高压直流接地极对油气输送管道的危害辨识

汤平

1. 中国石油西气东输管道公司, 上海 200122;2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

随着国内高压直流输电技术的普遍应用,国内目前拟建和已建的±500～±1 000 kV超高压直流输电线路就有30多条干线,在其线路送端和受端(云南、贵州、四川、湖北、广西、上海、广东、浙江)分别设有相应换流站的接地极。在工程中已发现距离接地极10～50 km 的管道，受直流干扰后电位偏移数十伏特的案例,同时发现多处阀室引压管、绝缘卡套放电,甚至出现烧穿、泄漏事故。目前已知的安全影响归纳起来包括操作人员人身安全风险、设备损毁、阀室引压管绝缘接头烧毁密封失效以及管道腐蚀漏泄;然而由于管道系统涉及管道本体及线路管道设施、阀室设施和站场设施,涵盖的设施众多,不仅各设施的功能、特性、结构,以及对电环境的敏感性各不相同,而且各设施所处的电环境状态也不相同,也许还存在尚未发现的危害,因此,辨识高压直流接地极电流对油气输送管道造成的潜在危害,并提出相应的措施以保证油气输送管道本质安全,具有重要意义[1-11]。

本文根据现有高压直流接地极放电实测数据,确定高压直流接地极电流危害输入条件,对高压直流接地极电流对油气输送管道产生的危害进行全面系统的辨识,并提出建议和措施减少其对油气输送管道带来的危害。

1 高压直流接地极放电特点分析

高压直流输电系统对油气输送管道的干扰影响,来源于其输电线路两端换流站的接地极放电期间产生高电压和大电流流动。通过对翁源接地极(±500 kV牛从同塔双回超高压输电系统)、鱼龙岭接地极(±800 kV云广特高压输电系统和贵广二回±500 kV超高压输电系统)、大塘接地极(±500 kV天广超高压直流输电系统)和哈密接地极(±800 kV哈密特高压直流输电系统)的放电数据进行实测,数据汇总见表1。对实测数据分析可知,304 V管/地电位和121 A的管内电流是其中的最大值,来源于翁源接地极放电。考虑到目前新建管道建设中对接地极干扰的认识和重视程度不断提高,远离避让并采取防护措施的方式已得到更多共识,最大干扰程度通常不会突破此值;但也不排除一些同样处于不利工况下,距离更近的管道会受到更大的干扰,存在更大的风险可能。

表1现场收集典型数据汇总表

序号管道名称高压直流输电系统接地极接地极入地电流/A管/地电位/V管内电流/A1234567西二线翁源接地极3 000304-2 400-111212 400-164-2 400-5.95801 200-1.4364.21 200-86-1 200-239891011广东管网鱼龙岭接地极1 200-5.340-52-3 000187-1 200-34.21213广东管网大塘接地极1 80040401 200-3.92-1415西二线哈密段哈密接地极-9.7--7.1-

2 油气输送管道简介

油气输送管道是在不同地区间输送经矿场净化处理的原油、天然气或液态石油产品(成品油)的系统工程,包括管道线路、站场及配套设施等[12]。

2.1 管道线路及配套设施

管道线路一般采用钢质管道埋地敷设,对公路、铁路、河流、山体等障碍物有穿越和跨越两种方式,并采取钢筋混凝土套管、箱涵、管卡、水工构筑物等保护措施,同时沿线敷设阴极保护和通信设备设施。

线路阴极保护设施包括各类型的阴极保护参数测试桩、固态去耦合器、牺牲阳极、极性排流元件、排流接地、电缆、干线绝缘接头等。

通信设施由通信系统传输介质、光缆测试桩、光缆接头盒组成,其中通信传输介质可分为通信管道光缆、通信直埋光缆,采用硅芯管对通信管道光缆保护。

2.2 阀室、站场及配套设施

油气输送管道阀室、站场设备设施一般分为电力、站场工艺、阴极保护、自控、通信相关设施。

电力设施包括变配电设备及发电装置和接地系统,其中变配电设备及发电装置包括交直流配电柜/箱、直流屏、变压器、发电机、太阳能光伏发电装置、UPS、蓄电池等。

站场工艺设施包括清管器接收筒、清管器发送筒、进出站ESD阀门、过滤器、阀门以及压力、温度检测仪表等,阀室工艺设施相对简单,主要是相应阀门和检测仪表。

阴极保护设施包括管道线路阴极保护用恒电位仪、电位传送器、电涌保护器、进出站绝缘接头、强制电流系统辅助阳极、电缆等。

自控设施包括气液联动执行机构、压力变送器、温度变送器、远程终端单元(RTU)、绝缘卡套等。

通信设施一般主要包括光传输通信、卫星通信、话音通信、工业电视、周界入侵报警、火灾报警、工业以太网、门禁管理等设备,其中站场根据工程情况会增加线路巡检、综合布线、扩音通信、会议电视等设备。

