輸氣管道氣液聯(lián)動閥絕緣卡套燒蝕案例研究

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(1.廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司，廣東 廣州 510425; 2.北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

隨著高壓(特高壓)直流輸電線路和油氣管道的大規(guī)模建設，管道沿線閥室遭受的直流輸電線路干擾越來越嚴重[1-7]，逐漸出現(xiàn)了引壓管、絕緣卡套等重要零部件發(fā)電燒蝕的現(xiàn)象[8]，閥室中這些零部件的安全對于管道干線的安全至關重要，一直以來受到人們的高度重視[9-11]。

2013年12月24日，廣東某天然氣分輸站氣液聯(lián)動球閥 BV1101的 Line Guard 控制箱兩根引壓管之間管箍連接處出現(xiàn)小部分融化和引壓管焦灼情況，同時安裝于引壓管上的絕緣卡套表面顏色發(fā)黑，處于該絕緣卡套正上方的引壓管也有發(fā)黑的印記，且離絕緣卡套左側約5 cm位置的塑料管卡下端被完全熔化，離絕緣卡套右端約18 cm處的塑料管卡下端也有熔化的現(xiàn)象。

將絕緣卡套拆卸下來之后，可以看到絕緣卡套內部的絕緣墊片已熔化僅余下端部的一小部分。氣液聯(lián)動閥是天然氣管道閥室和站場內的重要設備，在緊急情況下自動關閉閥門，切斷下游管線，阻止天然氣大量泄漏。作為氣液聯(lián)動閥的組件之一，絕緣卡套對于維護管道的安全運行有著重要的作用。為找出引發(fā)事故原因，為今后的安全生產(chǎn)提供行之有效的技術支持，需要及時對潛在的問題進行評估，并提出經(jīng)濟可靠的防護措施。

1 實驗室測試

1.1 形貌測試

利用電火花線切割的方法將放電燒蝕的絕緣卡套組件進行切割，并對其進行宏觀觀察。之后，為了分析和判斷失效樣品的金相組織形態(tài)及弧坑深度，利用掃描電鏡(SEM)和能譜儀對失效絕緣卡套部件的變徑管和螺帽部分進行分析。

1.2 燒蝕產(chǎn)物X射線衍射(XRD)分析

從現(xiàn)場收集絕緣卡套組件的燒蝕黑色產(chǎn)物,利用XRD進行物相分析。

1.3 完好絕緣卡套性能測試

為了解絕緣卡套的原始性能參數(shù)，為失效原因查找提供對比，對廠家提供的未經(jīng)安裝的絕緣卡套進行了絕緣性能測試和擊穿耐壓性能測試。試驗中所使用的絕緣卡套為Swagelok產(chǎn)品，型號SS-4-DE-6，與分輸站內發(fā)生燒蝕事故的絕緣卡套為同型號產(chǎn)品。

1.4 沖擊電壓疊加直流電源測試

沖擊電壓疊加直流電源試驗模擬電路見圖1。其中R1為限流電阻，電阻值為1.4 Ω，P為安規(guī)測試儀，用來產(chǎn)生沖擊電壓，規(guī)格為100 V/50 A，P1和P2代表絕緣卡套兩端。

首先利用安規(guī)測試儀向絕緣卡套兩端施加沖擊電壓，沖擊電壓限值設置為5 kV，在進行下一步系列測試前對絕緣卡套進行8次放電擊穿。擊穿后測試絕緣卡套在50 V時絕緣阻抗是4 MΩ，再次進行交流擊穿的電壓為200 V，再次進行直流擊穿的電壓為70 V左右。

圖1 絕緣卡套燒蝕試驗模擬電路

按照試驗電路連接好電路后，進行如下系列測試：

(1)關閉安規(guī)測試儀不提供沖擊電壓，將絕緣卡套兩端通過限流電阻R1連接到直流電源的正負極，開啟直流電源，施加10 V至100 V的電源電壓，每次測試直流電源電壓增加10 V，觀察絕緣卡套能否放電。

