第 1 章 绪 论
1.1 研究的背景和意义
在 2003 年 10月第四届全国防腐大会上，中国腐蚀与防护学会理事长、中国工程院柯伟院士《中国工业与自然环境腐蚀问题与对策》报告指出，我国的年腐蚀损失约为 5000 亿元[1]。2006 年 1月 20日，四川某油气田分公司的输气管道发生泄漏爆炸，造成10人死亡、3 人重伤、47 人轻伤，损坏房屋 21 户 3040m2，而发生爆炸段的管道仅有 69.05m，分析表明，事故的主要原因是管道的防腐措施不得力，导致管道严重腐蚀所致。目前，中国输气管道特点是：国内外管道互联，是世界之最的大规模管网；属于同时跨越中纬度及低纬度的管网；西气东输三线同走廊架设，多处与高电压输电线并行，属于结构复杂性管网。随着我国经济的快速发展，天然气的需求量还会越来越大，为此国家制定了保障天然气运送安全的战略，包括正建和计划建设的中哈、中亚、中俄和中缅等跨国输气管线工程，这些输气管线如果发生严重的泄漏事故，将会对我国经济及社会的正常运营造成非常严重的影响。目前，在埋地钢质管道的腐蚀上，国内认知的、腐蚀管道的杂散电流包括交流和直流两种[2]，交流杂散电流来源包括高压交流输电线路及交流电气化铁路供电线路的干扰，直流杂散电流来源包括高压直流输电线路、直流电气化铁路和电解、电镀以及由磁暴影响而产生的地磁感应电流（geomagnetically induced current，GIC）等原因的干扰。相比交流杂散电流，直流杂散电流对管道造成的危害更严重[3]。2004-2005 年 8 次地磁暴我国电网GIC 的监测数据[4]以及仿真研究[5]表明 GIC 频率变化范围为 0.0001-0.01Hz，因而可以将 GIC 对研究管道的干扰及腐蚀可看做是准直流的电流。磁暴作用于埋地输气管道产生的 GIC 以及管地电位（pip-soil potential，PSP）会对管道及管道系统造成一系列的影响，包括：加快管道的腐蚀，GIC 流动的过程形成了两个由外加电位差建立的腐蚀电池使得在无 GIC 时，腐蚀电池两极的电位差仅为 0.85V，有 GIC 时 PSP 高达 8-9V，对输气管道的使用寿命和安全运行影响很大[6]。也就是说 GIC 会使得管道阴极保护的电位随着 GIC 的变化而变化，使得 PSP处于-0.85V 到-1.35V 的安全范围以外，当发生强磁暴时，剧烈的 GIC 变化可能使得管道在某些时间内脱离保护，因而加快管道腐蚀。而失去阴极保护再加上腐蚀日积月累的作用可能最终会诱发管道整体故障，导致管内天然气的泄漏，危及人民生命财产安全，带来不可估量的损失[7]。
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1.2 国外研究现状
国外由于地处高纬度地区地磁活动频繁且剧烈，因而对磁暴对输气管道影响有比较深入的研究，同时在管道 PSP 及 GIC 监测计算等方面也取得了不少成果。1952 年，Allison 等人率先于加拿大西北部的管道中监测到了 GIC[11]。随后位于美国的管道以及另一高纬度国家芬兰的管道中也都分别被监测到了数值较大的GIC[12]。1986 年，Boteler 等提出了一种管道 GIC 的计算方法[13]，Pulkkinen 等对这种方法做了进一步完善和推广[14]。Campbell等总结了几种管道GIC测量的方法[15]，Heriksen 等提出 GIC 会干扰管道测量，加速管道腐蚀。许多研究表明 GIC 会导致管道与土壤之间的电位差发生波动，进而使得阴极保护系统失效[16,17]。可以看出，之前的研究主要集中在直线管道 GIC 的测量、计算以及 GIC 对阴极保护系统的干扰作用等方面[18,19]。