阀室引压管放电烧蚀失效分析

韩昌柴 曹国飞 覃慧敏 李英义 牛文花 葛彩刚 路民旭

1.中国石油东部管道有限公司 2.北京安科管道工程科技有限公司 3.北京科技大学

阀室引压管放电烧蚀失效分析

韩昌柴1曹国飞1覃慧敏2李英义1牛文花2葛彩刚2路民旭3

1.中国石油东部管道有限公司 2.北京安科管道工程科技有限公司 3.北京科技大学

韩昌柴等.阀室引压管放电烧蚀失效分析. 天然气工业，2016, 36(10): 118-125.

近年来，我国油气管道沿线阀室遭受的交、直流电干扰日益严重，由此引发的阀室引压管放电烧蚀问题逐渐凸显，亟需开展相关研究来弄清阀室引压管放电烧蚀的规律和机制。为此，以西气东输天然气管道某阀室引压管的放电烧蚀为例，搭建了实验室放电烧蚀平台，采用实验室模拟实验、微观分析以及现场测试相结合的方法，对该阀室引压管放电烧蚀的规律和机制进行了研究。结果表明：①当两根引压管间的交直流电压差大于4 V且存在接触引弧时便可以观察到明显的放电现象；②随着引压管间电压差和回路电流的增大，其能量升高，引压管放电烧蚀越严重；③直流放电烧蚀情况下阴、阳极呈现出明显不同的烧蚀形貌，阳极区烧蚀更加严重，其烧蚀坑呈现凹坑且烧蚀坑中没有明显的烧蚀产物沉积，阴极区烧蚀深度较浅，表面沉积一层烧蚀产物，而交流放电烧蚀情况下阴阳极烧蚀区域形貌基本一致，无明显差异。结论认为：该阀室的引压管放电现象是一种弧光放电，可以通过固定引压管、增大引压管间距以及阀室的交直流排流等措施来避免该现象的发生。

西气东输 天然气管道 阀室 引压管 交直流干扰 放电烧蚀 失效分析 消减措施

1 案例概述

随着高压（特高压）交、直流输电线路[1-5]、电气化铁路（特别是高速铁路）[6-7]以及油气管道的大规模建设，管道沿线阀室遭受的交、直流电干扰越来越严重[8-10]，逐渐出现了引压管发电烧蚀的现象[11-12]。这对油气管道来说是一个新的威胁：引压管壁厚较薄、内部介质压力大[13-14]，一旦发生引压管烧穿、天然气泄漏事故，将对安全生产造成重大影响。

“西气东输”管道沿线大多数阀室都采用了Shafer气液联动阀。在日常巡检中已经发现多个阀室引压管间距过小，发生引压管之间放电，个别阀室甚至出现引压管烧穿、天然气泄漏事故，对安全生产造成影响。

阀室进出站两侧的管道上均没有设置绝缘接头[15]，而气液联动阀的Linguard控制箱和阀头由于电气专业防雷要求需要进行接地[16]，为了避免阴极保护电流的泄露，气液联动阀的引压管上安装了绝缘卡套，以保证主管道和阀室接地网之间处于电绝缘状态。绝缘卡套一侧的引压管与主管道电连接，另一侧的引压管与阀室接地网电连接，放电烧蚀现象发生在管道侧引压管和接地侧引压管之间（图1）。阀室引压管放电烧蚀与管道受到的外界干扰电流、阀室绝缘接地等因素都有关。

图1 阀室现场引压管放电烧蚀部位示意图

2 测试方法

2.1 室内测试

图2 室内放电实验电路结构示意图

为了研究阀室两根引压管之间压降与引压管放电烧蚀的关系，设计了室内模拟放电烧蚀实验装置，实验电路连接如图2所示。图2中DC/AC为直流电流、交流电源或冲击电压，模拟阀室现场管道和接地极直接的交直流电压差；Shunt为标准电阻，用于测试回路电流I；P1和P2为不锈钢管，用于模拟分别与管道侧和接地侧电连接的两根引压管试样；D为两管间距，实验过程中可以连续可调；V1为标准电阻两端电压；V2为管间放电维持电压，测试放电过程中两根引压管试样间的压降。

