戴聯(lián)雙1 楊玉鋒2 張強(qiáng)2

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)安全環(huán)保與運(yùn)維本部；

2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司科技研究中心

1  概述

雷電會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生危害，其破壞形式表現(xiàn)為管道附近的高架線、雷電流作用導(dǎo)致的管線熱效應(yīng)和沖擊效應(yīng)以及對(duì)防腐層的破壞。主要可以分為以下幾種形式：雷電電流導(dǎo)致管道灼傷或穿孔；雷電直接導(dǎo)致管道破裂；油氣泄漏情況下，雷電點(diǎn)燃油氣，引發(fā)事故；雷電導(dǎo)致閥室、站場(chǎng)設(shè)備的損壞或進(jìn)一步引發(fā)火災(zāi)。

根據(jù)美國(guó)管道和危險(xiǎn)材料安全管理局（PHMSA）統(tǒng)計(jì)表明，2010年～2016年，陸上危險(xiǎn)液體管道與電氣相關(guān)的失效事件頻率顯著增加，其中自2012年起電氣相關(guān)失效次數(shù)超過(guò)第三方開(kāi)挖損壞導(dǎo)致的失效。與電氣相關(guān)失效的主要原因是雜散電流腐蝕和雷擊，對(duì)陸上管道和站場(chǎng)設(shè)備設(shè)施的影響最為頻繁。

目前管道均按規(guī)范設(shè)計(jì)了防雷措施，但是近年來(lái)仍然發(fā)生多起因雷擊引起的管道燒蝕案例，造成的管道缺陷在防腐層內(nèi)側(cè)存在碳化痕跡，且有金屬顆粒飛濺，目測(cè)深度也較深。國(guó)內(nèi)外雷擊導(dǎo)致管道失效的部分案例如表 1所示。

表 1 國(guó)內(nèi)外雷擊管道典型事故案例

2  雷擊管道損傷機(jī)理分析

主要有三種機(jī)理：

（1）雷擊地表，電流在土壤中流動(dòng)，在大地周?chē)�形成�?qiáng)電場(chǎng)。

（2）電場(chǎng)力達(dá)到土壤的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，發(fā)生介電擊穿，在土壤中形成雷電流通道。

（3）雷擊電流沿著雷電流通道進(jìn)入防腐層破損點(diǎn)，引起管道燒蝕。

研究表明，若高壓輸電網(wǎng)絡(luò)與管線系統(tǒng)呈現(xiàn)交錯(cuò)狀分布，那么當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷電流可能會(huì)沿著輸電桿塔接地體流入到大地中，進(jìn)而可能擊穿管道與接地體之間的土壤；若雷擊同時(shí)造成線路絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，則短路電流會(huì)沿雷電流通道流向埋地金屬管道。這種以工頻電弧形式而出現(xiàn)的短路電流，若其電弧幅值高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，將會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。直擊雷電對(duì)管道的直接破壞首先因大電流對(duì)管道的防腐層破壞，后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)雷電流會(huì)進(jìn)一步對(duì)管道燒蝕穿孔。

當(dāng)管道附近上空即將產(chǎn)生雷電時(shí)，其下方大面積的地面形成一個(gè)靜電場(chǎng)，埋地管道也同大地一樣表面感應(yīng)出相反的電荷，當(dāng)電荷積累到一定程度而又具備了放電條件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一次強(qiáng)烈的放電過(guò)程。此時(shí)，云地電荷迅速消失，地電荷變?yōu)榱�。但是，由于PE三層優(yōu)良的絕緣性能，管道感應(yīng)電荷的泄放速度很慢，一旦發(fā)生管道的局部放電，其他部位的感應(yīng)電荷也將隨之對(duì)地消散，于是在管道內(nèi)形成一股強(qiáng)大的電流。對(duì)于絕緣層電阻較低的管道，電流會(huì)通過(guò)絕緣層的漏點(diǎn)大量消散，不會(huì)產(chǎn)生大的破壞力；然而，對(duì)于絕緣性能很好的管道，當(dāng)這種浪涌不能通過(guò)絕緣層本身的漏點(diǎn)快速泄放入地時(shí)，管道上絕緣或接觸不良的部位就會(huì)產(chǎn)生高電壓，引起二次電壓，這是輸氣管道設(shè)備、設(shè)施遭受雷電破壞的主要原因，由于金屬管道是一個(gè)良導(dǎo)體，很容易成為較大的直擊雷電的泄放通道而發(fā)生雷擊現(xiàn)象。