3 高压直流接地极对管道的危害辨识

3.1 辨识原则

高压直流接地极放电电流对油气输送管道是否造成危害,主要受两方面影响,一是管道所受电干扰的程度;二是管道系统的耐受能力。

管道所受电干扰的程度主要由以下因素影响:

1)管道上存在的高电压、大电流值的大小。

2)高电压或大电流作用的时间。

3)高电压或大电流作用的次数(与接地极放电的频次一致)。

管道系统中管道金属本体和管道上的设备、仪器、设施及电子元件、绝缘组件等耐受高电压、大电流的能力各不相同。有的对高电压敏感,有的对大电流敏感,有的则是对作用时间敏感,发生失效或损坏的原因及导致的结果主要有:

1)干扰电压超过电气或电子元件的承受能力或设施的过电压保护能力导致设施损毁,或击穿绝缘件。

2)装置上存在小的金属间隙,高电压导致电弧或火花。

3)管内有大电流流动,与之电连通的有一定电阻的组件或管件,在长时间大电流通过的情况下,电能转化为热能发热,进而发生烧毁或使绝缘密封烧蚀炭化,导致密封失效。

4)高电压下地面金属设施有人员触摸,超过安全电压下发生人身伤害。

5)电干扰环境下,电压超过设备的抗干扰能力,使设备不能正常可靠运行。

6)与高电压或大电流作用的时间和频次有关,累计效应使管道本体失效发生诸如管体的腐蚀等情况。

前述可知,油气输送管道涵盖的设施众多,不仅设备的功能、特性、结构及对电环境的敏感性各不相同,而且设备所处的电环境状态也不相同。以现场测试的典型干扰程度数据作为危害辨识的基础输入条件,结合实验室对管道金属本体和设备设施耐受能力试验数据,将高压直流接地极对油气输送管道造成的危害影响的输入条件归结如下:

1)线路和阀室上对高电压敏感的设备或组件,极端最大干扰管/地电位按300 V考虑。

2)线路和阀室上对高电流敏感的设备或组件,极端最大干扰管内电流按150 A考虑。

3)站场内的设备或组件,最大干扰管/地电位按10 V考虑。

4)极端最大干扰下的持续时间按2 h考虑。

在上述前提下,将高压直流接地极放电对油气输送管道造成的危害进行全面梳理,逐一对设备或组件进行具体分析、排查,辨识得到其主要危害。

3.2 线路危害辨识

3.2.1 管道线路

3.2.1.1 管道金属本体

根据现有案例,管道金属本体受杂散电流电力影响会造成管道腐蚀穿孔、氢脆、烧蚀,管材强度及硬度越高,氢脆敏感性越高,对于高钢级管材(X 80及以上)或是常规管材的焊缝或弯头等易受工艺影响导致组织劣化出现的高硬度区,发生氢脆的危险较高。图1～2为管道腐蚀、氢鼓泡。

图1 管道腐蚀穿孔现场照片

图2 实验室条件下观察到的氢鼓泡

图3 20 含水率实验室条件下观察到的管道烧蚀

图4 15 含水率实验室条件下观察到的管道烧蚀

当存在防腐层漏点或防腐层微孔渗透,高压直流接地极放电时可能导致管道产生高负电位,发生阴极反应,阴极反应产物OH-作用于涂层,使涂层和金属基底间附着力降低,导致阴极剥离,见图5。

3.2.1.2 管道附属设施

对隧道内敷设的管道,通常采用管卡进行固定,管卡为不锈钢,预埋钢垫板,与管道之间采用橡胶板进行隔离,钢垫板下方与混凝土墩的钢筋直接连接。极端情况下若钢筋混凝土墩发生损坏,钢筋外露,同时由于振动,导致管道和管卡之间的橡胶板移位,间隙因此变得很小时,则会发生间隙放电,造成管材或管卡表面烧蚀。

对跨越敷设的管道,管座表面一般设置有聚氨酯保护,不会造成管材或管卡表面的烧蚀。

3.2.1.3 人员触电

露空敷设管道有可能发生人员触电危险。

3.2.2 阴极保护设施

固态去耦合器一定时间通过大电流的直流电将导致其发热甚至烧毁,极性排流元件因其中的电流量超过了自身的耐受电流上限而损坏,极性排流二极管损坏照片见图6。牺牲阳极和排流接地体消耗速率加快,排流接地体短接片烧蚀。

测试桩通过电缆与管道电气连通,当管道存在高压、大电流时,测试电缆带有高电压,可能对测试人员造成人身安全伤害。

图6 极性排流二极管损坏照片

3.2.3 通信设施

光缆、监测标石金属构件感应电流,引起电位差,可能在金属构件上产生化学反应,腐蚀金属构件,降低其强度,可能减少光缆、监测标识使用寿命;光缆维护人员接触金属构件,会有触电危险。

