閥室引壓管放電燒蝕失效分析

韓昌柴 曹國飛 覃慧敏 李英義 牛文花 葛彩剛 路民旭

1.中國石油東部管道有限公司 2.北京安科管道工程科技有限公司 3.北京科技大學(xué)

閥室引壓管放電燒蝕失效分析

韓昌柴1曹國飛1覃慧敏2李英義1牛文花2葛彩剛2路民旭3

1.中國石油東部管道有限公司 2.北京安科管道工程科技有限公司 3.北京科技大學(xué)

韓昌柴等.閥室引壓管放電燒蝕失效分析. 天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 118-125.

近年來，我國油氣管道沿線閥室遭受的交、直流電干擾日益嚴(yán)重，由此引發(fā)的閥室引壓管放電燒蝕問題逐漸凸顯，亟需開展相關(guān)研究來弄清閥室引壓管放電燒蝕的規(guī)律和機(jī)制。為此，以西氣東輸天然氣管道某閥室引壓管的放電燒蝕為例，搭建了實驗室放電燒蝕平臺，采用實驗室模擬實驗、微觀分析以及現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，對該閥室引壓管放電燒蝕的規(guī)律和機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①當(dāng)兩根引壓管間的交直流電壓差大于4 V且存在接觸引弧時便可以觀察到明顯的放電現(xiàn)象；②隨著引壓管間電壓差和回路電流的增大，其能量升高，引壓管放電燒蝕越嚴(yán)重；③直流放電燒蝕情況下陰、陽極呈現(xiàn)出明顯不同的燒蝕形貌，陽極區(qū)燒蝕更加嚴(yán)重，其燒蝕坑呈現(xiàn)凹坑且燒蝕坑中沒有明顯的燒蝕產(chǎn)物沉積，陰極區(qū)燒蝕深度較淺，表面沉積一層燒蝕產(chǎn)物，而交流放電燒蝕情況下陰陽極燒蝕區(qū)域形貌基本一致，無明顯差異。結(jié)論認(rèn)為：該閥室的引壓管放電現(xiàn)象是一種弧光放電，可以通過固定引壓管、增大引壓管間距以及閥室的交直流排流等措施來避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

西氣東輸 天然氣管道 閥室 引壓管 交直流干擾 放電燒蝕 失效分析 消減措施

1 案例概述

隨著高壓（特高壓）交、直流輸電線路[1-5]、電氣化鐵路（特別是高速鐵路）[6-7]以及油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，管道沿線閥室遭受的交、直流電干擾越來越嚴(yán)重[8-10]，逐漸出現(xiàn)了引壓管發(fā)電燒蝕的現(xiàn)象[11-12]。這對油氣管道來說是一個新的威脅：引壓管壁厚較薄、內(nèi)部介質(zhì)壓力大[13-14]，一旦發(fā)生引壓管燒穿、天然氣泄漏事故，將對安全生產(chǎn)造成重大影響。

“西氣東輸”管道沿線大多數(shù)閥室都采用了Shafer氣液聯(lián)動閥。在日常巡檢中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個閥室引壓管間距過小，發(fā)生引壓管之間放電，個別閥室甚至出現(xiàn)引壓管燒穿、天然氣泄漏事故，對安全生產(chǎn)造成影響。

閥室進(jìn)出站兩側(cè)的管道上均沒有設(shè)置絕緣接頭[15]，而氣液聯(lián)動閥的Linguard控制箱和閥頭由于電氣專業(yè)防雷要求需要進(jìn)行接地[16]，為了避免陰極保護(hù)電流的泄露，氣液聯(lián)動閥的引壓管上安裝了絕緣卡套，以保證主管道和閥室接地網(wǎng)之間處于電絕緣狀態(tài)。絕緣卡套一側(cè)的引壓管與主管道電連接，另一側(cè)的引壓管與閥室接地網(wǎng)電連接，放電燒蝕現(xiàn)象發(fā)生在管道側(cè)引壓管和接地側(cè)引壓管之間（圖1）。閥室引壓管放電燒蝕與管道受到的外界干擾電流、閥室絕緣接地等因素都有關(guān)。

