高壓直流接地極對油氣輸送管道的危害辨識

湯平

1. 中國石油西氣東輸管道公司, 上海 200122;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

隨著國內(nèi)高壓直流輸電技術(shù)的普遍應(yīng)用,國內(nèi)目前擬建和已建的±500～±1 000 kV超高壓直流輸電線路就有30多條干線,在其線路送端和受端(云南、貴州、四川、湖北、廣西、上海、廣東、浙江)分別設(shè)有相應(yīng)換流站的接地極。在工程中已發(fā)現(xiàn)距離接地極10～50 km 的管道，受直流干擾后電位偏移數(shù)十伏特的案例,同時發(fā)現(xiàn)多處閥室引壓管、絕緣卡套放電,甚至出現(xiàn)燒穿、泄漏事故。目前已知的安全影響歸納起來包括操作人員人身安全風險、設(shè)備損毀、閥室引壓管絕緣接頭燒毀密封失效以及管道腐蝕漏泄;然而由于管道系統(tǒng)涉及管道本體及線路管道設(shè)施、閥室設(shè)施和站場設(shè)施,涵蓋的設(shè)施眾多,不僅各設(shè)施的功能、特性、結(jié)構(gòu),以及對電環(huán)境的敏感性各不相同,而且各設(shè)施所處的電環(huán)境狀態(tài)也不相同,也許還存在尚未發(fā)現(xiàn)的危害,因此,辨識高壓直流接地極電流對油氣輸送管道造成的潛在危害,并提出相應(yīng)的措施以保證油氣輸送管道本質(zhì)安全,具有重要意義[1-11]。

本文根據(jù)現(xiàn)有高壓直流接地極放電實測數(shù)據(jù),確定高壓直流接地極電流危害輸入條件,對高壓直流接地極電流對油氣輸送管道產(chǎn)生的危害進行全面系統(tǒng)的辨識,并提出建議和措施減少其對油氣輸送管道帶來的危害。

1 高壓直流接地極放電特點分析

高壓直流輸電系統(tǒng)對油氣輸送管道的干擾影響,來源于其輸電線路兩端換流站的接地極放電期間產(chǎn)生高電壓和大電流流動。通過對翁源接地極(±500 kV牛從同塔雙回超高壓輸電系統(tǒng))、魚龍嶺接地極(±800 kV云廣特高壓輸電系統(tǒng)和貴廣二回±500 kV超高壓輸電系統(tǒng))、大塘接地極(±500 kV天廣超高壓直流輸電系統(tǒng))和哈密接地極(±800 kV哈密特高壓直流輸電系統(tǒng))的放電數(shù)據(jù)進行實測,數(shù)據(jù)匯總見表1。對實測數(shù)據(jù)分析可知,304 V管/地電位和121 A的管內(nèi)電流是其中的最大值,來源于翁源接地極放電?？紤]到目前新建管道建設(shè)中對接地極干擾的認識和重視程度不斷提高,遠離避讓并采取防護措施的方式已得到更多共識,最大干擾程度通常不會突破此值;但也不排除一些同樣處于不利工況下,距離更近的管道會受到更大的干擾,存在更大的風險可能。

表1現(xiàn)場收集典型數(shù)據(jù)匯總表

序號管道名稱高壓直流輸電系統(tǒng)接地極接地極入地電流/A管/地電位/V管內(nèi)電流/A1234567西二線翁源接地極3 000304-2 400-111212 400-164-2 400-5.95801 200-1.4364.21 200-86-1 200-239891011廣東管網(wǎng)魚龍嶺接地極1 200-5.340-52-3 000187-1 200-34.21213廣東管網(wǎng)大塘接地極1 80040401 200-3.92-1415西二線哈密段哈密接地極-9.7--7.1-

2 油氣輸送管道簡介

油氣輸送管道是在不同地區(qū)間輸送經(jīng)礦場凈化處理的原油、天然氣或液態(tài)石油產(chǎn)品(成品油)的系統(tǒng)工程,包括管道線路、站場及配套設(shè)施等[12]。

2.1 管道線路及配套設(shè)施

管道線路一般采用鋼質(zhì)管道埋地敷設(shè),對公路、鐵路、河流、山體等障礙物有穿越和跨越兩種方式,并采取鋼筋混凝土套管、箱涵、管卡、水工構(gòu)筑物等保護措施,同時沿線敷設(shè)陰極保護和通信設(shè)備設(shè)施。

