雷電流A分量沖擊長輸管道影響研究*

張英杰

(中石化安全工程研究院有限公司化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104)

0 前言

管道運輸與鐵路、公路、水運、航空運輸并稱為現(xiàn)代五大運輸方式，它承擔著大部分原油和天然氣的運輸，在經(jīng)濟發(fā)展、社會安定和國防建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，我國的油氣能源與經(jīng)濟發(fā)展水平在地理位置上總體呈逆向分布，因此長距離管道輸送成為能源安全經(jīng)濟運輸?shù)氖走x。管道的鋪設(shè)根據(jù)地理條件不同會分為埋地管道和架空管道，兩種管道不可避免地都會受到雷電流沖擊的危害，埋地金屬管道本身屬于良導體，而管道的架空部分和地面部分(站場管道和露天工業(yè)設(shè)備等)對埋地管道而言相當于接閃裝置，整個管道系統(tǒng)極易成為雷電流泄散通道，遭受直擊雷的威脅非常大。2019年中海油天津管道公司發(fā)現(xiàn)一處埋地管道泄漏點，經(jīng)現(xiàn)場勘察排除外力破壞等原因，綜合管道表面燒蝕情況推斷極有可能是遭受雷擊，印度、巴西等國也有類似發(fā)現(xiàn)。

目前國內(nèi)外對于雷電流沖擊管道的研究主要集中在管道防腐層的耦合作用上，研究方法以ATP、CDEGS等仿真軟件為主，本文從實驗室沖擊試驗和軟件仿真模擬兩個角度出發(fā)，開創(chuàng)性地建立雷擊管道沖擊試驗平臺，重點研究雷電流A分量對管道的沖擊影響，并結(jié)合實驗室沖擊試驗加以驗證，得到40 kA雷電流A分量對3PE層管道的沖擊結(jié)果。

1 雷電流分解

雷電活動具有很強的地域性和隨機性，其波形規(guī)律與參數(shù)特點是研究雷擊管道機理的基礎(chǔ)。根據(jù)各地氣象觀測數(shù)據(jù)顯示，雷電流幅值集中于0～40 kA的區(qū)間內(nèi)，根據(jù)標準推薦的雷電流幅值累積概率表達式可以推算出，我國40 kA及以下的雷電流發(fā)生概率大約為65%。波形方面，雷電流波頭時間為1～5 μs，我國電力規(guī)程中對于雷電流沖擊波規(guī)定采用2.5/50的雙指數(shù)波。對于雷擊管道來說，一次完整的雷擊過程不只包括首次回擊，還包括雷擊中后段建立長時間的持續(xù)電流和繼后回擊分量，因此將實際雷電流進行分解，在試驗中運用各分量進行組合使模擬雷電流更能接近真實情況。實驗室模擬雷電流波形如圖1所示。

圖1 實驗室模擬雷電流波形

中國石化雷電靜電災(zāi)害控制重點實驗室開發(fā)的多分量實際雷電流模擬試驗系統(tǒng)是把其分為A、B、C、D 4種波形，其中A波形用于模擬雷電流首次回擊電流，可產(chǎn)生峰值為10～200 kA，持續(xù)時間小于500 μs；B波形為雷電流中間電流分量，幅值為0.5～2 kA、持續(xù)時間小于5 ms；C波形幅值為100～400 A，持續(xù)時間為0.25～1 s、傳遞的電荷量為25～400 C的雷電流持續(xù)電流波形；D波形為雷電流繼后回擊分量，峰值為5～100 kA，持續(xù)時間為100～500 μs。

2 雷電流A分量沖擊管道電磁仿真

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示真實雷電流能量主要集中于首次回擊電流，即A分量中，因此對雷電流A分量沖擊管道進行研究，CDEGS是雷擊電磁場計算仿真的知名軟件，利用傅里葉變換和矩量法來研究雷直擊于裸露管道的影響。A分量的典型波形是雙指數(shù)波， 40 kA的雷電流A分量輸入波形如圖2所示。

圖2 雷電流A分量輸入波形

為簡要起見，此次模擬的管道長度為60 m，雷擊點為管道中心位置，沖擊電流按40，60，90，117.59 kA輸入，管道防腐層按照常見的三層聚乙烯保護層結(jié)構(gòu)設(shè)置，采用鋼制管道，管道參數(shù)參照華東某管道進行設(shè)置，沿線土壤特性采用100 Ω/m的均勻土壤結(jié)構(gòu)。模擬管道的尺寸和電氣特性如表1所示。