圖1 閥室現(xiàn)場引壓管放電燒蝕部位示意圖

2 測試方法

2.1 室內(nèi)測試

圖2 室內(nèi)放電實驗電路結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究閥室兩根引壓管之間壓降與引壓管放電燒蝕的關(guān)系，設(shè)計了室內(nèi)模擬放電燒蝕實驗裝置，實驗電路連接如圖2所示。圖2中DC/AC為直流電流、交流電源或沖擊電壓，模擬閥室現(xiàn)場管道和接地極直接的交直流電壓差；Shunt為標(biāo)準(zhǔn)電阻，用于測試回路電流I；P1和P2為不銹鋼管，用于模擬分別與管道側(cè)和接地側(cè)電連接的兩根引壓管試樣；D為兩管間距，實驗過程中可以連續(xù)可調(diào)；V1為標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓；V2為管間放電維持電壓，測試放電過程中兩根引壓管試樣間的壓降。

2.1.1 固定間距下放電閥值測試

在實驗中固定兩根引壓管之間不同的間距，引壓管間距每次增大0.01 mm。用安規(guī)測試儀在引壓管兩端施加不同的電壓，安規(guī)測試儀設(shè)置直流1 mA、100 V/s的升壓速度，測試兩引壓管在不同間距下的放電電壓值。

2.1.2 引壓管接觸引弧放電測試

分別在不同電壓的直流電源和交流電源下，首先讓兩根引壓管試樣接觸后再緩慢拉開，在放電最明顯時的引壓管間距，即為實驗中的“典型放電間距”；繼續(xù)增大間距，直至放電火花消失時的引壓管間距，即為實驗中的“最大放電間距”。測試不同的電源電壓和不同的間距下兩根引壓管之間的放電燒蝕現(xiàn)象，研究引壓管放電燒蝕與干擾電流強(qiáng)度、引壓管間距等因素之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 閥室現(xiàn)場測試

分別選擇兩個不同的閥室，引壓管試樣分別連接至管道和閥室接地網(wǎng)，利用閥室現(xiàn)場管道和接地網(wǎng)之間的交直流電壓差進(jìn)行引壓管引弧放電燒蝕試驗，測試接線電路連接如圖3所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 固定間距下放電閥值測試

圖3 閥室現(xiàn)場放電實驗電路結(jié)構(gòu)示意圖

表1為引壓管固定間距下的放電閥值測試結(jié)果。測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明在固定間距下，兩根引壓管之間的空氣擊穿放電電壓較大，隨著間隙的增大，空氣擊穿放電電壓增加。當(dāng)間距增大為0.1 mm，擊穿放電電壓已達(dá)到上千伏。對于如此大的擊穿電壓，一般在管道遭受雷擊時才會存在，而閥室現(xiàn)場一般均設(shè)置了等電位連接器連接管道和接地網(wǎng)，當(dāng)遭受雷擊時等電位連接器將啟動將雷電流從接地網(wǎng)泄放出去。同時由發(fā)生引壓管放電燒蝕的現(xiàn)場照片可以知道，該放電燒蝕現(xiàn)象可以長時間穩(wěn)定存在，而雷擊時間僅為微秒級。因此，閥室現(xiàn)場由于遭受雷擊而發(fā)生引壓管放電燒蝕的可能性較小。

3.2 引壓管接觸引弧直流放電測試

在不同的直流電源電壓下，典型引弧放電間距和最大放電間距測試記錄如表2所示。在直流電壓（即引弧電壓）小于4 V的情況下，兩根引壓管試樣接觸后再拉開距離觀察不到明顯的放電燒蝕現(xiàn)象。當(dāng)引弧電壓大于4 V之后，兩根引壓管試樣接觸后緩慢

拉開間距，在典型放電間距時放電弧光現(xiàn)象最明顯，繼續(xù)拉大間距，放電弧光逐漸變?nèi)?、熄滅。放電現(xiàn)象隨著電源電壓的增大越來越明顯，兩根引壓管之間的電壓降和回路中的電流也越大。