以表 1案例10為例，分析雷擊致管道損傷的成因。該X65管道缺陷開(kāi)挖驗(yàn)證時(shí)，剝除防腐層后發(fā)現(xiàn)類(lèi)似燒蝕的腐蝕坑，坑深 5.8 mm，如圖 1（b）所示。管道附近有高壓交流輸電線路，其與管道的最近距離約63 m，如圖 1（a）所示。

圖 1 高壓線附近管道缺陷位置及燒蝕坑形貌

管道本體外表面有黑色環(huán)氧粉末熔化痕跡，缺陷附近有多顆圓型金屬顆粒，如圖 2圓圈標(biāo)記所示，推測(cè)為該處管體缺陷在受熱形成期間管體金屬飛濺導(dǎo)致。通過(guò)實(shí)測(cè)圖 1（b）管道缺陷，其上下左右四個(gè)方向的尺寸均為11 mm；中間圓形缺陷的上下左右四個(gè)方向均為5 mm。同時(shí)，在該缺陷的外部邊緣，有金屬溢出凝固痕跡。由于現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕產(chǎn)物，同時(shí)有高溫熔化現(xiàn)象，因此可排除電化學(xué)干擾所致。

圖 2 缺陷附近并存在多顆圓型金屬顆粒

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室金相分析，缺陷處樣品金相組織為均勻的保持馬氏體位相的回火索氏體�？紤]到管道本體X65鋼金相組織為鐵素體加珠光體。因此，判斷缺陷處管體經(jīng)歷了加熱—冷卻過(guò)程。

燒蝕坑中心處金相組織（放大50倍）如圖 3（a）所示，可以看出，燒蝕邊緣組織與母材存在分層，但與靠近燒蝕坑邊緣截面相比，熱影響區(qū)分層不明顯且范圍較小，約為50μm～100μm。每層組織局部形貌（放大200倍）如圖 3（b）、圖 3（c）所示。

圖 3 燒蝕坑中心處金相組織

檢驗(yàn)缺陷處樣品硬度為860 HV1，可確認(rèn)樣品組織內(nèi)部含有殘余馬氏體，與金相分析的結(jié)論一致。基本確定該缺陷是由能量高度集中的源燒蝕造成的。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析：

（1）與干燥土壤相比，潮濕土壤更容易被雷電流擊穿，這增加了雷雨天氣時(shí)管道燒蝕的概率。

（2）當(dāng)高壓線桿塔與管道距離超過(guò)4.3 m（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量）時(shí)，管道風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度低于擊穿電壓（0.3 kV/cm），無(wú)法形成雷電流通道。實(shí)際桿塔距管道缺陷點(diǎn)為90 m，因此不是雷擊桿塔所致。距離缺陷點(diǎn)為200 m時(shí)，缺陷點(diǎn)附近的焦耳熱和轉(zhuǎn)移電荷量均很小，因此也不是雷擊所致。由此可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)燒蝕缺陷是由雷擊地表所致。其過(guò)程為：雷擊地表時(shí)，管道風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近能達(dá)到土壤的擊穿電壓，在雷擊點(diǎn)和管道缺陷點(diǎn)的土壤間會(huì)形成雷電流通道，大量雷電流會(huì)沿著雷擊通道進(jìn)入管道缺陷點(diǎn)，引起管道燒蝕。

（3）當(dāng)雷電流達(dá)到100 kA、管道缺陷點(diǎn)周?chē)?1.2 m范圍內(nèi)遭到雷擊，才可能形成雷電流通道，引起管道燒蝕。因此，管道日常巡檢過(guò)程中應(yīng)注意周?chē)?1.2 m范圍內(nèi)的高大構(gòu)筑物及受雷擊情況。

