牛文花 陳少松

北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：地磁擾動(dòng)時(shí)刻都在發(fā)生，近幾年通過(guò)智能電位測試樁的監測，在我國不同地域的管道上均監測到了顯著(zhù)的地磁干擾現象。本文首先介紹了地磁干擾的原理，并通過(guò)分析監測數據對埋地管道地磁干擾加以識別，進(jìn)而開(kāi)展干擾評價(jià)，總結了近三年以來(lái)埋地管道地磁干擾的規律，以期對埋地管道的地磁干擾識別、監測和評價(jià)起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：地磁干擾；地磁暴；埋地管道；智能監測分析

1  地磁干擾的原理

地磁場(chǎng)由源于地球內部的穩定磁場(chǎng)和源于地球外部的變化磁場(chǎng)組成，變化磁場(chǎng)起源于分布在地表以上的各種空間電流體系，主要位于電離層、磁層和空間。地球內部的穩定磁場(chǎng)由于磁場(chǎng)穩定一般產(chǎn)生的地磁感應電流非常微弱，影響有限。然而，變化磁場(chǎng)的存在，特別是太陽(yáng)活動(dòng)引起的磁暴期會(huì )產(chǎn)生變化幅度較大的地磁感應電流，可能對各種人工長(cháng)距離導電體造成顯著(zhù)影響。國外（特別是高緯度國家，如加拿大、芬蘭等）對地磁感應電流干擾管道的現象開(kāi)展了長(cháng)期的觀(guān)測、理論研究與預測。根據所建立的管道地磁感應電流監測系統的記錄，當地磁場(chǎng)發(fā)生強烈擾動(dòng)（磁暴）時(shí)，感應電場(chǎng)強度可以達到每公里幾伏至幾十伏，因而對地下管道產(chǎn)生的雜散電流干擾腐蝕就成為一個(gè)不可忽視的因素。

地磁場(chǎng)強弱與多個(gè)因素有關(guān)：

（1）太陽(yáng)周期變化：太陽(yáng)周期在大約11年的間隔里出現一次活動(dòng)高峰。這些周期對應著(zhù)太陽(yáng)的南北磁極位置的變化。

（2）太陽(yáng)自轉頻率：太陽(yáng)自轉頻率大約是27天，由于太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)耀斑在表面并不是均勻分布的，自轉會(huì )引起太陽(yáng)等離子體的變化。

（3）地球自轉：隨著(zhù)地球自轉，金屬結構物會(huì )在地球的晝夜間經(jīng)歷地磁的變化。因此，管地電位具有24小時(shí)重復性的變化，被稱(chēng)為晝間波動(dòng)。

（4）等離子體磁場(chǎng)方向：等離子體磁場(chǎng)的方向對地電場(chǎng)的大小有著(zhù)重要的影響。當等離子體磁場(chǎng)指向南（即逆著(zhù)地球磁場(chǎng)）時(shí)，地磁暴產(chǎn)生一個(gè)較大的地電場(chǎng)。但是當等離子體磁場(chǎng)朝北時(shí)，地電場(chǎng)則沒(méi)有明顯變化。因此，日冕質(zhì)噴射對地電場(chǎng)的影響與太陽(yáng)磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)的排列關(guān)系密切相關(guān)。

（5）管道與海/湖岸線(xiàn)的接近性：由于低電阻率水體和高電阻率大地之間存在電壓差，接近海/湖岸線(xiàn)也會(huì )引起管道的電位變化。相比于大地，水體中存在更大的感應電流，從而引起水體中的電荷積累會(huì )增加靠近海/湖岸的大地電位。這種現象也存在于大地中高低電阻率土壤的突然變化處。另外，由于霍爾效應，水體的潮汐活動(dòng)也能產(chǎn)生感應電流，加劇管道電位變化。實(shí)際上，大地電性結構的分界處容易加劇管道腐蝕，穿過(guò)大地分界面的管道在分界點(diǎn)處受到的地磁暴致災風(fēng)險比較大。

（6）管道緯度：管道相對于地磁極的位置對其上感應電場(chǎng)的大小也存在影響。在中緯度區地磁峰值發(fā)生的概率最高，而沿著(zhù)到北極和到赤道的方向減小。