1999 芬兰率先运用已有资料展开对天然气管道影响的研究并提出了分布源传输线理论（distributied source transmission line(DSTL)theory）[20]。2000年 Boteler 提出了计算管道拐弯处、管道连接处以及阀室上下游管道中管地电位的方法，并且进行了数据的模拟仿真[21]。但他并没有计算管道有漏点、有分支以及有接地电阻情况时这些特殊情况下的管道 GIC。2001 年芬兰 PulkkinenA.和 ViljanenA.在原来的基础上提出了管地电位（pipe-soiol potentials,PSP）的计算方法，两者结合计算地磁暴扰动干扰输气管道[22]。捷克 P. Hejda 和 J. Bochnicek 根据 2003 年 11 到12 月的磁暴数据计算了输油管道中的 GIC 以及 PSP。2006 年芬兰基于欧洲太空总署（European Space Agency，ESA）的空间计划创建了天然气管道 GIC 监测以及即时预报系统[23]。综上所述，国外对于磁暴灾害对输气管道影响的研究多注重于直线管道的建模及分析以及在实际运行中 GIC 数据的监测。而在研究管道不同结构特征管道受磁暴灾害影响方面并没有做较为详细的讨论及阐述。
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第 2 章 地磁暴侵害输气管道模型及算法
2.1 埋地管道受磁暴侵害的过程与机理
由太阳表面爆发的太阳活动，经过行星际空间的传播演化，到达地球附近时会对人类生产生活带来影响，该过程涉及太阳表面、日冕、行星际太阳风、地球磁层和电离层等系统的电磁耦合过程，是一种短时间尺度的变化，该过程在上世纪九十年代被提出，被称为空间天气[32]。太阳爆发活动会在行星际空间中驱动太阳风的传播演化，当其到达地球附近时，会以两种形式驱动地磁暴的产生，第一种是太阳风会通过挤压磁层顶的形式，进而对地球磁层进行压缩，磁场能量的增强会以磁流体波的形式将能量传播到地面，对地磁场形成扰动，驱动地磁暴的产生；第二种是太阳风以磁重联的形式通过地球磁尾向地球两极注入高能粒子，分别形成极区电集流和赤道环电流，进而导致地磁扰动，引发地磁暴[33,34]，如图 2-1 以及图 2-2 所示。根据电磁感应定律可知：时变的磁场会在钢管中感应出感应电场 E。埋地输气管道一般由绝缘涂层、钢管和管道内涂层组成[35]。绝缘涂层一般采用由环氧粉末涂层、胶层以及聚乙烯层组成的3PE涂层，厚度通常在2.72mm到3mm。可以防止管道埋地后土壤内部环境对钢管的腐蚀以及减小受杂散电流的影响，降低埋地钢管受腐蚀出现漏点的可能性，延长管道服役年限。输气管道主要部分即为钢管，根据需求不同，输气管道采用钢管材质也有不同，例如陕京一线钢管为 X60 钢，西气东输一线干线钢管为 X80 钢。同时厚度以及管径也会根据不同输气量需求以及地理环境的要求进行改变，而这将会影响磁暴作用产生管道 PSP 及 GIC 的数值。管道内涂层在 20 世纪 50 年代开始兴起，到现在一般采用环氧粉末或涂料[34,36]。加入管道内涂层可以使得钢管内壁更加光滑，降低摩擦系数进而达到增大输气量的目的。由于埋地管道的结构特性，感应电场通过钢管、绝缘涂层与大地形成回路，进而产生地磁感应电流即 GIC。当 GIC 在钢管中流动时，又会使得钢管同大地之间产生对地电位差即管地电位 PSP。PSP 及 GIC 是空间天气的地面效应，其产生机理按照因果关系可以分成以下过程，如图 2-3 所示。
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2.2 管道感应电场实用计算