(2)關閉直流電源，開啟安規(guī)測試儀，施加沖擊電壓到絕緣卡套兩端，沖擊電壓限值設置為500 V，測試觀察絕緣卡套能否放電。

(3)直流電源和安規(guī)測試儀同時開啟，直流電源設置的電流限值為45 A，施加10 V至100 V的電源電壓，每次測試直流電源電壓增加10 V。

試驗結束后，測試燒蝕后的絕緣卡套兩端電阻。

2 測試結果與分析

2.1 宏觀形貌分析

采用電火花線切割設備剖開絕緣卡套組件之后，發(fā)現(xiàn)帶凸臺的變徑管存在多處燒蝕的瘤疤，最大的一處中心位于帶凸臺變徑管的斜側面上，剛好與帶螺紋的外六角螺帽處燒蝕瘤疤相對應，值得注意的是，外六角螺帽上除了有燒蝕瘤疤外，還可以看到與之對應的內六螺栓上存在機械損傷痕跡，螺栓端頭被擠壓剪切而凸起，見圖2。從匹配螺栓和螺母上的螺紋牙都可以看到明顯的機械損傷痕跡，推測是引壓管安裝過程中的違規(guī)裝配所致。根據(jù)Swagelok絕緣卡套供應商的安裝說明可知，安裝過程中禁止將扳手卡于六角螺母上進行借力。觀察絕緣卡套失效損傷部件可知，該絕緣卡套的安裝過程中存在著不規(guī)范施工。

圖2 變徑管及螺帽內部燒傷形貌及位置

帶凸臺變徑管除了在斜側面存在燒蝕的瘤疤外，于端部處也存在多處燒蝕瘤疤。切割剖開絕緣卡套組件后，端部的喇叭形聚酰胺—酰亞胺絕緣件、碳氟化合物(FKM)橡膠密封圈以及聚四氟乙烯(PTFE)墊圈已消失不見，推測為放電燒蝕過程中被高溫熔融氣化。帶凸臺變徑管的燒蝕瘤疤較大，而接頭處內表面只見較淺的燒蝕痕跡，見圖3。

圖3 變徑管端部及卡套接頭內部燒蝕

2.2 微觀分析

2.2.1 變徑管

1號絕緣卡套組件變徑管處燒蝕坑的SEM分析見圖4。從圖4可以觀察到熔融凝固及燒蝕孔形貌，燒蝕區(qū)高低起伏不一，分布分散，原因是材料在燒蝕過程中，表層組織受電弧作用而形成熔池。由于溫度以及電弧力的作用，使熔池內的小液滴飛濺出燒蝕區(qū)域，形成表面凹陷區(qū)域。一部分熔融液滴未能飛離燒蝕區(qū)域而落回材料表面，凝固冷卻后形成了燒蝕區(qū)域內的凸起物，見圖5。燒蝕形貌及掃描電鏡能譜分析見圖6。燒蝕孔的形成與熔融液滴自身的結合力以及顆粒飛濺的作用有關，也有可能是熔融液體中的氣泡破裂后形成。

能譜分析表明，F(xiàn)e,Cr,Mo和Ni為不銹鋼基體所含元素，燒蝕后O含量明顯提高，主要生成鐵氧化物(Fe2O3和Fe3O4)。除了產(chǎn)生大量的鐵氧化物之外，燒蝕孔周圍來自于基體的Cr元素聚集。部分區(qū)域Si元素含量較高，夾雜微量的Br，疑似熔融密封膠圈的產(chǎn)物殘留。

圖4 燒蝕產(chǎn)物顯微形貌

圖5 凸起物形貌及能譜分析

圖6 孔洞燒蝕形貌及能譜分析

2.2.2 螺 帽

螺帽處燒蝕坑的SEM掃描電鏡分析見圖7。燒蝕區(qū)同樣高低起伏不一，分布分散，從中可以觀察到熔融凝固及燒蝕孔形貌，同時也可以觀察到燒蝕孔洞，與變徑管燒蝕瘤疤的顯微形貌相類似。由圖7可以看到燒蝕區(qū)B與螺紋基體A的明顯分界，以及螺紋牙的機械損傷翹起。

