬池如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境模擬池

1.1.2 海底管道

試驗(yàn)海底管道長度為4.1 m，管道兩端分別焊接1根導(dǎo)線，標(biāo)記為測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2。圖2所示為經(jīng)處理后的海底管道實(shí)物圖。待測海底管道兩側(cè)分別連接長度為12 m的測試線，采用鋁熱焊工藝進(jìn)行焊接，并做防水處理，焊接點(diǎn)的載流能力與導(dǎo)線的載流能力相等，不會(huì)增加電阻率。

圖2 海底管道處理效果

1.1.3 三相大電流發(fā)生器

三相大電流發(fā)生器為試驗(yàn)系統(tǒng)提供不同等級(jí)的電流輸出，型號(hào)為HXDG-500A，輸入電壓等級(jí)380 V，輸出電流為0～500 A，見圖3。

圖3 三相大電流發(fā)生器實(shí)物

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，主要包括三相大電流發(fā)生器、海洋環(huán)境模擬池、海底電纜、海底管道、陰極保護(hù)系統(tǒng)、參比電極、測量系統(tǒng)等設(shè)備或設(shè)施。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相大電流發(fā)生器輸入AC380 V三相交流電，將海底電纜連接至三相大電流發(fā)生器的電流輸出環(huán)路并平鋪至海洋環(huán)境模擬池，平鋪后的海底電纜整體呈“U”形，處理后的海底管道放置于海底電纜之上，測試線連接至測試箱上。將參比電極與犧牲陽極放置到海洋環(huán)境模擬池內(nèi)，且需靠近海底管道側(cè)。

1.3 試驗(yàn)步驟

為模擬某工程實(shí)際中的海底電纜與海底管道在長距離范圍內(nèi)的并行與交叉工況，改變海底管道與電纜交叉的角度和距離，交叉角度選取0°、30°、45°、60°、90°，在選取的每個(gè)角度下分別測試距離為0、5、10、15、20、25、30、50 cm時(shí)，海底管道在海底電纜瞬態(tài)以及穩(wěn)態(tài)時(shí)的感應(yīng)電壓。分為以下幾個(gè)試驗(yàn)步驟。

（1）通電前需檢查系統(tǒng)連接是否正常。

（2）三相大電流發(fā)生器輸出電流設(shè)定為A、B、C三相75 A，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)。

（3）海底電纜與海底管道之間距離為0 cm。

（4）設(shè)置海底電纜與海底管道之間的交叉角度為0°。

（5）使用萬用表交流檔位分別測試測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2與參比電極之間的交流電壓。

（6）設(shè)置海底電纜與海底管道之間的交叉角度為30°、45°、60°、90°，重復(fù)步驟（5）～（6），并做好數(shù)據(jù)記錄。

（7）海底電纜與海底管道之間距離為5、10、15、20、25、30、50 cm時(shí)，重復(fù)步驟（4）～（6），并做好數(shù)據(jù)記錄。

（8）三相大電流發(fā)生器輸出電流設(shè)定為A、B、C三相500 A，進(jìn)行瞬態(tài)工況試驗(yàn)。

（9）重復(fù)步驟（3）～（7），并做好數(shù)據(jù)記錄。

2 數(shù)值計(jì)算及分析

2.1 瞬態(tài)工況數(shù)值分析

試驗(yàn)系統(tǒng)所述瞬態(tài)工況主要用于模擬海底電纜在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)生對地短路故障時(shí)的情況，設(shè)置大電流發(fā)生器輸出電流額度為500 A。依據(jù)本文1.3節(jié)所述步驟進(jìn)行試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，限于文章篇幅，以測試點(diǎn)1為例，只對部分工況進(jìn)行分析。

2.1.1 角度固定

圖5為海底管道與海底電纜相對角度分別為0°、30°、60°、90°時(shí)，海底管道與海底電纜之間的距離與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系曲線。

圖5 海底管道瞬態(tài)工況感應(yīng)電壓

2.1.2 距離固定

圖6為海底管道與海底電纜相對距離分別為0、20、30、50 cm時(shí)，海底管道與海底電纜之間的交叉角度與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系曲線。

圖6 海底管道瞬態(tài)工況感應(yīng)電壓

2.2 穩(wěn)態(tài)工況數(shù)值分析

試驗(yàn)系統(tǒng)所述穩(wěn)態(tài)工況主要用于模擬海底電纜的正常運(yùn)行工況，設(shè)置大電流發(fā)生器輸出電流額度為75 A。依據(jù)本文1.3節(jié)所述試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2.1 角度固定

圖7為海底管道與海底電纜相對角度分別為0°、30°、60°、90°時(shí)，海底管道與海底電纜之間的距離與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系曲線。

圖7 海底管道穩(wěn)態(tài)工況感應(yīng)電壓

2.2.2 距離固定

圖8為海底管道與海底電纜相對距離為0、20、30、50 cm時(shí)，海底管道與海底電纜之間的交叉角度與感應(yīng)電壓之間的關(guān)系曲線。

圖8 海底管道穩(wěn)態(tài)工況感應(yīng)電壓

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)數(shù)值分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）海底管道在瞬態(tài)工況下的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)高于在穩(wěn)態(tài)工況下的感應(yīng)電壓，即相鄰海纜的額定電流越大，臨近管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就越大。

（2）海底管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和海底管道與海底電纜的夾角成反比，即角度越大，臨近管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓越小。

（3）海底管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和海底管道與海底電纜的距離成反比，即距離越大，臨近管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓越小。

（4）在海底電纜正常運(yùn)行時(shí)（試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)工況下），最大的測試感應(yīng)電壓為0.005 9 V，在海底電纜短路運(yùn)行時(shí)（試驗(yàn)瞬態(tài)工況下），最大的測試感應(yīng)電壓為0.038 4 V。兩種工況狀態(tài)下感應(yīng)電壓均遠(yuǎn)低于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)》中4 V的標(biāo)準(zhǔn)，即無交流干擾風(fēng)險(xiǎn)。