3  相關(guān)建議

（1）加密管道內(nèi)檢測(cè)周期。 管道本體的雷擊缺陷具有獨(dú)特的特征信號(hào)，一般出現(xiàn)在管頂位置，深度較深。將最新的管道內(nèi)檢測(cè)結(jié)果與上一周期的結(jié)果對(duì)比也可以輔助識(shí)別雷擊缺陷。若某缺陷特征突然出現(xiàn)，并且具有上述雷擊缺陷特征，則需進(jìn)一步驗(yàn)證該缺陷是否雷擊所致。因?yàn)楦�蝕導(dǎo)致的缺陷通常會(huì)隨著時(shí)間逐漸加深。值得注意的是，雷擊缺陷的實(shí)際最大深度遠(yuǎn)比內(nèi)檢測(cè)報(bào)告的還要深。

（2）縮短管道防腐層檢測(cè)周期。對(duì)于不能進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)的管道或者管道周?chē)?1.2 m范圍內(nèi)有樹(shù)木、輸電桿塔或其他高大建筑等，需要對(duì)管道防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行加密檢測(cè)，并且應(yīng)加大防腐層破損點(diǎn)的開(kāi)挖驗(yàn)證數(shù)量，及時(shí)進(jìn)行原因分析，并完成破損點(diǎn)修復(fù)。

（3）由于氣流在山腰或山腳受阻，形成渦旋，前后帶不同電的微粒群體撞擊形成雷電。使得山地管道更容易遭到雷擊。建議加強(qiáng)巡檢，作為重點(diǎn)關(guān)注外檢測(cè)管段。

（4）管道中心線兩側(cè)各11.2 m范圍內(nèi)，新建和改建鐵路、公路、河渠，架空電力線路，埋設(shè)地下電纜、光纜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮合理設(shè)置安全接地體和避雷接地體。

（5）如果發(fā)現(xiàn)已建管道上存在雷擊燒蝕缺陷，應(yīng)及時(shí)將熔化區(qū)打磨并補(bǔ)強(qiáng)以防止管道產(chǎn)生微裂紋，誘發(fā)失效。

（6）新建管道盡量遠(yuǎn)離高大建筑或者樹(shù)木。對(duì)于雷電多發(fā)區(qū)域，正常合理間距宜保持11.2 m以上；若不能避免，建議在新建管道11.2 m范圍內(nèi)，采用合理預(yù)防措施，以阻斷雷電流地中泄放。

（7）雷電多發(fā)區(qū)域的新建管道，建議與輸電線路桿塔保持5.5 m（大于4.3 m）間距以上，且輸電桿塔接地體應(yīng)遠(yuǎn)離管道一側(cè)敷設(shè)。因?yàn)樽匀唤缰谐�過(guò)200 kA的雷電流概率雖然很小，若擊中桿塔時(shí)，雷電流會(huì)沿著桿塔接地體流入到桿塔附近的管道中，帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。

下一期將為大家介紹 “某X70鋼管道建設(shè)期環(huán)焊縫裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)控措施”，并分享經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，敬請(qǐng)關(guān)注。

戴聯(lián)雙，博士， 1983年生，現(xiàn)就職于國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司，注冊(cè)安全工程師、二級(jí)安全評(píng)價(jià)師、管道檢驗(yàn)師。負(fù)責(zé)編寫(xiě)了《油氣管道安全防護(hù)規(guī)范》（ Q/SY1490），參與起草公安部標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣管道系統(tǒng)治安風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全防范要求》（ GA 1166）、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》（ GB 32167）等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)外期刊先后發(fā)表論文數(shù)十篇，參與編著了《管道完整性管理技術(shù)》《油氣管道事故啟示錄》《油氣管道清管技術(shù)與應(yīng)用》等書(shū)籍。近年來(lái)多次獲得中石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、管道科學(xué)獎(jiǎng)等。