天然氣管道閥室雷擊事件原因分析和對策

馬玉寶，左汝寬，鐘 夏

西南管道南寧輸油氣分公司，廣西南寧 530000

廣西地區(qū)汛期長，雷暴活動頻繁，雷擊災害是最嚴重的自然災害之一。根據自治區(qū)防雷中心發(fā)布的《2017年廣西雷電公報》顯示，全區(qū)2017年閃電次數高達280萬余次，引發(fā)雷擊事故38起。

雷電侵害方式主要分為雷電直擊和雷電感應[1]。雷電對天然氣管道閥室的主要危害是造成電源和信號回路故障，引發(fā)干線截斷閥誤關斷[2]，損壞設備[3-4]，降低絕緣接頭性能或使絕緣失效[5]，以及引起引壓管絕緣卡套放電燒蝕、擊穿，造成天然氣泄漏，甚至引發(fā)天然氣燃爆事故。中緬天然氣管道閥室大多建于高處或空曠地帶，閥室放空立管，閥室整體鋼架結構以及閥室內地面管道、設備設施等極易遭受雷電影響。自2013年中緬天然氣管道投產以來，廣西地區(qū)沿線閥室已發(fā)生多次雷電侵害事件，導致干線截斷閥引壓管絕緣卡套擊穿失效，甚至造成引壓管天然氣泄漏，險些釀成重大事故。鑒于此，亟需對在役中緬天然氣管道閥室防雷系統進行分析和有效性驗證，找出雷擊事件原因，制訂有效的整改措施，提高防雷技術水平和安全管理水平，以降低閥室遭受雷電侵害的風險，減小事故發(fā)生可能性。

1 閥室防雷系統組成及工作原理

1.1 閥室防雷接地系統簡介

中緬天然氣管道閥室接地網、放空區(qū)網接地母線采用_40×4鍍鋅扁鋼，接地極為L50×5×2 500鍍鋅角鋼。放空立管和閥室屋頂作為接閃器和引下線與接地系統有效連接[6]。放空區(qū)地網與閥室地網采用接地線直接與地下等電位連接。閥室內電源和信號電纜裝設有鎧裝屏蔽或穿鋼管屏蔽，所有金屬外殼均與閥室接地網連接，電源和信號回路均設置有防浪涌保護器。為保護絕緣接頭，防止干線管道受雷電高壓和雜散電流的侵害，進出閥室管道各安裝一個等電位連接器，其具體技術參數要求見表1。等電位連接器接地段接入閥室地網。

表1 等電位連接器技術參數

閥室內壓力變送器、干線截斷閥引壓管中部的絕緣卡套、干線截斷閥閥體與接線盤之間的絕緣墊片、閥室放空管道上安裝的絕緣接頭均用于隔離管道保護電位，防止管道保護電位泄入接地系統。其中，絕緣接頭為埋地安裝，地面設置鋼管測試樁一支，用于日常檢測絕緣接頭絕緣性能。干線截斷閥接線盤外殼與閥室接地網連接。絕緣卡套、絕緣接頭、絕緣墊片的安裝位置、作用以及數量見表2。

表2 絕緣卡套、絕緣接頭、絕緣墊片的安裝位置、作用和數量

1.2 閥室防雷原理

當閥室管道遭受雷擊且管道電壓高于等電位連接器導通電壓值時，或當埋地管道遭受雷電感應或受雜散電流干擾產生較高電位，電壓高于等電位連接器導通電壓值時，等電位連接器導通，使閥室管道與閥室地網電位保持平衡，管道電流流向閥室地網，不會出現絕緣接頭擊穿或設備絕緣卡套、絕緣墊片放電燒蝕情況。

2 事件案例分析

2.1 基本概況

中緬天然氣管道干線56#閥室為監(jiān)視閥室，整體為密閉式鋼架結構，有良好接地。閥室左側70 m為放空區(qū)，放空立管高度約10 m。閥室和放空區(qū)均地處空曠地帶。2018年6月23日，56#閥室受雷擊影響，在干線截斷閥閥體與配線盤連接處發(fā)生放電燒蝕，見圖1。兩個絕緣墊片被擊穿，連接螺栓燒蝕損傷嚴重，燒蝕物使管道與閥室地網導通。由于該閥室的生產運行單位于2017年已對絕緣卡套進行過升級改造，耐壓等級高于絕緣墊片，故此次雷擊事件未引發(fā)次生災害。

