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          以案說法

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          雷電致管道損傷機理分析及預防措施

          來源:《管道保護》2021年第4期 作者:戴聯雙 楊玉鋒 張強 時間:2021-8-26 閱讀:

          戴聯雙1 楊玉鋒2 張強2

          1.國家管網集團安全環保與運維本部;

          2.國家管網集團北方管道公司科技研究中心




          1  概述

          雷電會對管道系統產生危害,其破壞形式表現為管道附近的高架線、雷電流作用導致的管線熱效應和沖擊效應以及對防腐層的破壞。主要可以分為以下幾種形式:雷電電流導致管道灼傷或穿孔;雷電直接導致管道破裂;油氣泄漏情況下,雷電點燃油氣,引發事故;雷電導致閥室、站場設備的損壞或進一步引發火災。

          根據美國管道和危險材料安全管理局(PHMSA)統計表明,2010年~2016年,陸上危險液體管道與電氣相關的失效事件頻率顯著增加,其中自2012年起電氣相關失效次數超過第三方開挖損壞導致的失效。與電氣相關失效的主要原因是雜散電流腐蝕和雷擊,對陸上管道和站場設備設施的影響最為頻繁。

          目前管道均按規范設計了防雷措施,但是近年來仍然發生多起因雷擊引起的管道燒蝕案例,造成的管道缺陷在防腐層內側存在碳化痕跡,且有金屬顆粒飛濺,目測深度也較深。國內外雷擊導致管道失效的部分案例如表 1所示。


          1 國內外雷擊管道典型事故案例



          2  雷擊管道損傷機理分析

          主要有三種機理:

          (1)雷擊地表,電流在土壤中流動,在大地周圍形成強電場。

          (2)電場力達到土壤的擊穿場強,發生介電擊穿,在土壤中形成雷電流通道。

          (3)雷擊電流沿著雷電流通道進入防腐層破損點,引起管道燒蝕。

          研究表明,若高壓輸電網絡與管線系統呈現交錯狀分布,那么當輸電線路遭受雷擊時,雷電流可能會沿著輸電桿塔接地體流入到大地中,進而可能擊穿管道與接地體之間的土壤;若雷擊同時造成線路絕緣子串發生閃絡,則短路電流會沿雷電流通道流向埋地金屬管道。這種以工頻電弧形式而出現的短路電流,若其電弧幅值高且持續時間長,將會對管道產生嚴重的破壞。直擊雷電對管道的直接破壞首先因大電流對管道的防腐層破壞,后續長時間持續雷電流會進一步對管道燒蝕穿孔。

          當管道附近上空即將產生雷電時,其下方大面積的地面形成一個靜電場,埋地管道也同大地一樣表面感應出相反的電荷,當電荷積累到一定程度而又具備了放電條件時,會出現一次強烈的放電過程。此時,云地電荷迅速消失,地電荷變為零。但是,由于PE三層優良的絕緣性能,管道感應電荷的泄放速度很慢,一旦發生管道的局部放電,其他部位的感應電荷也將隨之對地消散,于是在管道內形成一股強大的電流。對于絕緣層電阻較低的管道,電流會通過絕緣層的漏點大量消散,不會產生大的破壞力;然而,對于絕緣性能很好的管道,當這種浪涌不能通過絕緣層本身的漏點快速泄放入地時,管道上絕緣或接觸不良的部位就會產生高電壓,引起二次電壓,這是輸氣管道設備、設施遭受雷電破壞的主要原因,由于金屬管道是一個良導體,很容易成為較大的直擊雷電的泄放通道而發生雷擊現象。

          以表 1案例10為例,分析雷擊致管道損傷的成因。該X65管道缺陷開挖驗證時,剝除防腐層后發現類似燒蝕的腐蝕坑,坑深 5.8 mm,如圖 1(b)所示。管道附近有高壓交流輸電線路,其與管道的最近距離約63 m,如圖 1(a)所示。



          1 高壓線附近管道缺陷位置及燒蝕坑形貌


          管道本體外表面有黑色環氧粉末熔化痕跡,缺陷附近有多顆圓型金屬顆粒,如圖 2圓圈標記所示,推測為該處管體缺陷在受熱形成期間管體金屬飛濺導致。通過實測圖 1(b)管道缺陷,其上下左右四個方向的尺寸均為11 mm;中間圓形缺陷的上下左右四個方向均為5 mm。同時,在該缺陷的外部邊緣,有金屬溢出凝固痕跡。由于現場未發現明顯腐蝕產物,同時有高溫熔化現象,因此可排除電化學干擾所致。



          2 缺陷附近并存在多顆圓型金屬顆粒


          通過實驗室金相分析,缺陷處樣品金相組織為均勻的保持馬氏體位相的回火索氏體?紤]到管道本體X65鋼金相組織為鐵素體加珠光體。因此,判斷缺陷處管體經歷了加熱—冷卻過程。