当大地中有埋地管道时，由于管道钢管以及绝缘涂层等之间的入射反射使得管道内的电场同地表电场并不一定相同。因而需要计算管道电场并比较其与感应地电场之间的关系。上一节已经给出了管道感应电场 E 的计算方法，但是由于涉及到扩散方程，需要计算的未知量过多，计算量太大，又由于没有管道的地表感应电场已经有较为成熟的计算模型，因而考虑是否可以使用没有管道的地表感应电场来代替管道感应电场进行计算。由于大地电导率在不同深度是不同的，因而需要使用分层模型对感应地电场进行计算。可以看出，当时间大于 10s 时，管道感应电场与感应地电场的幅值比近似为 1、相角差近似为 0。说明在频率小于 0.1Hz 情况下，可以用地面感应电场近似代替管道感应电场进行计算，进而大大简化计算过程。
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第 3 章 管道结构特征对 PSP 及 GIC 的影响........29
3.1 管道分支 PSP 及 GIC............29
3.1.1 分支位置不同....32
3.2 加接地电阻管道 PSP 及 GIC...........38
3.2.1 管道一端有接地电阻.....38
3.2.2 管道两端有接地电阻.....40
3.3 本章小结..........42
第 4 章 陕京一线管道 PSP 及 GIC 计算.....43
4.1 陕京一线概况.............43
4.2 陕京一线地电场计算............44
4.3 陕京一线管道 PSP 及 GIC 计算......47
4.3.1 管道 PSP 及 GIC 随时间变化..............47
4.3.2 管道 PSP 及 GIC 随距离变化..............48
4.4 本章小结..........49
第 5 章 结论与展望.....50
5.1 结论.......50
5.2 展望.......51
第 4 章 陕京一线管道 PSP 及 GIC 计算
磁暴对大容量、大规模、复杂程度高的输气管网产生严重的影响以及危害，具有全网性、范围广等特点。近年来，北京市经济持续增长，人口不断增多，城市持续扩张。因此对于天然气的需求量大大增加，并且由于城市的周边扩张，需要输送天然气的地区也在不断增加。作为为北京输送天然的主要管道，陕京线在陕京一线的基础上也在不断扩大。因此对于陕京一线来说，面临的问题不仅仅是运行时间长、用气需求迅猛增长，还有管网建设的错综复杂性。陕京一线呈明显的东西走向，同时地质构造复杂，具备产生很大 GIC 的管道结构、大地电性构造条件，预估会产生较严重的管道磁暴灾害问题。
4.1 陕京一线概况
陕京管道是北京天然气供应的核心途径，它将来自长庆油田、塔里木油田乃至中亚国家的天然气源源不断地输送进京。一线工程管道总长 1098 公里，管径 660毫米，设计年供气能力为 33 亿立方米，1992 年动工，1997 年 10 月完工，是我国当时陆上距离最长、管径最大、所经地区地质条件最为复杂、自动化程度最高的输气管道，也是中外合作设计、建设的典范管道工程。途经三省两市（陕、晋、冀和京津），西起陕西靖边站，经过榆林站、神木站、府谷站、神池站、朔州站、应县站、灵丘站、紫荆关站等地，东至良乡站。环境跨度较大，经历温度变化较大、昼夜温差大的沙漠地带，起伏不大、坡度较缓、地面崎岖不平的丘陵地区，坡度较陡、海拔较高、坡面崎岖不平的山脉地区以及地貌宽广平坦的平原地区。设计年供气能力为 33 亿立方米。陕京一线采用 X60 管材钢，管道直径 660mm，设计工作压力6.4MPa。自陕京一线建成以来，陕京管道已向沿线地区累计输气 1942 亿立方米，其中向北京累计供气 842 亿立方米，使首都城六区实现无煤化的目标渐行渐近，这相当于移走了数十座千万吨煤山。陕京一线管道走势图如图 4-1 所示，其中琉璃河为分输站，并且加入了绝缘法兰，为电气绝缘。为了计算陕京一线主线上 PSP 及GIC，在计算时由于电气绝缘，可以不考虑琉璃河站至永清站分支。