圖1 放電燒蝕點宏觀形貌

2.2 事件原因分析

根據閥室周邊現場勘測及管道交流電壓測試情況，首先排除了雜散電流的影響[7]。事發(fā)時連接螺栓上的兩個絕緣墊片被擊穿，由閥室防雷系統工作原理可知，管道和閥室地網存在較大電位差，可以確認進出閥室管道等電位連接器失效，即在雷擊時等電位連接器未導通，從而使管道與閥室地網存在高電位差，在絕緣性較弱的絕緣墊片處發(fā)生放電燒蝕。

根據閥室防雷接地系統工作原理，初步判斷產生雷電侵害的原因有兩種：一是進出閥室管道等電位連接器失效，雷擊電流經放空管泄入閥室地網，或者埋地管道受雷電感應影響產生較大電位，在閥室地網與管道交接處，絕緣性較弱的絕緣墊片發(fā)生放電燒蝕；二是進出閥室管道等電位連接器失效，同時閥室地網與放空區(qū)地網等電位連接失效。雷擊電流通過放空立管，沿絕緣接頭進入閥室內管道，在地網和管道交界處，產生放電燒蝕。

根據雷擊地電位變化引起的反擊原理，雷電反擊可產生45 kV的過電壓幅值[8-9]。結合56#閥室情況，使用MATLAB軟件建立放空區(qū)和閥室地網等電位連接失效時放空管遭受雷擊模型，如圖2所示。雷電流由放空管傳至閥室管道時，管道與大地間的過電壓值為3 461.49 V。當放空區(qū)和閥室地網等電位連接失效時，雷電流通過絕緣接頭，導致管道與閥室地網之間電壓達到3 000 V以上，擊穿閥室氣液聯動閥的絕緣墊片，最終雷電流流向閥室地網。

圖2 等電位連接無效時閥室雷擊模型

2.3 事件原因驗證

（1）測試等電位連接器有效性。采用萬用表測試等電位連接器兩端電阻，確認等電位連接器未擊穿；將50 V直流電源、限流電阻、等電位連接器串聯，回路未導通；采用500 V的絕緣電阻測試儀測試等電位連接器，未導通。據此，確認進出閥室的等電位連接器失效。

（2）測試絕緣接頭絕緣性能。綜合分析閥室周邊地理環(huán)境，結合絕緣接頭單側受陰極保護的現狀，選用電位法測試絕緣接頭絕緣性能[10]。經測試，保護端電位為-1.187 V，非保護端電位為-0.715 V，絕緣接頭絕緣性能完好。

（3）驗證閥室與放空區(qū)地網等電位連接有效性。對56#閥室放空區(qū)地網進行開挖驗證。經開挖驗證，未找到閥室與放空區(qū)地網等電位連接線。

3 閥室防雷接地系統整改措施

針對56#閥室雷擊事件的原因分析及驗證結果，提出中緬天然氣管道閥室防雷接地系統整改措施。對于該整改措施的防雷效果，目前尚處于進一步的觀察中。

（1）對閥室和放空區(qū)地網等電位連接有效性進行驗證，若兩地網等電位連接失效，重新鋪設一條接地線，將閥室與放空區(qū)地網在地下等電位連接。為避免雷擊時閥室地網和放空區(qū)地網產生瞬時電位差，等電位連接線兩端應分別接入兩地網的中心地帶[11]。

（2）對閥室等電位連接器導通性能進行測試，更換符合閥室防雷和管道陰極保護技術要求的等電位連接器。結合管道陰極保護電位范圍，在等電位連接器兩端并聯5V直流電源防雷器，用以監(jiān)測閥室雷擊事件。

（3）完善規(guī)章制度。制訂等電位連接器、絕緣卡套、絕緣墊片、絕緣接頭等設備設施有效性和完整性的檢測、維修計劃。

4 結束語

本文以2018年6月中緬天然氣管道56#閥室遭受雷擊事件為例，簡述閥室防雷系統工作原理，通過采用理論分析和開挖埋地接地系統驗證的方法，確認雷擊事件原因為：雷電作用下等電位連接器失效，以及放空區(qū)和閥室地網等電位連接失效，以此為依據制訂了閥室防雷接地系統的整改措施。該研究方法及整改措施可為提高中緬天然氣管道閥室防雷技術水平和安全管理水平提供參考。但對于該整改措施的防雷效果，目前尚處于進一步的觀察中。