線路陰極保護設(shè)施包括各類型的陰極保護參數(shù)測試樁、固態(tài)去耦合器、犧牲陽極、極性排流元件、排流接地、電纜、干線絕緣接頭等。

通信設(shè)施由通信系統(tǒng)傳輸介質(zhì)、光纜測試樁、光纜接頭盒組成,其中通信傳輸介質(zhì)可分為通信管道光纜、通信直埋光纜,采用硅芯管對通信管道光纜保護。

2.2 閥室、站場及配套設(shè)施

油氣輸送管道閥室、站場設(shè)備設(shè)施一般分為電力、站場工藝、陰極保護、自控、通信相關(guān)設(shè)施。

電力設(shè)施包括變配電設(shè)備及發(fā)電裝置和接地系統(tǒng),其中變配電設(shè)備及發(fā)電裝置包括交直流配電柜/箱、直流屏、變壓器、發(fā)電機、太陽能光伏發(fā)電裝置、UPS、蓄電池等。

站場工藝設(shè)施包括清管器接收筒、清管器發(fā)送筒、進出站ESD閥門、過濾器、閥門以及壓力、溫度檢測儀表等,閥室工藝設(shè)施相對簡單,主要是相應(yīng)閥門和檢測儀表。

陰極保護設(shè)施包括管道線路陰極保護用恒電位儀、電位傳送器、電涌保護器、進出站絕緣接頭、強制電流系統(tǒng)輔助陽極、電纜等。

自控設(shè)施包括氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)、壓力變送器、溫度變送器、遠程終端單元(RTU)、絕緣卡套等。

通信設(shè)施一般主要包括光傳輸通信、衛(wèi)星通信、話音通信、工業(yè)電視、周界入侵報警、火災(zāi)報警、工業(yè)以太網(wǎng)、門禁管理等設(shè)備,其中站場根據(jù)工程情況會增加線路巡檢、綜合布線、擴音通信、會議電視等設(shè)備。

3 高壓直流接地極對管道的危害辨識

3.1 辨識原則

高壓直流接地極放電電流對油氣輸送管道是否造成危害,主要受兩方面影響,一是管道所受電干擾的程度;二是管道系統(tǒng)的耐受能力。

管道所受電干擾的程度主要由以下因素影響:

1)管道上存在的高電壓、大電流值的大小。

2)高電壓或大電流作用的時間。

3)高電壓或大電流作用的次數(shù)(與接地極放電的頻次一致)。

管道系統(tǒng)中管道金屬本體和管道上的設(shè)備、儀器、設(shè)施及電子元件、絕緣組件等耐受高電壓、大電流的能力各不相同。有的對高電壓敏感,有的對大電流敏感,有的則是對作用時間敏感,發(fā)生失效或損壞的原因及導(dǎo)致的結(jié)果主要有:

1)干擾電壓超過電氣或電子元件的承受能力或設(shè)施的過電壓保護能力導(dǎo)致設(shè)施損毀,或擊穿絕緣件。

2)裝置上存在小的金屬間隙,高電壓導(dǎo)致電弧或火花。

3)管內(nèi)有大電流流動,與之電連通的有一定電阻的組件或管件,在長時間大電流通過的情況下,電能轉(zhuǎn)化為熱能發(fā)熱,進而發(fā)生燒毀或使絕緣密封燒蝕炭化,導(dǎo)致密封失效。

4)高電壓下地面金屬設(shè)施有人員觸摸,超過安全電壓下發(fā)生人身傷害。

5)電干擾環(huán)境下,電壓超過設(shè)備的抗干擾能力,使設(shè)備不能正?？煽窟\行。

6)與高電壓或大電流作用的時間和頻次有關(guān),累計效應(yīng)使管道本體失效發(fā)生諸如管體的腐蝕等情況。

前述可知,油氣輸送管道涵蓋的設(shè)施眾多,不僅設(shè)備的功能、特性、結(jié)構(gòu)及對電環(huán)境的敏感性各不相同,而且設(shè)備所處的電環(huán)境狀態(tài)也不相同。以現(xiàn)場測試的典型干擾程度數(shù)據(jù)作為危害辨識的基礎(chǔ)輸入條件,結(jié)合實驗室對管道金屬本體和設(shè)備設(shè)施耐受能力試驗數(shù)據(jù),將高壓直流接地極對油氣輸送管道造成的危害影響的輸入條件歸結(jié)如下:

1)線路和閥室上對高電壓敏感的設(shè)備或組件,極端最大干擾管/地電位按300 V考慮。

2)線路和閥室上對高電流敏感的設(shè)備或組件,極端最大干擾管內(nèi)電流按150 A考慮。

3)站場內(nèi)的設(shè)備或組件,最大干擾管/地電位按10 V考慮。

4)極端最大干擾下的持續(xù)時間按2 h考慮。

在上述前提下,將高壓直流接地極放電對油氣輸送管道造成的危害進行全面梳理,逐一對設(shè)備或組件進行具體分析、排查,辨識得到其主要危害。

3.2 線路危害辨識

3.2.1 管道線路

3.2.1.1 管道金屬本體

根據(jù)現(xiàn)有案例,管道金屬本體受雜散電流電力影響會造成管道腐蝕穿孔、氫脆、燒蝕,管材強度及硬度越高,氫脆敏感性越高,對于高鋼級管材(X 80及以上)或是常規(guī)管材的焊縫或彎頭等易受工藝影響導(dǎo)致組織劣化出現(xiàn)的高硬度區(qū),發(fā)生氫脆的危險較高。圖1～2為管道腐蝕、氫鼓泡。

圖1 管道腐蝕穿孔現(xiàn)場照片

圖2 實驗室條件下觀察到的氫鼓泡

圖3 20 含水率實驗室條件下觀察到的管道燒蝕

圖4 15 含水率實驗室條件下觀察到的管道燒蝕

當存在防腐層漏點或防腐層微孔滲透,高壓直流接地極放電時可能導(dǎo)致管道產(chǎn)生高負電位,發(fā)生陰極反應(yīng),陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-作用于涂層,使涂層和金屬基底間附著力降低,導(dǎo)致陰極剝離,見圖5。

3.2.1.2 管道附屬設(shè)施

對隧道內(nèi)敷設(shè)的管道,通常采用管卡進行固定,管卡為不銹鋼,預(yù)埋鋼墊板,與管道之間采用橡膠板進行隔離,鋼墊板下方與混凝土墩的鋼筋直接連接。極端情況下若鋼筋混凝土墩發(fā)生損壞,鋼筋外露,同時由于振動,導(dǎo)致管道和管卡之間的橡膠板移位,間隙因此變得很小時,則會發(fā)生間隙放電,造成管材或管卡表面燒蝕。

對跨越敷設(shè)的管道,管座表面一般設(shè)置有聚氨酯保護,不會造成管材或管卡表面的燒蝕。

3.2.1.3 人員觸電

露空敷設(shè)管道有可能發(fā)生人員觸電危險。

3.2.2 陰極保護設(shè)施

固態(tài)去耦合器一定時間通過大電流的直流電將導(dǎo)致其發(fā)熱甚至燒毀,極性排流元件因其中的電流量超過了自身的耐受電流上限而損壞,極性排流二極管損壞照片見圖6。犧牲陽極和排流接地體消耗速率加快,排流接地體短接片燒蝕。

測試樁通過電纜與管道電氣連通,當管道存在高壓、大電流時,測試電纜帶有高電壓,可能對測試人員造成人身安全傷害。

圖6 極性排流二極管損壞照片

3.2.3 通信設(shè)施

光纜、監(jiān)測標石金屬構(gòu)件感應(yīng)電流,引起電位差,可能在金屬構(gòu)件上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),腐蝕金屬構(gòu)件,降低其強度,可能減少光纜、監(jiān)測標識使用壽命;光纜維護人員接觸金屬構(gòu)件,會有觸電危險。

3.3 閥室、站場危害辨識

3.3.1 電力設(shè)施

高壓直流輸電單極大地運行方式下,較大直流電流通過接地極入地,部分直流電流流過接地變壓器的中性點,形成變壓器的直流偏磁,使變壓器磁路在某半波內(nèi)處于飽和狀態(tài),勵磁電流發(fā)生畸變,造成諧波電流增加、噪聲增大、振動加劇,變壓器過熱甚至損壞,并對繼電保護和安全自動裝置造成危害;直流入地電流形成電位差,直流干擾導(dǎo)致的合成場強和直流磁場可能造成高頻信號干擾;對未絕緣的埋地接地裝置和電纜鎧裝層存在腐蝕影響;人或牲畜可能發(fā)生跨步電壓觸電。

3.3.2 工藝設(shè)施

電流電壓過大可能對裝置區(qū)內(nèi)露空管道造成損壞;閥室工藝裝置區(qū)內(nèi)的管線及設(shè)備與線路管道直接電連通,操作人員對閥室和站場的露空管道及設(shè)備進行操作時,會有觸電危險。

3.3.3 陰極保護設(shè)施

常規(guī)恒電位儀無專門的持續(xù)高壓直流保護裝置,即使自動停機仍然會承受持續(xù)的高電壓,當超過其自身耐受能力時即發(fā)生損壞。

等電位連接器、固態(tài)去耦合器均為電壓開關(guān)型電涌保護器,作為陰保系統(tǒng)的一級防雷裝置,在絕緣接頭、陰保設(shè)備前端泄放來至管道的高壓電涌,直流耐受不是其特征,導(dǎo)通后長時間大電流的直流電將導(dǎo)致其發(fā)熱溫升而損壞。