圖7 燒蝕產(chǎn)物顯微形貌與螺紋基體

燒蝕產(chǎn)物裂紋形貌及SEM能譜分析見圖8。圖8中燒蝕產(chǎn)物的箭頭指示區(qū)域產(chǎn)生了燒蝕裂紋，裂紋主要由大塊顆粒的根部產(chǎn)生，擴展傾向明顯。能譜分析發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域Si元素含量較高，夾雜微量的Br，疑似熔融密封膠圈的產(chǎn)物殘留。Fe,Cr,Mo和Ni為不銹鋼基體所含元素，燒蝕后O含量明顯提高，主要生成鐵氧化物(Fe2O3和Fe3O4)。

燒蝕產(chǎn)物有棒狀結晶燒蝕形貌，見圖9。能譜分析表明含有大量的Si和Ca元素，應為絕緣密封材料燒焦后對表層造成的污染。

2.3 燒蝕產(chǎn)物XRD分析

對現(xiàn)場收集絕緣卡套組件的燒蝕黑色產(chǎn)物進行物相分析，結果見圖10。

圖8 燒蝕產(chǎn)物裂紋形貌及SEM能譜分析

圖9 燒蝕產(chǎn)物棒狀結晶形貌及能譜分析

從圖10可以看出，該黑色產(chǎn)物主要為鐵的氧化物(Fe2O3和Fe3O4)。燒蝕過程中高溫熔融的Fe與空氣中的O2反應生成氧化亞鐵，進一步氧化后形成四氧化三鐵。燒蝕產(chǎn)物中未分析出絕緣密封件碳化后的成分，原因可能是絕緣密封件經(jīng)高溫氣化揮發(fā)掉了。

圖10 燒蝕產(chǎn)物XRD分析

2.4 完好絕緣卡套性能測試

根據(jù)廠家產(chǎn)品說明書，目前Shafer氣液聯(lián)動機構所使用的絕緣卡套標稱絕緣阻抗為直流電壓10 V時電阻值10 MΩ。

測試絕緣卡套性能見表1至表3。測試結果表明，單獨測試絕緣卡套的絕緣阻抗或者擊穿電壓，均滿足標準要求，性能合格。

表1 絕緣電阻測試

表2 擊穿耐壓性能測試

將絕緣性能和耐壓性能有一定下降的絕緣卡套進行一系列直流耐壓測試。測試結果表明，絕緣卡套經(jīng)過多次擊穿后，耐壓性能下降。

表3 直流耐壓測試

2.5 沖擊電壓疊加直流電源測試

若關閉安規(guī)測試儀不提供沖擊電壓，利用直流電源給絕緣卡套兩端逐漸施加10～100 V的電源電壓，試驗過程中一直未觀察到放電現(xiàn)象，表明回路中沒有電流。

關閉直流電源后，開啟安規(guī)測試儀，施加沖擊電壓(500 V)到絕緣卡套兩端，仍然觀察不到放電現(xiàn)象。

同時開啟直流電源和安規(guī)測試，直流電源設置的電流限值為45 A，施加10 V至100 V的電源電壓。試驗過程中發(fā)現(xiàn)在電源電壓為80 V時，安規(guī)測試儀施加沖擊電壓于絕緣卡套后，該絕緣卡套被燒壞，發(fā)出噼啪的聲響，同時觀察到明顯的放電火花和濃煙。

試驗結束后，測試燒蝕后的絕緣卡套兩端電阻為2.13 Ω，說明此時絕緣卡套兩端已實現(xiàn)阻性導通。

測試完畢后，將絕緣卡套拆開，發(fā)現(xiàn)絕緣卡套內部發(fā)生了燒蝕，燒蝕位置位于端部，由于放電過程較短，絕緣密封件燒蝕現(xiàn)象明顯；但不銹鋼管及螺帽尚未出現(xiàn)燒蝕坑。

從以上測試可以看出，絕緣卡套在絕緣耐壓性能下降后，如果施加功率較大的外部干擾電源，絕緣卡套內部可以出現(xiàn)持續(xù)的放電燒蝕。

2.6 干擾源分析

為了弄清分輸站遭受干擾的原因，調取了事發(fā)點(進站閥組區(qū))附近的監(jiān)控視頻，通過排查發(fā)現(xiàn),12月24日18點30分開始，分輸站 BV1101氣液聯(lián)動球閥執(zhí)行機構上開始出現(xiàn)光斑，直至22點，該光斑逐漸熄滅。通過光斑所在位置的對比分析，確定該光斑就是執(zhí)行機構引壓管受損絕緣卡套所在位置。

