牛文花 陳少松

北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：地磁擾動時刻都在發(fā)生，近幾年通過智能電位測試樁的監(jiān)測，在我國不同地域的管道上均監(jiān)測到了顯著的地磁干擾現(xiàn)象。本文首先介紹了地磁干擾的原理，并通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)對埋地管道地磁干擾加以識別，進(jìn)而開展干擾評價，總結(jié)了近三年以來埋地管道地磁干擾的規(guī)律，以期對埋地管道的地磁干擾識別、監(jiān)測和評價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(jiān)測分析

1  地磁干擾的原理

地磁場由源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場和源于地球外部的變化磁場組成，變化磁場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(nèi)部的穩(wěn)定磁場由于磁場穩(wěn)定一般產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流非常微弱，影響有限。然而，變化磁場的存在，特別是太陽活動引起的磁暴期會產(chǎn)生變化幅度較大的地磁感應(yīng)電流，可能對各種人工長距離導(dǎo)電體造成顯著影響。國外（特別是高緯度國家，如加拿大、芬蘭等）對地磁感應(yīng)電流干擾管道的現(xiàn)象開展了長期的觀測、理論研究與預(yù)測。根據(jù)所建立的管道地磁感應(yīng)電流監(jiān)測系統(tǒng)的記錄，當(dāng)?shù)卮艌霭l(fā)生強(qiáng)烈擾動（磁暴）時，感應(yīng)電場強(qiáng)度可以達(dá)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不可忽視的因素。

地磁場強(qiáng)弱與多個因素有關(guān)：

（1）太陽周期變化：太陽周期在大約11年的間隔里出現(xiàn)一次活動高峰。這些周期對應(yīng)著太陽的南北磁極位置的變化。

（2）太陽自轉(zhuǎn)頻率：太陽自轉(zhuǎn)頻率大約是27天，由于太陽黑子和太陽耀斑在表面并不是均勻分布的，自轉(zhuǎn)會引起太陽等離子體的變化。

（3）地球自轉(zhuǎn)：隨著地球自轉(zhuǎn)，金屬結(jié)構(gòu)物會在地球的晝夜間經(jīng)歷地磁的變化。因此，管地電位具有24小時重復(fù)性的變化，被稱為晝間波動。

（4）等離子體磁場方向：等離子體磁場的方向?qū)Φ仉妶龅拇笮∮兄�重要的影響。�?dāng)?shù)入x子體磁場指向南（即逆著地球磁場）時，地磁暴產(chǎn)生一個較大的地電場。但是當(dāng)?shù)入x子體磁場朝北時，地電場則沒有明顯變化。因此，日冕質(zhì)噴射對地電場的影響與太陽磁場和地球磁場的排列關(guān)系密切相關(guān)。

（5）管道與海/湖岸線的接近性：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/湖岸線也會引起管道的電位變化。相比于大地，水體中存在更大的感應(yīng)電流，從而引起水體中的電荷積累會增加靠近海/湖岸的大地電位。這種現(xiàn)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(yīng)，水體的潮汐活動也能產(chǎn)生感應(yīng)電流，加劇管道電位變化。實際上，大地電性結(jié)構(gòu)的分界處容易加劇管道腐蝕，穿過大地分界面的管道在分界點處受到的地磁暴致災(zāi)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(yīng)電場的大小也存在影響。在中緯度區(qū)地磁峰值發(fā)生的概率最高，而沿著到北極和到赤道的方向減小。

地磁活動可以用Kp指標(biāo)來表征。Kp指數(shù)是由全球地磁臺網(wǎng)中13個地磁臺站的K指數(shù)計算得到，用于表示全球地磁活動性，每3小時采集一個值。Kp指數(shù)是基于3小時間隔的算術(shù)平均數(shù)。該指數(shù)是對數(shù)值，范圍從0（靜止）到9（嚴(yán)重），Kp指數(shù)超過4的活動被認(rèn)為是地磁暴。隨著Kp指數(shù)增大，地磁暴發(fā)生的概率對數(shù)地減小。一般把Kp=5、6稱為中小地磁暴，Kp=7、8、9稱為大地磁暴。由圖 1可知，地磁小擾動頻繁發(fā)生，但嚴(yán)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，其電場范圍大致是30 mV/km～300 mV/km（圖 2）。

圖 1 不同Kp指數(shù)等級地磁活動的平均發(fā)生率

圖 2 地電場峰值大小與Kp指數(shù)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，識別干擾源是保證管道安全運行的基礎(chǔ)。與高壓輸電線路、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(jié)合地磁干擾的特點從以下三方面進(jìn)行辨識。

