天然气管道阀室雷击事件原因分析和对策

马玉宝，左汝宽，钟 夏

西南管道南宁输油气分公司，广西南宁 530000

广西地区汛期长，雷暴活动频繁，雷击灾害是最严重的自然灾害之一。根据自治区防雷中心发布的《2017年广西雷电公报》显示，全区2017年闪电次数高达280万余次，引发雷击事故38起。

雷电侵害方式主要分为雷电直击和雷电感应[1]。雷电对天然气管道阀室的主要危害是造成电源和信号回路故障，引发干线截断阀误关断[2]，损坏设备[3-4]，降低绝缘接头性能或使绝缘失效[5]，以及引起引压管绝缘卡套放电烧蚀、击穿，造成天然气泄漏，甚至引发天然气燃爆事故。中缅天然气管道阀室大多建于高处或空旷地带，阀室放空立管，阀室整体钢架结构以及阀室内地面管道、设备设施等极易遭受雷电影响。自2013年中缅天然气管道投产以来，广西地区沿线阀室已发生多次雷电侵害事件，导致干线截断阀引压管绝缘卡套击穿失效，甚至造成引压管天然气泄漏，险些酿成重大事故。鉴于此，亟需对在役中缅天然气管道阀室防雷系统进行分析和有效性验证，找出雷击事件原因，制订有效的整改措施，提高防雷技术水平和安全管理水平，以降低阀室遭受雷电侵害的风险，减小事故发生可能性。

1 阀室防雷系统组成及工作原理

1.1 阀室防雷接地系统简介

中缅天然气管道阀室接地网、放空区网接地母线采用_40×4镀锌扁钢，接地极为L50×5×2 500镀锌角钢。放空立管和阀室屋顶作为接闪器和引下线与接地系统有效连接[6]。放空区地网与阀室地网采用接地线直接与地下等电位连接。阀室内电源和信号电缆装设有铠装屏蔽或穿钢管屏蔽，所有金属外壳均与阀室接地网连接，电源和信号回路均设置有防浪涌保护器。为保护绝缘接头，防止干线管道受雷电高压和杂散电流的侵害，进出阀室管道各安装一个等电位连接器，其具体技术参数要求见表1。等电位连接器接地段接入阀室地网。

表1 等电位连接器技术参数

阀室内压力变送器、干线截断阀引压管中部的绝缘卡套、干线截断阀阀体与接线盘之间的绝缘垫片、阀室放空管道上安装的绝缘接头均用于隔离管道保护电位，防止管道保护电位泄入接地系统。其中，绝缘接头为埋地安装，地面设置钢管测试桩一支，用于日常检测绝缘接头绝缘性能。干线截断阀接线盘外壳与阀室接地网连接。绝缘卡套、绝缘接头、绝缘垫片的安装位置、作用以及数量见表2。

表2 绝缘卡套、绝缘接头、绝缘垫片的安装位置、作用和数量

1.2 阀室防雷原理

当阀室管道遭受雷击且管道电压高于等电位连接器导通电压值时，或当埋地管道遭受雷电感应或受杂散电流干扰产生较高电位，电压高于等电位连接器导通电压值时，等电位连接器导通，使阀室管道与阀室地网电位保持平衡，管道电流流向阀室地网，不会出现绝缘接头击穿或设备绝缘卡套、绝缘垫片放电烧蚀情况。

2 事件案例分析

2.1 基本概况

中缅天然气管道干线56#阀室为监视阀室，整体为密闭式钢架结构，有良好接地。阀室左侧70 m为放空区，放空立管高度约10 m。阀室和放空区均地处空旷地带。2018年6月23日，56#阀室受雷击影响，在干线截断阀阀体与配线盘连接处发生放电烧蚀，见图1。两个绝缘垫片被击穿，连接螺栓烧蚀损伤严重，烧蚀物使管道与阀室地网导通。由于该阀室的生产运行单位于2017年已对绝缘卡套进行过升级改造，耐压等级高于绝缘垫片，故此次雷击事件未引发次生灾害。