通過多方面現(xiàn)場排查，了解到南方電網(wǎng)所管理的云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)增城換流站在12月24日出現(xiàn)故障，在采取單極大地返回方式運行過程中，將電流泄放入清遠市清新縣魚龍嶺接地極(距離管線最近點直線距離約10 km)，接地極入地電流為3 125 A ，排流時間為18時30分至22時41分，與分輸站發(fā)現(xiàn)光斑的時間基本吻合。

在魚龍嶺接地極陽極放電3 125 A期間，靠近接地極的管段吸收雜散電流，遠離接地極的管道排出電流，致使管道電位正向偏移。失效絕緣卡套所在位置管道對地電位正向偏移至幾十伏，見圖11。

圖11 輸電線路單極運行時干擾示意

分析絕緣卡套連接情況可知，右端(即變徑管部分)與管道電連通，電位偏正，為陽極；左端(即六角螺帽部分)與接地連接，為陰極。絕緣卡套變徑管(陽極)燒蝕嚴重，六角螺帽部分(陰極)燒蝕較輕，與實驗室模擬直流放電燒蝕測試的結果一致。

在2014年5月23日14時40分至15時11分魚龍嶺接地極陽極放電單極運行時，受干擾的管道上測試到管道電位可正向偏移至140 V。若是該140 V的電壓差施加于絕緣卡套的管道側和接地側，同時該絕緣卡套的耐壓性能已低于140 V，根據(jù)實驗室模擬絕緣卡套燒蝕試驗的結果，該絕緣卡套就有可能發(fā)生放電燒蝕。絕緣卡套的耐壓性能下降原因有很多，雷擊浪涌擊穿絕緣材料導致絕緣卡套絕緣電阻減小，耐壓性能降低；引壓管絕緣卡套安裝過程中不規(guī)范施工導致絕緣卡套內部機械損傷，有利于尖端放電的發(fā)生；引壓管內部積水或者油等雜質污染降低了絕緣卡套的絕緣性能，降低了放電的門檻，也容易形成放電通路。

3 結論與建議

通過對分輸站絕緣卡套放電燒蝕的原因進行分析和絕緣卡套燒蝕前后性能的測試，得出了以下結論：

(1)絕緣卡套完好的情況下首次擊穿電壓基本在kV等級電壓范圍，多次擊穿后，耐壓性能下降；此時若施加功率較大的外部干擾電源，絕緣卡套內部會出現(xiàn)持續(xù)的放電燒蝕。

(2)高壓/特高壓直流輸電接地極單極運行時會引起埋地管道的特高壓直流干擾，進而引發(fā)輸氣管道氣液聯(lián)動閥絕緣卡套的放電燒蝕。

基于研究結果，同時結合相關規(guī)程，提出了以下防護建議：

(1)規(guī)范引壓管絕緣卡套安裝施工，在裝配過程中嚴格按照廠家說明書和設計文件要求進行，在安裝過程中絕緣卡套的六角螺母部分嚴禁受力；

(2)目前國內天然氣管道進出閥室都沒有設置絕緣法蘭，可以考慮選擇低電壓限峰值型號(如500 V或200 V)的等電位連接器將管道與閥室接地網(wǎng)連接。正常情況下，等電位連接器兩端的管道側和接地網(wǎng)絕緣，當雷擊來臨時使得管道電位升高至所限峰值電壓(如500 V或200 V)，實現(xiàn)管道與接地網(wǎng)的等電位連接，有效防止絕緣卡套被擊穿。

(3)對閥室內現(xiàn)有的絕緣卡套以及絕緣墊片等絕緣裝置進行檢查、更換，確保絕緣卡套內部沒有螺紋損傷、積水和積塵。

(4)定期(每月或每季度)對閥室絕緣卡套、絕緣墊片等進行檢查，重點檢查其絕緣性能以及外觀是否有燒蝕痕跡。