地磁活動(dòng)可以用Kp指標來(lái)表征。Kp指數是由全球地磁臺網(wǎng)中13個(gè)地磁臺站的K指數計算得到，用于表示全球地磁活動(dòng)性，每3小時(shí)采集一個(gè)值。Kp指數是基于3小時(shí)間隔的算術(shù)平均數。該指數是對數值，范圍從0（靜止）到9（嚴重），Kp指數超過(guò)4的活動(dòng)被認為是地磁暴。隨著(zhù)Kp指數增大，地磁暴發(fā)生的概率對數地減小。一般把Kp=5、6稱(chēng)為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱(chēng)為大地磁暴。由圖 1可知，地磁小擾動(dòng)頻繁發(fā)生，但嚴重的地磁暴幾乎不發(fā)生。Kp=6的地磁暴可能發(fā)生的概率為2%，可產(chǎn)生平均100 mV/km大小的地電場(chǎng)，其電場(chǎng)范圍大致是30 mV/km～300 mV/km（圖 2）。

圖 1 不同Kp指數等級地磁活動(dòng)的平均發(fā)生率

圖 2 地電場(chǎng)峰值大小與Kp指數的關(guān)系

2  埋地管道地磁干擾的識別

埋地油氣管道受到雜散電流干擾時(shí)，識別干擾源是保證管道安全運行的基礎。與高壓輸電線(xiàn)路、地鐵、高鐵等干擾源不同，地磁干擾很難直接辨識。為了確定埋地管道是否受到地磁干擾的影響，可以結合地磁干擾的特點(diǎn)從以下三方面進(jìn)行辨識。

（1）地磁干擾對埋地管道電位影響表現為電位呈現無(wú)規律波動(dòng)，且近似存在24小時(shí)的晝夜周期；電位波動(dòng)不僅持續存在，且波動(dòng)幅度隨著(zhù)地磁暴等級增加而增加。

（2）地磁干擾對大地中所有的埋地金屬結構物都會(huì )產(chǎn)生影響，因此，不僅受干擾管道全線(xiàn)都會(huì )受到影響，而且分布在不同地理位置的管道也同時(shí)受到影響，這一點(diǎn)在發(fā)生強地磁暴時(shí)表現尤為明顯。發(fā)生強地磁暴時(shí)，分布在不同地理位置的管道電位波動(dòng)同時(shí)同步增加；可以利用這一點(diǎn)來(lái)明確管道電位的無(wú)規則波動(dòng)是地磁干擾所致。

（3）中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（NSSC）空間環(huán)境預報中心（網(wǎng)站：http://www.sepc.ac.cn/）會(huì )發(fā)布已發(fā)生的地磁暴事件并對未來(lái)短時(shí)間內可能發(fā)生的地磁暴事件進(jìn)行預報。埋地管道受到地磁干擾電位波動(dòng)幅度增加時(shí)，可以通過(guò)查找對應時(shí)段與中心發(fā)布的地磁暴時(shí)間是否吻合來(lái)進(jìn)一步確認地磁干擾的影響。

3  埋地管道受到地磁干擾的監測分析與評價(jià)

通過(guò)智能電位測試樁的監測，目前已在我國不同地理位置的埋地管道上監測到了地磁干擾現象。這些位置既有高緯度地區，例如新疆賽里木湖附近、黑龍江漠河附近。也有低緯度地區，例如廣西北部灣附近、廣東湛江附近，還有濱海地區，例如華北渤海灣、華東黃海海域附近等。

3.1  地磁干擾的監測

以下為2020—2022年地磁暴等級達到3年來(lái)最高的一次（Kp=7）案例。

2021年5月，通過(guò)對某管線(xiàn)上智能電位測試樁監測數據分析，發(fā)現沿線(xiàn)智能電位測試樁通電電位和斷電電位均存在持續不規則波動(dòng)，波動(dòng)趨勢一致，但均未呈現出明顯的隨時(shí)間變化的周期性特點(diǎn)，也無(wú)明顯的靜息期，如圖 3所示。經(jīng)查詢(xún)空間環(huán)境預報中心網(wǎng)站（圖 4），5月12日12:00—18:00這段時(shí)間內發(fā)生Kp=7的大地磁暴事件，因此該時(shí)段內管道受到的地磁干擾相較于其他時(shí)間明顯增強，表現為通電電位波動(dòng)幅度顯著(zhù)增大，且斷電電位波動(dòng)幅度也有所增大。

圖 3 2021年5月12日大地磁暴（ Kp=7）時(shí)某管線(xiàn)4處智能測試樁的監測電位-時(shí)間分布圖

圖 4 2021年5月12日—13日大地磁暴事件

3.2  地磁干擾的評價(jià)