電位傳送器利用機殼接地作為防高壓電涌的泄流通道,設(shè)置浪涌保護器,泄放瞬時高壓浪涌,防浪涌裝置是針對瞬時高壓的防護,較長時間一定程度的持續(xù)電壓,防浪涌裝置是無法承受的,會導(dǎo)致設(shè)備的燒蝕、損壞[13-20]。

3.3.4 自控設(shè)施

對于間距<1 mm的無固定的兩根引壓管,處于潮濕環(huán)境下,由于振動或風力貼近時,會產(chǎn)生弧光放電,引起引壓管間打火花造成設(shè)備損壞,引壓管絕緣卡套絕緣性能下降,發(fā)生密封件高溫燒蝕,密封功能喪失,出現(xiàn)氣體泄漏甚至發(fā)生燃爆的危險。

3.3.5 通信設(shè)施

通信光纜感應(yīng)縱向電流,通過光纜金屬構(gòu)件引入電流,形成電位差,損壞設(shè)備,在閥室、站場接觸設(shè)備,會造成人員觸電危險。

3.4 危害辨識匯總

通過對線路、閥室和站場受高壓直流接地極帶來的高電壓、大電流的危害辨識,匯總危害后果,詳見表2。

表2油氣管道系統(tǒng)受高壓直流接地極干擾危害后果匯總表

位置設(shè)備名稱可能發(fā)生危害后果線路管體腐蝕/氫脆/燒蝕/防腐層剝離測試樁人員觸電固態(tài)去耦合器固態(tài)去耦合器過度發(fā)熱燒毀,造成交流干擾及瞬間強電沖擊防護失效犧牲陽極消耗速率加快極性排流元件燒毀排流接地體消耗速率加快排流接地體短接片燒蝕進出站干線絕緣接頭設(shè)備損壞擊穿,造成絕緣密封失效,陰保電流流失及氣體泄漏;前后管段發(fā)生內(nèi)外腐蝕、氫脆、防腐層剝離光傳輸通信設(shè)備損壞設(shè)備,人員觸電光纜監(jiān)測標石人員觸電閥室、站場閥室露空閥門及執(zhí)行機構(gòu)人員觸電閥室引壓管絕緣卡套絕緣密封失效,陰保電流流失及氣體泄漏,甚至發(fā)生燃爆閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)絕緣墊片設(shè)備損壞,陰保電流流失閥室氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)電子控制單元人員觸電閥室壓力變送器人員觸電閥室表面溫度變送器絕緣卡套設(shè)備損壞,造成陰保電流流失恒電位儀陰極保護系統(tǒng)癱瘓,設(shè)備燒蝕電位傳送器設(shè)備停機等電位連接器瞬間強電沖擊防護失效固態(tài)去耦合器交流干擾及瞬間強電沖擊防護失效變壓器直流偏磁導(dǎo)致變壓器噪聲增大、震動增大,溫度升高等

4 結(jié)論及建議

1)未與接地系統(tǒng)相連的管道及相關(guān)設(shè)施會受到高電流、高電壓帶來的危害,受到危害的主要設(shè)施為管道金屬本體及防腐層和未受接地系統(tǒng)保護的陰極保護、自控、通信設(shè)施。

2)可將高壓直流接地極對管道系統(tǒng)造成的危害歸納為九大類:管體損傷、防腐層剝離、排流器燒蝕和接地材料消耗過快、閥室工藝設(shè)備燒蝕、防雷器燒蝕、絕緣接頭擊穿和內(nèi)壁腐蝕、陰極保護設(shè)備燒蝕、變壓器直流偏磁以及人員觸電。

3)建議對未受接地系統(tǒng)的陰極保護設(shè)施、自控儀表設(shè)備、電力設(shè)備的安全邊界進行研究,提高油氣管道自身設(shè)施設(shè)備的耐受力,對現(xiàn)有高壓直流接地極放電大小進行量化,從源頭控制高壓直流接地極放電干擾強度,以確保其帶來的高電壓和大電流不會影響油氣管道的安全運行。

4)在現(xiàn)有危害辨識基礎(chǔ)上,進一步進行相關(guān)研究,對危害發(fā)生的可能性的分級規(guī)則和后果大小進行評定,建立高壓直流接地極帶來的風險評價體系并進行針對性風險評價,對已建管道的優(yōu)化方案提出整改方向和采取與干擾程度相適應(yīng)的防護措施,給新建管道提供參考,確保管道完整性。