2.1.1 固定间距下放电阀值测试

在实验中固定两根引压管之间不同的间距，引压管间距每次增大0.01 mm。用安规测试仪在引压管两端施加不同的电压，安规测试仪设置直流1 mA、100 V/s的升压速度，测试两引压管在不同间距下的放电电压值。

2.1.2 引压管接触引弧放电测试

分别在不同电压的直流电源和交流电源下，首先让两根引压管试样接触后再缓慢拉开，在放电最明显时的引压管间距，即为实验中的“典型放电间距”；继续增大间距，直至放电火花消失时的引压管间距，即为实验中的“最大放电间距”。测试不同的电源电压和不同的间距下两根引压管之间的放电烧蚀现象，研究引压管放电烧蚀与干扰电流强度、引压管间距等因素之间的对应关系。

2.2 阀室现场测试

分别选择两个不同的阀室，引压管试样分别连接至管道和阀室接地网，利用阀室现场管道和接地网之间的交直流电压差进行引压管引弧放电烧蚀试验，测试接线电路连接如图3所示。

3 结果与讨论

3.1 固定间距下放电阀值测试

图3 阀室现场放电实验电路结构示意图

表1为引压管固定间距下的放电阀值测试结果。测试数据结果表明在固定间距下，两根引压管之间的空气击穿放电电压较大，随着间隙的增大，空气击穿放电电压增加。当间距增大为0.1 mm，击穿放电电压已达到上千伏。对于如此大的击穿电压，一般在管道遭受雷击时才会存在，而阀室现场一般均设置了等电位连接器连接管道和接地网，当遭受雷击时等电位连接器将启动将雷电流从接地网泄放出去。同时由发生引压管放电烧蚀的现场照片可以知道，该放电烧蚀现象可以长时间稳定存在，而雷击时间仅为微秒级。因此，阀室现场由于遭受雷击而发生引压管放电烧蚀的可能性较小。

3.2 引压管接触引弧直流放电测试

在不同的直流电源电压下，典型引弧放电间距和最大放电间距测试记录如表2所示。在直流电压（即引弧电压）小于4 V的情况下，两根引压管试样接触后再拉开距离观察不到明显的放电烧蚀现象。当引弧电压大于4 V之后，两根引压管试样接触后缓慢

拉开间距，在典型放电间距时放电弧光现象最明显，继续拉大间距，放电弧光逐渐变弱、熄灭。放电现象随着电源电压的增大越来越明显，两根引压管之间的电压降和回路中的电流也越大。

表 1 引压管间隙放电电压测试数据表

表2 不同电压下引弧放电间距测试记录表

阀室现场两根引压管之间的直流电压差来源于管道与接地网直流电压差，当管道受到直流干扰造成管道直流电位偏移，管道与接地网之间的直流电压差大于4 V，在阀室现场两根分别与管道和接地网电连通的引压管由于风力载荷或外力震动，原本比较靠近的两根引压管之间相互接触分开，就会发生引压管放电烧蚀现象。

3.3 引压管接触引弧交流放电测试

在不同的交流电源电压下，典型引弧放电间距和最大放电间距测试记录如表3所示。与直流引弧放电烧蚀试验类似，在交流电压（即引弧电压）小于4 V的情况下，两根引压管试样接触后再拉开距离观察不到明显的放电烧蚀现象。当交流电压大于4 V之后，两根引压管试样接触后缓慢拉开间距，在典型放电间距时放电弧光现象最明显，继续拉大间距，放电弧光逐渐变弱、熄灭。放电现象随着电源电压的增大越来越明显，两根引压管之间的电压降和回路中的电流也越大。