3.3 阀室、站场危害辨识

3.3.1 电力设施

高压直流输电单极大地运行方式下,较大直流电流通过接地极入地,部分直流电流流过接地变压器的中性点,形成变压器的直流偏磁,使变压器磁路在某半波内处于饱和状态,励磁电流发生畸变,造成谐波电流增加、噪声增大、振动加剧,变压器过热甚至损坏,并对继电保护和安全自动装置造成危害;直流入地电流形成电位差,直流干扰导致的合成场强和直流磁场可能造成高频信号干扰;对未绝缘的埋地接地装置和电缆铠装层存在腐蚀影响;人或牲畜可能发生跨步电压触电。

3.3.2 工艺设施

电流电压过大可能对装置区内露空管道造成损坏;阀室工艺装置区内的管线及设备与线路管道直接电连通,操作人员对阀室和站场的露空管道及设备进行操作时,会有触电危险。

3.3.3 阴极保护设施

常规恒电位仪无专门的持续高压直流保护装置,即使自动停机仍然会承受持续的高电压,当超过其自身耐受能力时即发生损坏。

等电位连接器、固态去耦合器均为电压开关型电涌保护器,作为阴保系统的一级防雷装置,在绝缘接头、阴保设备前端泄放来至管道的高压电涌,直流耐受不是其特征,导通后长时间大电流的直流电将导致其发热温升而损坏。

电位传送器利用机壳接地作为防高压电涌的泄流通道,设置浪涌保护器,泄放瞬时高压浪涌,防浪涌装置是针对瞬时高压的防护,较长时间一定程度的持续电压,防浪涌装置是无法承受的,会导致设备的烧蚀、损坏[13-20]。

3.3.4 自控设施

对于间距<1 mm的无固定的两根引压管,处于潮湿环境下,由于振动或风力贴近时,会产生弧光放电,引起引压管间打火花造成设备损坏,引压管绝缘卡套绝缘性能下降,发生密封件高温烧蚀,密封功能丧失,出现气体泄漏甚至发生燃爆的危险。

3.3.5 通信设施

通信光缆感应纵向电流,通过光缆金属构件引入电流,形成电位差,损坏设备,在阀室、站场接触设备,会造成人员触电危险。

3.4 危害辨识汇总

通过对线路、阀室和站场受高压直流接地极带来的高电压、大电流的危害辨识,汇总危害后果,详见表2。

表2油气管道系统受高压直流接地极干扰危害后果汇总表

位置设备名称可能发生危害后果线路管体腐蚀/氢脆/烧蚀/防腐层剥离测试桩人员触电固态去耦合器固态去耦合器过度发热烧毁,造成交流干扰及瞬间强电冲击防护失效牺牲阳极消耗速率加快极性排流元件烧毁排流接地体消耗速率加快排流接地体短接片烧蚀进出站干线绝缘接头设备损坏击穿,造成绝缘密封失效,阴保电流流失及气体泄漏;前后管段发生内外腐蚀、氢脆、防腐层剥离光传输通信设备损坏设备,人员触电光缆监测标石人员触电阀室、站场阀室露空阀门及执行机构人员触电阀室引压管绝缘卡套绝缘密封失效,阴保电流流失及气体泄漏,甚至发生燃爆阀室气液联动执行机构绝缘垫片设备损坏,阴保电流流失阀室气液联动执行机构电子控制单元人员触电阀室压力变送器人员触电阀室表面温度变送器绝缘卡套设备损坏,造成阴保电流流失恒电位仪阴极保护系统瘫痪,设备烧蚀电位传送器设备停机等电位连接器瞬间强电冲击防护失效固态去耦合器交流干扰及瞬间强电冲击防护失效变压器直流偏磁导致变压器噪声增大、震动增大,温度升高等

4 结论及建议

1)未与接地系统相连的管道及相关设施会受到高电流、高电压带来的危害,受到危害的主要设施为管道金属本体及防腐层和未受接地系统保护的阴极保护、自控、通信设施。

2)可将高压直流接地极对管道系统造成的危害归纳为九大类:管体损伤、防腐层剥离、排流器烧蚀和接地材料消耗过快、阀室工艺设备烧蚀、防雷器烧蚀、绝缘接头击穿和内壁腐蚀、阴极保护设备烧蚀、变压器直流偏磁以及人员触电。

3)建议对未受接地系统的阴极保护设施、自控仪表设备、电力设备的安全边界进行研究,提高油气管道自身设施设备的耐受力,对现有高压直流接地极放电大小进行量化,从源头控制高压直流接地极放电干扰强度,以确保其带来的高电压和大电流不会影响油气管道的安全运行。

4)在现有危害辨识基础上,进一步进行相关研究,对危害发生的可能性的分级规则和后果大小进行评定,建立高压直流接地极带来的风险评价体系并进行针对性风险评价,对已建管道的优化方案提出整改方向和采取与干扰程度相适应的防护措施,给新建管道提供参考,确保管道完整性。