表 1 引壓管間隙放電電壓測試數(shù)據(jù)表

表2 不同電壓下引弧放電間距測試記錄表

閥室現(xiàn)場兩根引壓管之間的直流電壓差來源于管道與接地網(wǎng)直流電壓差，當(dāng)管道受到直流干擾造成管道直流電位偏移，管道與接地網(wǎng)之間的直流電壓差大于4 V，在閥室現(xiàn)場兩根分別與管道和接地網(wǎng)電連通的引壓管由于風(fēng)力載荷或外力震動，原本比較靠近的兩根引壓管之間相互接觸分開，就會發(fā)生引壓管放電燒蝕現(xiàn)象。

3.3 引壓管接觸引弧交流放電測試

在不同的交流電源電壓下，典型引弧放電間距和最大放電間距測試記錄如表3所示。與直流引弧放電燒蝕試驗類似，在交流電壓（即引弧電壓）小于4 V的情況下，兩根引壓管試樣接觸后再拉開距離觀察不到明顯的放電燒蝕現(xiàn)象。當(dāng)交流電壓大于4 V之后，兩根引壓管試樣接觸后緩慢拉開間距，在典型放電間距時放電弧光現(xiàn)象最明顯，繼續(xù)拉大間距，放電弧光逐漸變?nèi)酢⑾?。放電現(xiàn)象隨著電源電壓的增大越來越明顯，兩根引壓管之間的電壓降和回路中的電流也越大。

表3 不同電壓下引弧放電間距測試記錄

閥室現(xiàn)場兩根引壓管之間的交流電壓差來源于管道與接地網(wǎng)的交流電壓差，當(dāng)管道受到交流干擾，管道與接地網(wǎng)之間的交流電壓差大于4 V，在閥室現(xiàn)場兩根引壓管之間相互接觸分開，就會發(fā)生引壓管放電燒蝕現(xiàn)象。

3.4 引壓管放電燒蝕區(qū)域典型形貌

3.4.1 直流放電燒蝕

圖4 直流放電燒蝕引壓管試樣宏觀形貌照片

直流放電燒蝕引壓管試樣的宏觀形貌如圖4所

示， 其中P1端與直流電源的正極連接（相當(dāng)于陽極區(qū)），P1端與直流電源的負(fù)極連接（相當(dāng)于陰極區(qū)）。P1端和P2端的燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)不同形貌，陽極區(qū)（P1端）的燒蝕坑比陰極區(qū)（P2端）的燒蝕坑面積要大，而且陽極區(qū)（P1端）的燒蝕坑呈現(xiàn)凹坑，中心燒蝕深度最大；陰極區(qū)（P2端）的燒蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)熔融凝固的瘤狀。

對燒蝕坑的縱剖面進(jìn)行觀察，直流放電燒蝕引壓管試樣截面金相如圖5所示。直流放電燒蝕引壓管試樣呈現(xiàn)陰陽極明顯不同的燒蝕形貌，陽極區(qū)燒蝕更加嚴(yán)重。陽極區(qū)（P1端）的燒蝕坑呈現(xiàn)凹坑，燒蝕坑直徑為1.4 mm，燒蝕深度為0.70 mm，且燒蝕坑中沒有明顯的燒蝕產(chǎn)物沉積；陰極區(qū)（P2端）燒蝕深度較淺，燒蝕坑直徑為1.1 mm，燒蝕深度為0.02 mm，表面沉積一層燒蝕產(chǎn)物。

直流放電燒蝕引壓管試樣的陰陽極燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)不同形貌，原因是直流放電情況下，兩根引壓管對應(yīng)恒定的陽極和陰極，材料在燒蝕過程中，陽極區(qū)表層組織受電弧作用而形成熔池，由于溫度以及電弧力的作用，使熔池內(nèi)的小液滴飛濺出燒蝕區(qū)域，形成表面燒蝕坑，飛濺的熔融液滴到達(dá)對應(yīng)陰極表面，凝固冷卻后形成凸起的燒蝕平臺。

3.4.2 交流放電燒蝕

交流放電燒蝕引壓管試樣的宏觀形貌如圖6所示，P1端和P2端的燒蝕區(qū)域面積大小一致，沒有大的凹陷坑和凸起平臺，產(chǎn)物呈現(xiàn)熔融凝固的瘤狀。