表3 不同电压下引弧放电间距测试记录

阀室现场两根引压管之间的交流电压差来源于管道与接地网的交流电压差，当管道受到交流干扰，管道与接地网之间的交流电压差大于4 V，在阀室现场两根引压管之间相互接触分开，就会发生引压管放电烧蚀现象。

3.4 引压管放电烧蚀区域典型形貌

3.4.1 直流放电烧蚀

图4 直流放电烧蚀引压管试样宏观形貌照片

直流放电烧蚀引压管试样的宏观形貌如图4所

示， 其中P1端与直流电源的正极连接（相当于阳极区），P1端与直流电源的负极连接（相当于阴极区）。P1端和P2端的烧蚀区域呈现不同形貌，阳极区（P1端）的烧蚀坑比阴极区（P2端）的烧蚀坑面积要大，而且阳极区（P1端）的烧蚀坑呈现凹坑，中心烧蚀深度最大；阴极区（P2端）的烧蚀产物呈现熔融凝固的瘤状。

对烧蚀坑的纵剖面进行观察，直流放电烧蚀引压管试样截面金相如图5所示。直流放电烧蚀引压管试样呈现阴阳极明显不同的烧蚀形貌，阳极区烧蚀更加严重。阳极区（P1端）的烧蚀坑呈现凹坑，烧蚀坑直径为1.4 mm，烧蚀深度为0.70 mm，且烧蚀坑中没有明显的烧蚀产物沉积；阴极区（P2端）烧蚀深度较浅，烧蚀坑直径为1.1 mm，烧蚀深度为0.02 mm，表面沉积一层烧蚀产物。

直流放电烧蚀引压管试样的阴阳极烧蚀区域呈现不同形貌，原因是直流放电情况下，两根引压管对应恒定的阳极和阴极，材料在烧蚀过程中，阳极区表层组织受电弧作用而形成熔池，由于温度以及电弧力的作用，使熔池内的小液滴飞溅出烧蚀区域，形成表面烧蚀坑，飞溅的熔融液滴到达对应阴极表面，凝固冷却后形成凸起的烧蚀平台。

3.4.2 交流放电烧蚀

交流放电烧蚀引压管试样的宏观形貌如图6所示，P1端和P2端的烧蚀区域面积大小一致，没有大的凹陷坑和凸起平台，产物呈现熔融凝固的瘤状。

图5 直流放电烧蚀引压管试样截面金相图

图6 交流放电烧蚀引压管试样宏观形貌照片

对交流烧蚀的纵剖面进行观察（图7）。两次烧蚀样品的P1端和P2端的烧蚀区域的直径和深度相差不大，烧蚀坑直径都为1.0 mm，烧蚀深度都为0.05 mm。

交流放电烧蚀引压管试样的阴阳极烧蚀区域呈现相同形貌，原因是交流放电情况下，两根引压管没有固定的阴极和阳极，而呈现阴极阳极交替出现的情况，材料在烧蚀过程中，表层组织受电弧作用而形成熔池。在阴阳极相互交替过程中，两根引压管试样烧蚀形貌基本一致，无明显差别。

3.5 阀室现场放电烧蚀测试

3.5.1 直流放电烧蚀

“西气东输”管道西二线干线距离高压直流输电工程的翁源接地极较近。2014年6月22日7：10—9：10翁源接地极阴极放电时，于154号阀室处检测到管道直流电位正向偏移至10 V，此时管道和接地网之间的直流电压差为10.7 V。

于放电实验平台上进行两根引压管试样的引弧放电实验，将两根引压管接触之后慢慢拉大两管间距，当两管间距为0.15 mm时，放电现象很明显，此时回路电流为4.3 A，两引压管压降为2.6 V。现场放电烧蚀现象如图8所示。