图1 放电烧蚀点宏观形貌

2.2 事件原因分析

根据阀室周边现场勘测及管道交流电压测试情况，首先排除了杂散电流的影响[7]。事发时连接螺栓上的两个绝缘垫片被击穿，由阀室防雷系统工作原理可知，管道和阀室地网存在较大电位差，可以确认进出阀室管道等电位连接器失效，即在雷击时等电位连接器未导通，从而使管道与阀室地网存在高电位差，在绝缘性较弱的绝缘垫片处发生放电烧蚀。

根据阀室防雷接地系统工作原理，初步判断产生雷电侵害的原因有两种：一是进出阀室管道等电位连接器失效，雷击电流经放空管泄入阀室地网，或者埋地管道受雷电感应影响产生较大电位，在阀室地网与管道交接处，绝缘性较弱的绝缘垫片发生放电烧蚀；二是进出阀室管道等电位连接器失效，同时阀室地网与放空区地网等电位连接失效。雷击电流通过放空立管，沿绝缘接头进入阀室内管道，在地网和管道交界处，产生放电烧蚀。

根据雷击地电位变化引起的反击原理，雷电反击可产生45 kV的过电压幅值[8-9]。结合56#阀室情况，使用MATLAB软件建立放空区和阀室地网等电位连接失效时放空管遭受雷击模型，如图2所示。雷电流由放空管传至阀室管道时，管道与大地间的过电压值为3 461.49 V。当放空区和阀室地网等电位连接失效时，雷电流通过绝缘接头，导致管道与阀室地网之间电压达到3 000 V以上，击穿阀室气液联动阀的绝缘垫片，最终雷电流流向阀室地网。

图2 等电位连接无效时阀室雷击模型

2.3 事件原因验证

（1）测试等电位连接器有效性。采用万用表测试等电位连接器两端电阻，确认等电位连接器未击穿；将50 V直流电源、限流电阻、等电位连接器串联，回路未导通；采用500 V的绝缘电阻测试仪测试等电位连接器，未导通。据此，确认进出阀室的等电位连接器失效。

（2）测试绝缘接头绝缘性能。综合分析阀室周边地理环境，结合绝缘接头单侧受阴极保护的现状，选用电位法测试绝缘接头绝缘性能[10]。经测试，保护端电位为-1.187 V，非保护端电位为-0.715 V，绝缘接头绝缘性能完好。

（3）验证阀室与放空区地网等电位连接有效性。对56#阀室放空区地网进行开挖验证。经开挖验证，未找到阀室与放空区地网等电位连接线。

3 阀室防雷接地系统整改措施

针对56#阀室雷击事件的原因分析及验证结果，提出中缅天然气管道阀室防雷接地系统整改措施。对于该整改措施的防雷效果，目前尚处于进一步的观察中。

（1）对阀室和放空区地网等电位连接有效性进行验证，若两地网等电位连接失效，重新铺设一条接地线，将阀室与放空区地网在地下等电位连接。为避免雷击时阀室地网和放空区地网产生瞬时电位差，等电位连接线两端应分别接入两地网的中心地带[11]。

（2）对阀室等电位连接器导通性能进行测试，更换符合阀室防雷和管道阴极保护技术要求的等电位连接器。结合管道阴极保护电位范围，在等电位连接器两端并联5V直流电源防雷器，用以监测阀室雷击事件。

（3）完善规章制度。制订等电位连接器、绝缘卡套、绝缘垫片、绝缘接头等设备设施有效性和完整性的检测、维修计划。

4 结束语

本文以2018年6月中缅天然气管道56#阀室遭受雷击事件为例，简述阀室防雷系统工作原理，通过采用理论分析和开挖埋地接地系统验证的方法，确认雷击事件原因为：雷电作用下等电位连接器失效，以及放空区和阀室地网等电位连接失效，以此为依据制订了阀室防雷接地系统的整改措施。该研究方法及整改措施可为提高中缅天然气管道阀室防雷技术水平和安全管理水平提供参考。但对于该整改措施的防雷效果，目前尚处于进一步的观察中。