          燒蝕坑中心處金相組織(放大50倍)如圖 3(a)所示,可以看出,燒蝕邊緣組織與母材存在分層,但與靠近燒蝕坑邊緣截面相比,熱影響區分層不明顯且范圍較小,約為50μm~100μm。每層組織局部形貌(放大200倍)如圖 3(b)、圖 3(c)所示。



          3 燒蝕坑中心處金相組織

          檢驗缺陷處樣品硬度為860 HV1,可確認樣品組織內部含有殘余馬氏體,與金相分析的結論一致;敬_定該缺陷是由能量高度集中的源燒蝕造成的。

          結合現場情況分析:

          (1)與干燥土壤相比,潮濕土壤更容易被雷電流擊穿,這增加了雷雨天氣時管道燒蝕的概率。

          (2)當高壓線桿塔與管道距離超過4.3 m(現場測量)時,管道風險點附近的電場強度低于擊穿電壓(0.3 kV/cm),無法形成雷電流通道。實際桿塔距管道缺陷點為90 m,因此不是雷擊桿塔所致。距離缺陷點為200 m時,缺陷點附近的焦耳熱和轉移電荷量均很小,因此也不是雷擊所致。由此可見,現場燒蝕缺陷是由雷擊地表所致。其過程為:雷擊地表時,管道風險點附近能達到土壤的擊穿電壓,在雷擊點和管道缺陷點的土壤間會形成雷電流通道,大量雷電流會沿著雷擊通道進入管道缺陷點,引起管道燒蝕。

          (3)當雷電流達到100 kA、管道缺陷點周圍11.2 m范圍內遭到雷擊,才可能形成雷電流通道,引起管道燒蝕。因此,管道日常巡檢過程中應注意周圍11.2 m范圍內的高大構筑物及受雷擊情況。

          3  相關建議

          (1)加密管道內檢測周期。 管道本體的雷擊缺陷具有獨特的特征信號,一般出現在管頂位置,深度較深。將最新的管道內檢測結果與上一周期的結果對比也可以輔助識別雷擊缺陷。若某缺陷特征突然出現,并且具有上述雷擊缺陷特征,則需進一步驗證該缺陷是否雷擊所致。因為腐蝕導致的缺陷通常會隨著時間逐漸加深。值得注意的是,雷擊缺陷的實際最大深度遠比內檢測報告的還要深。

          (2)縮短管道防腐層檢測周期。對于不能進行內檢測的管道或者管道周圍11.2 m范圍內有樹木、輸電桿塔或其他高大建筑等,需要對管道防腐層破損點進行加密檢測,并且應加大防腐層破損點的開挖驗證數量,及時進行原因分析,并完成破損點修復。

          (3)由于氣流在山腰或山腳受阻,形成渦旋,前后帶不同電的微粒群體撞擊形成雷電。使得山地管道更容易遭到雷擊。建議加強巡檢,作為重點關注外檢測管段。

          (4)管道中心線兩側各11.2 m范圍內,新建和改建鐵路、公路、河渠,架空電力線路,埋設地下電纜、光纜,設計時應考慮合理設置安全接地體和避雷接地體。

          (5)如果發現已建管道上存在雷擊燒蝕缺陷,應及時將熔化區打磨并補強以防止管道產生微裂紋,誘發失效。

          (6)新建管道盡量遠離高大建筑或者樹木。對于雷電多發區域,正常合理間距宜保持11.2 m以上;若不能避免,建議在新建管道11.2 m范圍內,采用合理預防措施,以阻斷雷電流地中泄放。

          (7)雷電多發區域的新建管道,建議與輸電線路桿塔保持5.5 m(大于4.3 m)間距以上,且輸電桿塔接地體應遠離管道一側敷設。因為自然界中超過200 kA的雷電流概率雖然很小,若擊中桿塔時,雷電流會沿著桿塔接地體流入到桿塔附近的管道中,帶來一定風險。


          下一期將為大家介紹 “某X70鋼管道建設期環焊縫裂紋產生原因及預控措施”,并分享經驗教訓,敬請關注。

           

          戴聯雙,博士, 1983年生,現就職于國家石油天然氣管網集團有限公司,注冊安全工程師、二級安全評價師、管道檢驗師。負責編寫了《油氣管道安全防護規范》( Q/SY1490),參與起草公安部標準《石油天然氣管道系統治安風險等級和安全防范要求》( GA 1166)、國家標準 《油氣輸送管道完整性管理規范》( GB 32167)等多項標準。在國內外期刊先后發表論文數十篇,參與編著了《管道完整性管理技術》《油氣管道事故啟示錄》《油氣管道清管技術與應用》等書籍。近年來多次獲得中石油集團科學技術進步獎、河北省科學技術進步獎、管道科學獎等。

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