图7 交流放电烧蚀引压管试样截面金相图

图8 西二线154号阀室引弧放电烧蚀图

持续放电烧蚀30 min后，将引压管试样从实验平台上卸下，观察到与管道侧连接的引压管试样其表面烧蚀坑面积要比与接地侧连接的引压管试样大，呈现凹坑，中心烧蚀深度大（图9）。由于此次翁源接地极放电为阴极放电，管道电位正向偏移，与管道侧连接的引压管试样作为烧蚀的阳极区，而与阀室接地侧连接的引压管试样作为烧蚀的阴极区，阳极区的烧蚀坑比阴极区的烧蚀坑面积要大，与实验室进行的直流放电烧蚀形貌一致。

图9 现场直流放电烧蚀引压管试样宏观形貌照片

3.5.2 交流放电烧蚀

“西气东输”管道忠武线19#阀室受到交流输电线路和汉宜高铁的干扰，2014年6月11日进行实验平台安装的过程中，检测到管道的交流电压为15.7 V，直流电位为-1.0 V，此时管道和接地网之间的交流电压差为16 V，直流电压差仅为0.3 V。

于放电实验平台上进行两根引压管试样的引弧放电实验， 将两根引压管接触之后慢慢拉大两管间距，当两管间距为0.17 mm时，放电现象明显，此时两引压管交流压降为2.5 V，回路中交流电流为9.6 A。

放电烧蚀2 h后，将引压管试样从实验平台上卸下，观察到两根引压管试样表面烧蚀坑面积相同，蚀区域面积大小一致，产物呈现熔融凝固的瘤状，与实验室进行的交流放电烧蚀形貌一致（图10）。

3.6 引压管放电烧蚀消减措施

1）引压管引弧放电烧蚀风险的消减关键在于分属不同电位系统的引压管间不会发生接触引弧。具体来说，一是多个绝缘卡套的安装位置在空间上应处并列位置，使得分属于管道侧和接地侧的引压管不再具有空间交叉接触的可能；二是当分属于管道侧和接地侧的引压管交叉时，需要保证两根引压管间间距足够大（如1 cm），也可以在引压管上缠绕绝缘材料消除引弧放电风险。

2）对管道进行交直流杂散电流干扰的缓解也是消减阀室设备引弧放电烧蚀风险的有效措施。在无法保证消除引压管接触引弧的情况下，缓解后管道交直流干扰电压应小于4 V。

图10 现场直交流放电烧蚀引压管试样宏观形貌照片

4 结论

1）阀室现场的引压管放电现象是一种弧光放电，其原因是由于两根引压管之间存在较大的交/直流电压差，且两根引压管间距很近，在振动或者风载的作用下发生接触、分离。

2）引压管间的交/直流电压差大于4 V时可产生弧光放电，且随着电压差和回路电流的增大，能量越高，引压管放电烧蚀越严重。

3）交流放电烧蚀情况下无阴阳极形貌差别，两根引压管烧蚀形貌基本一致；直流放电烧蚀情况下有明显的阴、阳极形貌差别，阳极区呈现典型的烧蚀坑形貌，烧蚀严重，阴极区呈现烧蚀平台形貌，且阴极区烧蚀坑直径和深度较阳极区要小。

[1] 王俊, 齐文元, 周卫国, 李云, 许进, 孙成, 等. 高压输电线路对埋地输油管道中杂散电流影响规律[J]. 全面腐蚀控制, 2010, 24(7): 48-52.

Wang Jun, Qi Wenyuan, Zhou Weiguo, Li Yun, Xu Jin, Sun Cheng, et al. Influence of stray current in the oil pipeline under high voltage line[J]. Total Corrosion Control, 2010, 24(7): 48-52.

[2] 詹奕, 尹项根. 高压直流输电与特高压交流输电的比较研究[J].高压电技术, 2001, 27(4): 44-46.

Zhan Yi, Yin Xianggen. Comparative research on HVDC and UHV power transmission[J]. High Voltage Engineering, 2001, 27(4): 44-46.

[3] 黄道春, 魏远航, 钟连宏, 阮江军, 皇甫成. 我国发展特高压直流输电中一些问题的探讨[J]. 电网技术, 2007, 31(8): 6-12.

