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以案说法

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雷电致管道损伤机理分析及预防措施

来源:《管道保护》2021年第4期 作者:戴联双 杨玉锋 张强 时间:2021-8-26 阅读:

戴联双1 杨玉锋2 张强2

1.国家管网集团安全环保与运维本部;

2.国家管网集团北方管道公司科技研究中心




1  概述

雷电会对管道系统产生危害,其破坏形式表现为管道附近的高架线、雷电流作用导致的管线热效应和冲击效应以及对防腐层的破坏。主要可以分为以下几种形式:雷电电流导致管道灼伤或穿孔;雷电直接导致管道破裂;油气泄漏情况下,雷电点燃油气,引发事故;雷电导致阀室、站场设备的损坏或进一步引发火灾。

根据美国管道和危险材料安全管理局(PHMSA)统计表明,2010年~2016年,陆上危险液体管道与电气相关的失效事件频率显著增加,其中自2012年起电气相关失效次数超过第三方开挖损坏导致的失效。与电气相关失效的主要原因是杂散电流腐蚀和雷击,对陆上管道和站场设备设施的影响最为频繁。

目前管道均按规范设计了防雷措施,但是近年来仍然发生多起因雷击引起的管道烧蚀案例,造成的管道缺陷在防腐层内侧存在碳化痕迹,且有金属颗粒飞溅,目测深度也较深。国内外雷击导致管道失效的部分案例如表 1所示。


1 国内外雷击管道典型事故案例



2  雷击管道损伤机理分析

主要有三种机理:

(1)雷击地表,电流在土壤中流动,在大地周围形成强电场。

(2)电场力达到土壤的击穿场强,发生介电击穿,在土壤中形成雷电流通道。

(3)雷击电流沿着雷电流通道进入防腐层破损点,引起管道烧蚀。

研究表明,若高压输电网络与管线系统呈现交错状分布,那么当输电线路遭受雷击时,雷电流可能会沿着输电杆塔接地体流入到大地中,进而可能击穿管道与接地体之间的土壤;若雷击同时造成线路绝缘子串发生闪络,则短路电流会沿雷电流通道流向埋地金属管道。这种以工频电弧形式而出现的短路电流,若其电弧幅值高且持续时间长,将会对管道产生严重的破坏。直击雷电对管道的直接破坏首先因大电流对管道的防腐层破坏,后续长时间持续雷电流会进一步对管道烧蚀穿孔。

当管道附近上空即将产生雷电时,其下方大面积的地面形成一个静电场,埋地管道也同大地一样表面感应出相反的电荷,当电荷积累到一定程度而又具备了放电条件时,会出现一次强烈的放电过程。此时,云地电荷迅速消失,地电荷变为零。但是,由于PE三层优良的绝缘性能,管道感应电荷的泄放速度很慢,一旦发生管道的局部放电,其他部位的感应电荷也将随之对地消散,于是在管道内形成一股强大的电流。对于绝缘层电阻较低的管道,电流会通过绝缘层的漏点大量消散,不会产生大的破坏力;然而,对于绝缘性能很好的管道,当这种浪涌不能通过绝缘层本身的漏点快速泄放入地时,管道上绝缘或接触不良的部位就会产生高电压,引起二次电压,这是输气管道设备、设施遭受雷电破坏的主要原因,由于金属管道是一个良导体,很容易成为较大的直击雷电的泄放通道而发生雷击现象。

以表 1案例10为例,分析雷击致管道损伤的成因。该X65管道缺陷开挖验证时,剥除防腐层后发现类似烧蚀的腐蚀坑,坑深 5.8 mm,如图 1(b)所示。管道附近有高压交流输电线路,其与管道的最近距离约63 m,如图 1(a)所示。



1 高压线附近管道缺陷位置及烧蚀坑形貌


管道本体外表面有黑色环氧粉末熔化痕迹,缺陷附近有多颗圆型金属颗粒,如图 2圆圈标记所示,推测为该处管体缺陷在受热形成期间管体金属飞溅导致。通过实测图 1(b)管道缺陷,其上下左右四个方向的尺寸均为11 mm;中间圆形缺陷的上下左右四个方向均为5 mm。同时,在该缺陷的外部边缘,有金属溢出凝固痕迹。由于现场未发现明显腐蚀产物,同时有高温熔化现象,因此可排除电化学干扰所致。



2 缺陷附近并存在多颗圆型金属颗粒


通过实验室金相分析,缺陷处样品金相组织为均匀的保持马氏体位相的回火索氏体。考虑到管道本体X65钢金相组织为铁素体加珠光体。因此,判断缺陷处管体经历了加热—冷却过程。