表1 模擬管道的尺寸和電氣特性

短時大電流入地會與管道及其他金屬附件發(fā)生阻性耦合、容性耦合和感性耦合，油氣管道本身埋于地下居多，兩端經(jīng)絕緣法蘭接地，且在施工時會分段敷設(shè)，容性耦合作用很小，感性耦合是交流電流產(chǎn)生磁場后在金屬管道上產(chǎn)生的電磁耦合，因而只有在管道與交流輸電線路臨近時才會產(chǎn)生，阻性耦合是雷電沖擊電流入地后引起地電位迅速抬升，從而與管道產(chǎn)生很高的電勢差，同時雷電流作用時間短，管道表面防腐層電阻率非常高，防腐層兩側(cè)瞬時由于阻性耦合產(chǎn)生巨大的電勢差，因此雷電流入地對管道的影響只考慮阻性耦合。雷電流入地原理如圖3所示。

圖3 雷電流A分量入地原理示意

根據(jù)仿真軟件的要求，電流激勵點位于管道中間位置地表以上，通過一段接閃導體引入管道，管道兩端絕緣法蘭電阻很高，起到了很好的絕緣效果。從仿真軟件的輸出結(jié)果可以得到管道金屬電壓和管道防腐層電壓如圖4所示。

圖4 雷電流A分量沖擊下管道金屬電壓和管道防腐層電壓

從仿真結(jié)果可以看出，在40 kA雷電流A分量直擊于管道的極端情況下，沖擊點的管道金屬電壓和管道防腐層電壓已接近900 kV，遠遠超過標準規(guī)定的管道沖擊電壓耐受峰值109 kV；從沖擊點向兩端金屬電壓和防腐層電壓先迅速下落之后平緩下降，從沖擊點向兩端7 m位置開始，管道防腐層電壓和管道金屬電壓低于管道沖擊電壓耐受峰值109 kV。電壓的變化過程符合短時大電流入地產(chǎn)生的耦合作用，可以認為40 kA及以上的雷電流A分量直擊于管道產(chǎn)生了破壞性影響。

3 雷電流A分量沖擊管道試驗

平均而言，雷電流的能量有60%集中于A分量中，仿真結(jié)果顯示40 kA的雷電流A分量可對管道產(chǎn)生損傷，實驗室模擬雷電流A分量同樣會對管材產(chǎn)生破壞性損傷。中國石化雷電靜電災(zāi)害控制重點實驗室自主研發(fā)了多分量實際雷電流模擬試驗系統(tǒng)和雷擊管道試驗平臺，可對管道樣品進行單重和多重分量的雷擊試驗。

利用實驗室多分量實際雷電流模擬試驗系統(tǒng)分別產(chǎn)生30，40，60，90，117.59 kA的A分量，對覆蓋有3PE防腐層的X70管材進行沖擊試驗。試驗結(jié)果顯示40 kA及以上的雷電流A分量沖擊電流使覆蓋有3PE防腐層的X70管材表面防腐層爆裂，帶有近似圓形燒蝕痕跡；30 kA雷電流A分量未能將表面防腐層爆裂，以沖擊點為中心表面防腐層有大范圍近似圓形燒蝕痕跡。40 kA及以上的雷電流A分量沖擊試驗結(jié)果與仿真結(jié)果中超過管道沖擊電壓耐受峰值109 kV是相符合的，試驗結(jié)果證明對于3PE層X70管材來說，40 kA及以上的雷電流A分量可對管道產(chǎn)生破壞性損傷，加速管道腐蝕，產(chǎn)生泄漏風險。30 kA和40 kA雷電流A分量沖擊試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 30 kA雷電流A分量沖擊試驗

圖6 40 kA雷電流A分量沖擊試驗

4 結(jié)論

利用CDEGS軟件進行雷電流A分量沖擊管道的電磁仿真，并開創(chuàng)性地在實驗室內(nèi)應(yīng)用多分量實際雷電流模擬試驗系統(tǒng)對管材進行雷電流A分量沖擊試驗，得到以下結(jié)論：

a) 軟件仿真結(jié)果顯示，在雷電流直擊于管道的極端情況下，40 kA及以上的雷電流A分量在管道直擊點附近產(chǎn)生的沖擊電壓接近900 kV，遠遠超過標準規(guī)定的管道沖擊電壓耐受峰值109 kV。

b) 多分量實際雷電流模擬試驗系統(tǒng)的沖擊試驗結(jié)果顯示40 kA及以上的雷電流A分量已足以破壞金屬管道的3PE保護層，這與仿真結(jié)果中沖擊電壓超過標準值是相符合的。

c) 本研究結(jié)果對管道設(shè)計與運行相關(guān)標準的修訂有參考意義，40 kA及以上的高幅值雷電流可破壞長輸管道的防腐保護層，導致金屬管道失去保護，加速腐蝕，產(chǎn)生泄漏風險。