Huang Daochun, Wei Yuanhang, Zhong Lianhong, Ruan Jiangjun, Huangfu Cheng. Discussion on several problems of developing UHVDC transmission in China[J]. Power System Technology, 2007, 31(8): 6-12.

[4] 唐德志, 杜艳霞, 路民旭, 董亮, 姜子涛. 埋地管道交流干扰与阴极保护相互作用研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2013, 33(5): 351-356.

Tang Dezhi, Du Yanxia, Lu Minxu, Dong Liang, Jiang Zitao. Progress in the mutual effects between AC interference and the cathodic protection of buried pipelines[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2013, 33(5): 351-356.

[5] 尚秦玉, 许进, 尚思贤. 高压线路对地下输油管道中杂散电流影响规律[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2007, 19(5): 371-372.

Shang Qinyu, Xu Jin, Shang Sixian. Influence of stray current of oil pipeline under high-voltage transmitting lines[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2007, 19(5): 371-372.

[6] 孙佩奇. 电气化铁路对埋地钢质燃气管道的交流干扰及其防护措施[J]. 燃气技术, 2011, 434(4): 7-11.

Sun Peiqi. AC interference from electrified railway to buried steel gas pipeline and its mitigation[J]. Gas Technology, 2011, 434(4): 7-11.

[7] 郭庆茹, 何悟忠, 左戈, 董仲智, 陈敬和, 李增平, 等. 电气化铁路对输油管道的干扰及其防护方法的研究[J]. 石油工程建设, 2005, 31(4): 51-54.

Guo Qingru, He Wuzhong, Zuo Ge, Dong Zhongzhi, Chen Jinghe, Li Zengping, et al. Study of interference with oil pipeline from electrified railway and protective method[J]. Petroleum Engineering Construction, 2005, 31(4): 51-54.

[8] 程明, 张平. 鱼龙岭接地极入地电流对西气东输二线埋地钢质管道的影响分析[J]. 天然气与石油, 2010, 28(5)：22-27.

Cheng Ming, Zhang Ping. Effect of Yulongling grounding current on buried steel pipeline of West-East Gas Pipeline[J]. Natural Gas and Oil, 2010, 28(5): 22-27.

[9] 许罡, 姜子涛, 杜艳霞. 廉溪大道并行天然气管道腐蚀风险检测与分析[J]. 腐蚀与防护, 2012, 33(1): 88-92.

Xu Gang, Jiang Zitao, Du Yanxia. Inspection and analysis of corrosion of gas pipeline parallel with Lianxi Road[J]. Corrosion and Protection, 2012, 33(1): 88-92.

[10] 张玉星, 杜艳霞, 姜子涛. 交流干扰对埋地管线阴极保护的影响[J]. 腐蚀与防护, 2013, 34(4): 350-358.

Zhang Yuxing, Du Yanxia, Jiang Zitao. Influence of alternating current interference on cathodic protection system of buried pipelines[J]. Corrosion and Protection, 2013, 34(4): 350-358.

[11] 楚金伟, 韦晓星, 刘青松. 直流接地极附近引压管绝缘卡套放电原因分析[J]. 油气田地面工程, 2015, 34(10): 73-74.

Chu Jinwei, Wei Xiaoxing, Liu Qingsong. Study of the pipe insulation sleeve discharge near DC grounding electrode[J]. Oil-Gas Field Surface Engineering, 2015, 34(10): 73-74.

[12] 应斌. 高压直流输电系统接地极对长输管道安全运行的影响[J]. 油气田地面工程, 2014, 33(7): 23-24.

Ying Bin. Effect of HVDC grounding on the safety of pipeline[J]. Oil-Gas Field Surface Engineering, 2014, 33(7): 23-24.

[13] 方舒东, 王坤, 康滨, 解应涛. 大口径长输天然气管道阀室引压管卡套失效的危害及处理技术[J]. 天然气工业, 2011, 31(11): 93-95.