埋地管道受到的地磁干擾屬于動(dòng)態(tài)直流干擾。在評價(jià)管道的陰極保護效果或者干擾防護效果時(shí)，應當考慮地磁干擾的影響。目前國內外標準中，澳大利亞標準AS 2832.1―2015和國際標準ISO 21857―2021已提出埋地管道地磁干擾的評價(jià)準則，而國內尚無(wú)相關(guān)評價(jià)標準。

AS2832.1―2015的評價(jià)準則提出：當有跡象表明測試點(diǎn)最正峰值和最負峰值之間的電位差超過(guò)200 mV時(shí)，應評估大地電流的影響。開(kāi)展結構物的大地電流影響評估時(shí)，必需記錄電位24小時(shí)以上，至少不少于20小時(shí)。如果使用數據記錄儀監測電位，其采樣頻率應不小于每分鐘一次。受大地電流影響的整個(gè)管段均應開(kāi)展電位數據記錄儀測量工作。受大地電流影響的結構物的電位正于保護標準的時(shí)間不得超過(guò)測試時(shí)間的5%。在確定電位變化的程度時(shí)，應評估電位測量時(shí)間段內電離層干擾的程度。

ISO 21857―2021的評價(jià)準則提出：對于施加陰極保護的管道，如果受到的陽(yáng)極干擾和陰極干擾隨時(shí)間變化，干擾可接受的評價(jià)準則如下：

（1）陽(yáng)極干擾：無(wú)IR降電位EIR-free滿(mǎn)足EIR-free≤ Ep（即保護電位）；或者Eon,avg偏移滿(mǎn)足Eon,avg ≤ Eref（即參考電位）–ΔEa,avg。

（2）陰極干擾：平均陰極電位偏移ΔEc,avg滿(mǎn)足ΔEc,avg≤500 mV（包括IR降）。

4  地磁干擾的規律分析

空間環(huán)境預報中心給出的2020—2022年全年地磁暴等級如表 1所示，Kp=7的大地磁暴2次、Kp=6的中小地磁暴21次、Kp=5的中小地磁暴134次，而Kp≤4的輕度地磁擾動(dòng)每天都在發(fā)生。通過(guò)對大量埋地管道智能電位測試樁監測數據的分析，發(fā)現管道電位波動(dòng)的日最大電位差（即波動(dòng)幅度）正好是地磁暴等級較大的時(shí)候。其中，2021年5月12日地磁暴等級達到3年來(lái)最高，為Kp=7，持續時(shí)長(cháng)6小時(shí)，僅占一年總時(shí)長(cháng)的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴，在2022年發(fā)生頻次較高，持續時(shí)長(cháng)占一年總時(shí)長(cháng)的0.07%～0.55%；Kp=5的中小地磁暴，同樣在2022年發(fā)生頻次最高，達到了89次，持續時(shí)長(cháng)占一年總時(shí)長(cháng)的0.51%～3.05%；Kp≤4的輕度地磁擾動(dòng)持續時(shí)長(cháng)占一年總時(shí)長(cháng)的96.37%～99.42%。從近三年監測情況來(lái)看，2022年Kp≥5的地磁暴發(fā)生頻次較高，而絕大部分時(shí)間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾。

表 1 地磁暴等級占比時(shí)間（ 2020—2022年）

5  結語(yǔ)

目前行業(yè)內對地磁干擾的關(guān)注并不太多，而埋地管道受到地磁干擾的研究則更少。近年來(lái)，智能測試樁的普遍應用可有效提升對管道電位監測數據波動(dòng)情況的關(guān)注，進(jìn)而加強對埋地管道地磁干擾的認識。針對埋地管道受到地磁干擾影響的評估工作，我國目前尚無(wú)相應的標準指導，可參考AS 2832.1―2015和ISO 21857―2021進(jìn)行干擾評價(jià)。開(kāi)展埋地管道地磁干擾評價(jià)時(shí)，可結合地磁暴強度信息查詢(xún)結果，利用“干擾電位正于標準規定保護電位（Ep）的時(shí)間占比不超過(guò)5%”確定干擾是否可以接受。

作者簡(jiǎn)介：牛文花，1986年生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，高級工程師，現從事智能陰極保護系統運行維護、故障診斷、數據分析、系統融合等工作。聯(lián)系方式：18910386639，niuwh@ancorr.cn。