烧蚀坑中心处金相组织(放大50倍)如图 3(a)所示,可以看出,烧蚀边缘组织与母材存在分层,但与靠近烧蚀坑边缘截面相比,热影响区分层不明显且范围较小,约为50μm~100μm。每层组织局部形貌(放大200倍)如图 3(b)、图 3(c)所示。



3 烧蚀坑中心处金相组织

检验缺陷处样品硬度为860 HV1,可确认样品组织内部含有残余马氏体,与金相分析的结论一致。基本确定该缺陷是由能量高度集中的源烧蚀造成的。

结合现场情况分析:

(1)与干燥土壤相比,潮湿土壤更容易被雷电流击穿,这增加了雷雨天气时管道烧蚀的概率。

(2)当高压线杆塔与管道距离超过4.3 m(现场测量)时,管道风险点附近的电场强度低于击穿电压(0.3 kV/cm),无法形成雷电流通道。实际杆塔距管道缺陷点为90 m,因此不是雷击杆塔所致。距离缺陷点为200 m时,缺陷点附近的焦耳热和转移电荷量均很小,因此也不是雷击所致。由此可见,现场烧蚀缺陷是由雷击地表所致。其过程为:雷击地表时,管道风险点附近能达到土壤的击穿电压,在雷击点和管道缺陷点的土壤间会形成雷电流通道,大量雷电流会沿着雷击通道进入管道缺陷点,引起管道烧蚀。

(3)当雷电流达到100 kA、管道缺陷点周围11.2 m范围内遭到雷击,才可能形成雷电流通道,引起管道烧蚀。因此,管道日常巡检过程中应注意周围11.2 m范围内的高大构筑物及受雷击情况。

3  相关建议

(1)加密管道内检测周期。 管道本体的雷击缺陷具有独特的特征信号,一般出现在管顶位置,深度较深。将最新的管道内检测结果与上一周期的结果对比也可以辅助识别雷击缺陷。若某缺陷特征突然出现,并且具有上述雷击缺陷特征,则需进一步验证该缺陷是否雷击所致。因为腐蚀导致的缺陷通常会随着时间逐渐加深。值得注意的是,雷击缺陷的实际最大深度远比内检测报告的还要深。

(2)缩短管道防腐层检测周期。对于不能进行内检测的管道或者管道周围11.2 m范围内有树木、输电杆塔或其他高大建筑等,需要对管道防腐层破损点进行加密检测,并且应加大防腐层破损点的开挖验证数量,及时进行原因分析,并完成破损点修复。

(3)由于气流在山腰或山脚受阻,形成涡旋,前后带不同电的微粒群体撞击形成雷电。使得山地管道更容易遭到雷击。建议加强巡检,作为重点关注外检测管段。

(4)管道中心线两侧各11.2 m范围内,新建和改建铁路、公路、河渠,架空电力线路,埋设地下电缆、光缆,设计时应考虑合理设置安全接地体和避雷接地体。

(5)如果发现已建管道上存在雷击烧蚀缺陷,应及时将熔化区打磨并补强以防止管道产生微裂纹,诱发失效。

(6)新建管道尽量远离高大建筑或者树木。对于雷电多发区域,正常合理间距宜保持11.2 m以上;若不能避免,建议在新建管道11.2 m范围内,采用合理预防措施,以阻断雷电流地中泄放。

(7)雷电多发区域的新建管道,建议与输电线路杆塔保持5.5 m(大于4.3 m)间距以上,且输电杆塔接地体应远离管道一侧敷设。因为自然界中超过200 kA的雷电流概率虽然很小,若击中杆塔时,雷电流会沿着杆塔接地体流入到杆塔附近的管道中,带来一定风险。


下一期将为大家介绍 “某X70钢管道建设期环焊缝裂纹产生原因及预控措施”,并分享经验教训,敬请关注。

 

戴联双,博士, 1983年生,现就职于国家石油天然气管网集团有限公司,注册安全工程师、二级安全评价师、管道检验师。负责编写了《油气管道安全防护规范》( Q/SY1490),参与起草公安部标准《石油天然气管道系统治安风险等级和安全防范要求》( GA 1166)、国家标准 《油气输送管道完整性管理规范》( GB 32167)等多项标准。在国内外期刊先后发表论文数十篇,参与编著了《管道完整性管理技术》《油气管道事故启示录》《油气管道清管技术与应用》等书籍。近年来多次获得中石油集团科学技术进步奖、河北省科学技术进步奖、管道科学奖等。

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