Fang Shudong, Wang Kun, Kang Bing, Xie Yingtao. Damages and treatment measures of ferrule failures of pressure guiding tubes in valve chambers of large-diameter and long-distance gas pipelines[J]. Natural Gas Industry, 2011, 31(11): 93-95.

[14] 彭忍社, 王龙帅. 在线封堵技术在西气东输引压管改造的应用[J]. 油气储运, 2009, 28(8): 52-53.

Peng Renshe, Wang Longshuai. Application of on-line stopping technology in the improvement of pressure lead-in pipe in Westto-East gas transmission pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2009, 28(8): 52-53.

[15] 孙舫. SHAFT气液联动阀绝缘绝缘解析及绝缘维修经验[J].化学工程与装备, 2013(12): 100-105.

Sun Fang. Insulation analysis and insulation maintenance experience of SHAFT gas-liquid linkage valve[J]. Chemical Engineering & Equipment, 2013(12): 100-105.

[16] 中国华陆工程公司. HG/T 20513—2002. 仪表系统接地设计规定[S]. 北京: 全国化工工程建设标准编辑中心, 2001.

Hualu Engineering Company Limited. HG/T 20513-2002. Design code for instrument grounding[S]. Beijing: National Chemical Engineering Construction Standard Editing Center, 2001.

（修改回稿日期 2016-07-20 编 辑 何 明）

Analysis of failures induced by the discharge ablation of pressure-guiding tubes in valve chambers

Han Changchai1, Cao Guofei1, Tan Huimin2, Li Yingyi1, Niu Wenhua2, Ge Caigang2, Lu Minxu3
(1. PetroChina Eastern Pipelines Co., Ltd., Shanghai 200000, China; 2. Beijing Safetech Pipeline Co., Ltd., Beijing 100083, China; 3. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.118-125, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In recent years, the valve chambers along oil and gas pipelines suffer from AC/DC (alternating current/direct current) interference more and more seriously in China. The induced discharge ablation of pressure-guiding tubes in valve chambers gets serious gradually. Therefore, it is urgent to figure out the laws and mechanisms of discharge ablation of pressure-guiding tubes in valve chambers. In this paper, an experimental discharge ablation platform was established with the discharge ablation of pressure-guiding tubes in a certain valve chamber of West-to-East Gas Pipeline as an example. The discharge ablation laws and mechanisms were analyzed by means of laboratory simulation experiment, microscopic analysis and field test comprehensively. It is shown that the discharge ablation is apparent when the AC/DC voltage difference between two pressure-guiding tubes is over 4 V and there is touch striking arc. As the voltage difference between pressure-guiding tubes and the circuit current increase, the energy rises and the discharge ablation of the pressure-guiding tubes gets more serious. In the mode of DC discharge, the ablation feature at the positive pole is different from that at the negative pole. In the region of positive pole, the ablation is more serious and the ablation dent is concave without obvious deposit of ablation products. In the region of negative pole, the ablation is shallower and the ablation products are deposited on the surface. In the mode of AC discharge, the ablation features at the positive and negative poles are basically coincident without apparent difference. It is concluded that the discharge of the pressure-guiding tube in this valve chamber is a phenomenon of arc discharge, which can be avoided by fixing the pressure-guiding tube, increasing the spacing between them and performing AC/DC drainage of the valve chamber.

West-to-East Gas Pipeline; Gas pipeline; Valve chamber; Pressure-guiding tube; AC/DC interference; Discharge ablation; Mitigation

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.015

韩昌柴，1981年生，工程师；主要从事长输天然气管道完整性管理、腐蚀防护与控制技术研究工作。地址：（430073）湖北省武汉市雄楚大道977号中国石油东部管道有限公司科技信息中心。电话：18621729093。ORCID: 0000-0003-4499-2163。E-mail: hanchangchai@petrochina.com.cn

葛彩刚，1985年生，工程师；主要从事油气管道阴极保护工作。地址：（100083）北京市海淀区北四环中路229号海淀大厦1227北京安科管道工程科技有限公司。电话：（010）82883456转805。E-mail: 285236114@qq.com