圖5 直流放電燒蝕引壓管試樣截面金相圖

圖6 交流放電燒蝕引壓管試樣宏觀形貌照片

對交流燒蝕的縱剖面進(jìn)行觀察（圖7）。兩次燒蝕樣品的P1端和P2端的燒蝕區(qū)域的直徑和深度相差不大，燒蝕坑直徑都為1.0 mm，燒蝕深度都為0.05 mm。

交流放電燒蝕引壓管試樣的陰陽極燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)相同形貌，原因是交流放電情況下，兩根引壓管沒有固定的陰極和陽極，而呈現(xiàn)陰極陽極交替出現(xiàn)的情況，材料在燒蝕過程中，表層組織受電弧作用而形成熔池。在陰陽極相互交替過程中，兩根引壓管試樣燒蝕形貌基本一致，無明顯差別。

3.5 閥室現(xiàn)場放電燒蝕測試

3.5.1 直流放電燒蝕

“西氣東輸”管道西二線干線距離高壓直流輸電工程的翁源接地極較近。2014年6月22日7：10—9：10翁源接地極陰極放電時，于154號閥室處檢測到管道直流電位正向偏移至10 V，此時管道和接地網(wǎng)之間的直流電壓差為10.7 V。

于放電實驗平臺上進(jìn)行兩根引壓管試樣的引弧放電實驗，將兩根引壓管接觸之后慢慢拉大兩管間距，當(dāng)兩管間距為0.15 mm時，放電現(xiàn)象很明顯，此時回路電流為4.3 A，兩引壓管壓降為2.6 V。現(xiàn)場放電燒蝕現(xiàn)象如圖8所示。

圖7 交流放電燒蝕引壓管試樣截面金相圖

圖8 西二線154號閥室引弧放電燒蝕圖

持續(xù)放電燒蝕30 min后，將引壓管試樣從實驗平臺上卸下，觀察到與管道側(cè)連接的引壓管試樣其表面燒蝕坑面積要比與接地側(cè)連接的引壓管試樣大，呈現(xiàn)凹坑，中心燒蝕深度大（圖9）。由于此次翁源接地極放電為陰極放電，管道電位正向偏移，與管道側(cè)連接的引壓管試樣作為燒蝕的陽極區(qū)，而與閥室接地側(cè)連接的引壓管試樣作為燒蝕的陰極區(qū)，陽極區(qū)的燒蝕坑比陰極區(qū)的燒蝕坑面積要大，與實驗室進(jìn)行的直流放電燒蝕形貌一致。

圖9 現(xiàn)場直流放電燒蝕引壓管試樣宏觀形貌照片

3.5.2 交流放電燒蝕

“西氣東輸”管道忠武線19#閥室受到交流輸電線路和漢宜高鐵的干擾，2014年6月11日進(jìn)行實驗平臺安裝的過程中，檢測到管道的交流電壓為15.7 V，直流電位為-1.0 V，此時管道和接地網(wǎng)之間的交流電壓差為16 V，直流電壓差僅為0.3 V。

于放電實驗平臺上進(jìn)行兩根引壓管試樣的引弧放電實驗， 將兩根引壓管接觸之后慢慢拉大兩管間距，當(dāng)兩管間距為0.17 mm時，放電現(xiàn)象明顯，此時兩引壓管交流壓降為2.5 V，回路中交流電流為9.6 A。

放電燒蝕2 h后，將引壓管試樣從實驗平臺上卸下，觀察到兩根引壓管試樣表面燒蝕坑面積相同，蝕區(qū)域面積大小一致，產(chǎn)物呈現(xiàn)熔融凝固的瘤狀，與實驗室進(jìn)行的交流放電燒蝕形貌一致（圖10）。

3.6 引壓管放電燒蝕消減措施

1）引壓管引弧放電燒蝕風(fēng)險的消減關(guān)鍵在于分屬不同電位系統(tǒng)的引壓管間不會發(fā)生接觸引弧。具體來說，一是多個絕緣卡套的安裝位置在空間上應(yīng)處并列位置，使得分屬于管道側(cè)和接地側(cè)的引壓管不再具有空間交叉接觸的可能；二是當(dāng)分屬于管道側(cè)和接地側(cè)的引壓管交叉時，需要保證兩根引壓管間間距足夠大（如1 cm），也可以在引壓管上纏繞絕緣材料消除引弧放電風(fēng)險。