（1）地磁干擾對埋地管道電位影響表現(xiàn)為電位呈現(xiàn)無規(guī)律波動，且近似存在24小時的晝夜周期；電位波動不僅持續(xù)存在，且波動幅度隨著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(jié)構(gòu)物都會產(chǎn)生影響，因此，不僅受干擾管道全線都會受到影響，而且分布在不同地理位置的管道也同時受到影響，這一點在發(fā)生強(qiáng)地磁暴時表現(xiàn)尤為明顯。發(fā)生強(qiáng)地磁暴時，分布在不同地理位置的管道電位波動同時同步增加；可以利用這一點來明確管道電位的無規(guī)則波動是地磁干擾所致。

（3）中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（NSSC）空間環(huán)境預(yù)報中心（網(wǎng)站：http://www.sepc.ac.cn/）會發(fā)布已發(fā)生的地磁暴事件并對未來短時間內(nèi)可能發(fā)生的地磁暴事件進(jìn)行預(yù)報。埋地管道受到地磁干擾電位波動幅度增加時，可以通過查找對應(yīng)時段與中心發(fā)布的地磁暴時間是否吻合來進(jìn)一步確認(rèn)地磁干擾的影響。

3  埋地管道受到地磁干擾的監(jiān)測分析與評價

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

3.1  地磁干擾的監(jiān)測

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

2021年5月，通過對某管線上智能電位測試樁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)沿線智能電位測試樁通電電位和斷電電位均存在持續(xù)不規(guī)則波動，波動趨勢一致，但均未呈現(xiàn)出明顯的隨時間變化的周期性特點，也無明顯的靜息期，如圖 3所示。經(jīng)查詢空間環(huán)境預(yù)報中心網(wǎng)站（圖 4），5月12日12:00—18:00這段時間內(nèi)發(fā)生Kp=7的大地磁暴事件，因此該時段內(nèi)管道受到的地磁干擾相較于其他時間明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為通電電位波動幅度顯著增大，且斷電電位波動幅度也有所增大。

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

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

埋地管道受到的地磁干擾屬于動態(tài)直流干擾。在評價管道的陰極保護(hù)效果或者干擾防護(hù)效果時，應(yīng)當(dāng)考慮地磁干擾的影響。目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1―2015和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21857―2021已提出埋地管道地磁干擾的評價準(zhǔn)則，而國內(nèi)尚無相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)。

AS2832.1―2015的評價準(zhǔn)則提出：當(dāng)有跡象表明測試點最正峰值和最負(fù)峰值之間的電位差超過200 mV時，應(yīng)評估大地電流的影響。開展結(jié)構(gòu)物的大地電流影響評估時，必需記錄電位24小時以上，至少不少于20小時。如果使用數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測電位，其采樣頻率應(yīng)不小于每分鐘一次。受大地電流影響的整個管段均應(yīng)開展電位數(shù)據(jù)記錄儀測量工作。受大地電流影響的結(jié)構(gòu)物的電位正于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的時間不得超過測試時間的5%。在確定電位變化的程度時，應(yīng)評估電位測量時間段內(nèi)電離層干擾的程度。

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

（1）陽極干擾：無IR降電位EIR-free滿足EIR-free≤ Ep（即保護(hù)電位）；或者Eon,avg偏移滿足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滿足ΔEc,avg≤500 mV（包括IR降）。

4  地磁干擾的規(guī)律分析

空間環(huán)境預(yù)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的輕度地磁擾動每天都在發(fā)生。通過對大量埋地管道智能電位測試樁監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)管道電位波動的日最大電位差（即波動幅度）正好是地磁暴等級較大的時候。其中，2021年5月12日地磁暴等級達(dá)到3年來最高，為Kp=7，持續(xù)時長6小時，僅占一年總時長的0～0.07%；Kp=6的中小地磁暴，在2022年發(fā)生頻次較高，持續(xù)時長占一年總時長的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(dá)到了89次，持續(xù)時長占一年總時長的0.51%～3.05%；Kp≤4的輕度地磁擾動持續(xù)時長占一年總時長的96.37%～99.42%。從近三年監(jiān)測情況來看，2022年Kp≥5的地磁暴發(fā)生頻次較高，而絕大部分時間都是Kp≤4的輕度地磁暴干擾。

表 1 地磁暴等級占比時間（ 2020—2022年）

5  結(jié)語

目前行業(yè)內(nèi)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，智能測試樁的普遍應(yīng)用可有效提升對管道電位監(jiān)測數(shù)據(jù)波動情況的關(guān)注，進(jìn)而加強(qiáng)對埋地管道地磁干擾的認(rèn)識。針對埋地管道受到地磁干擾影響的評估工作，我國目前尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，可參考AS 2832.1―2015和ISO 21857―2021進(jìn)行干擾評價。開展埋地管道地磁干擾評價時，可結(jié)合地磁暴強(qiáng)度信息查詢結(jié)果，利用“干擾電位正于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保護(hù)電位（Ep）的時間占比不超過5%”確定干擾是否可以接受。

作者簡介：牛文花，1986年生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，高級工程師，現(xiàn)從事智能陰極保護(hù)系統(tǒng)運行維護(hù)、故障診斷、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)融合等工作。聯(lián)系方式：18910386639，niuwh@ancorr.cn。