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结论
本文阐明了输气管道受磁暴灾害影响产生 PSP 及 GIC 的过程与机理，利用分布电源传输线理论以及传播理论建立了有绝缘涂层的埋地管道模型。研究了管道绝缘涂层有破损时的管道等效模型，得到了管道在有漏点和无漏点两种情况下的管道PSP 及 GIC 随管道长度的变化情况。考虑了复杂管网有不同长度、不同角度、不同个数分支、在不同点有分支以及管道起点、终点有接地电阻等不同结构特征的管道PSP 及 GIC 算法。论文研究的主要成果如下：
（1）明确了地磁暴侵害输气管道的过程与机理，建立了分层大地电导率模型并计算在此模型下的感应地电场。将管道看作分层的无限长圆柱模型，得出了管道感应电场的计算方法。利用加拿大西北部管道实际参数计算了在没有管道时的感应地电场以及管道感应地电场随时间变化在相角、幅值之间的比值。进而得到了在频率小于 0.1Hz 情况下可以近似利用没有管道时的感应地电场代替管道感应电场的结论。
（2）利用 DSTL 理论建立长距离输气管道模型，并得到管道中 Z 与 Y 的计算方法。考虑管道绝缘涂层有破损时的管道等效模型，假设认为绝缘涂层破损处为圆盘接地，进而计算其接地电阻。利用 ANSYS 对仿真软件仿真在不同漏点半径、不同漏点位置、不同埋深以及不同大地半径选取情况下等效电阻的大小，进而验证了模型假设的正确性。运用节点导纳矩阵建立了基于π型等效电路的地磁暴 PSP 及GIC 效应计算模型，进而推导出有、无漏点时管道 PSP 及 GIC 算法。
（3）假设认为地电场为 0.1V/km 的均匀电场，基于地磁暴下管道 PSP 及 GIC模型及算法利用 MATLAB 仿真计算研究了不同结构特征输气管道的地磁暴 PSP 及GIC效应。分支点的位置对分支点前的埋地金属管道中的PSP及GIC有较大的影响，分支点离埋地金属管道首端越近，分支点前埋地金属管道 PSP 及 GIC 越小。分支点对于管道 PSP 及 GIC 影响随着距离分支点距离越远而逐渐减小；分支长度越长对于管道 PSP 及 GIC 的影响越大；随着分支与管道负方向夹角的增大，在分支点附近的管道PSP 及GIC 有增大的趋势，但是分支与管道夹角为90o时，其变化趋势却不同，这是因为分支管道线路与感应电场方向夹角也为 90o，电场不会对分支起作用，因而此时相当于没有分支的情况，所以其管道 PSP 及 GIC 变化趋势会不同；当多个分支与x轴负方向夹角为0o到90o或者90o到180o时分支个数越多，对于主管道中PSP及 GIC 的影响越明显；管道多点处有分支时，随着管道分支数目增加其 PSP 及 GIC变化趋势逐渐贴近，同时主管道长度越短则遭受分支影响越大。管道一端有接地电阻时，使得有接地电阻端的管道 PSP 及 GIC 变化趋势发生变化，同时接地电阻对于管道 PSP 及 GIC 影响随着接地电阻阻值的增大而减小；当管道两端有接地电阻时，对于管道 PSP 及 GIC 的变化趋势不会发生明显变化，但是会影响其数值的大小，同时接地电阻阻值越大，对于管道 PSP 及 GIC 的影响越小。
（4）以西气东输管道中的陕京一线段为实例，利用其管道绝缘涂层、钢管的参数以及管道走势计算了陕京一线在典型磁暴干扰下，从陕西靖边压气站到良乡压气站随时间变化以及随距离变化的管道 PSP 及 GIC 大小。验证了对地磁暴侵害管道PSP 及 GIC 模型及算法的合理性和正确性。
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参考文献（略）