2）對管道進(jìn)行交直流雜散電流干擾的緩解也是消減閥室設(shè)備引弧放電燒蝕風(fēng)險的有效措施。在無法保證消除引壓管接觸引弧的情況下，緩解后管道交直流干擾電壓應(yīng)小于4 V。

圖10 現(xiàn)場直交流放電燒蝕引壓管試樣宏觀形貌照片

4 結(jié)論

1）閥室現(xiàn)場的引壓管放電現(xiàn)象是一種弧光放電，其原因是由于兩根引壓管之間存在較大的交/直流電壓差，且兩根引壓管間距很近，在振動或者風(fēng)載的作用下發(fā)生接觸、分離。

2）引壓管間的交/直流電壓差大于4 V時可產(chǎn)生弧光放電，且隨著電壓差和回路電流的增大，能量越高，引壓管放電燒蝕越嚴(yán)重。

3）交流放電燒蝕情況下無陰陽極形貌差別，兩根引壓管燒蝕形貌基本一致；直流放電燒蝕情況下有明顯的陰、陽極形貌差別，陽極區(qū)呈現(xiàn)典型的燒蝕坑形貌，燒蝕嚴(yán)重，陰極區(qū)呈現(xiàn)燒蝕平臺形貌，且陰極區(qū)燒蝕坑直徑和深度較陽極區(qū)要小。

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（修改回稿日期 2016-07-20 編 輯 何 明）

Analysis of failures induced by the discharge ablation of pressure-guiding tubes in valve chambers

Han Changchai1, Cao Guofei1, Tan Huimin2, Li Yingyi1, Niu Wenhua2, Ge Caigang2, Lu Minxu3
(1. PetroChina Eastern Pipelines Co., Ltd., Shanghai 200000, China; 2. Beijing Safetech Pipeline Co., Ltd., Beijing 100083, China; 3. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.118-125, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In recent years, the valve chambers along oil and gas pipelines suffer from AC/DC (alternating current/direct current) interference more and more seriously in China. The induced discharge ablation of pressure-guiding tubes in valve chambers gets serious gradually. Therefore, it is urgent to figure out the laws and mechanisms of discharge ablation of pressure-guiding tubes in valve chambers. In this paper, an experimental discharge ablation platform was established with the discharge ablation of pressure-guiding tubes in a certain valve chamber of West-to-East Gas Pipeline as an example. The discharge ablation laws and mechanisms were analyzed by means of laboratory simulation experiment, microscopic analysis and field test comprehensively. It is shown that the discharge ablation is apparent when the AC/DC voltage difference between two pressure-guiding tubes is over 4 V and there is touch striking arc. As the voltage difference between pressure-guiding tubes and the circuit current increase, the energy rises and the discharge ablation of the pressure-guiding tubes gets more serious. In the mode of DC discharge, the ablation feature at the positive pole is different from that at the negative pole. In the region of positive pole, the ablation is more serious and the ablation dent is concave without obvious deposit of ablation products. In the region of negative pole, the ablation is shallower and the ablation products are deposited on the surface. In the mode of AC discharge, the ablation features at the positive and negative poles are basically coincident without apparent difference. It is concluded that the discharge of the pressure-guiding tube in this valve chamber is a phenomenon of arc discharge, which can be avoided by fixing the pressure-guiding tube, increasing the spacing between them and performing AC/DC drainage of the valve chamber.

West-to-East Gas Pipeline; Gas pipeline; Valve chamber; Pressure-guiding tube; AC/DC interference; Discharge ablation; Mitigation

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.015

韓昌柴，1981年生，工程師；主要從事長輸天然氣管道完整性管理、腐蝕防護(hù)與控制技術(shù)研究工作。地址：（430073）湖北省武漢市雄楚大道977號中國石油東部管道有限公司科技信息中心。電話：18621729093。ORCID: 0000-0003-4499-2163。E-mail: hanchangchai@petrochina.com.cn

葛彩剛，1985年生，工程師；主要從事油氣管道陰極保護(hù)工作。地址：（100083）北京市海淀區(qū)北四環(huán)中路229號海淀大廈1227北京安科管道工程科技有限公司。電話：（010）82883456轉(zhuǎn)805。E-mail: 285236114@qq.com