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发电厂锅炉金属软接头:输气管道气液联动阀*缘卡套烧蚀案例研究
浏览: 发布日期:2018-04-12

输气管道气液联动阀*缘卡套烧蚀案例研究

许明忠 谭春波 向敏 夏祝福

广东省天然气管网有限公司 

 

 
 
 
 
 
 

摘要:高压直流输电线路的大规模建设使得其接地.附近油气管道及阀室的干扰问题日益严重,进而引发的阀室引压管及*缘卡套放电烧蚀问题逐渐突出,亟需开展相关研究来弄清其放电烧蚀的原因,并提出合理有效的防护措施。本文以广东省天然气管网有限公司从化分输站*缘卡套放电烧蚀为例,利用宏观测试、SEM测试、XRD测试、卡套性能测试以及现场测试相结合的方法对引起*缘卡套发生烧蚀的原因进行了分析,并提出了相关消减措施。

关键词:输气管道;*缘卡套;烧蚀;.高压直流干扰
 

 

 

随着高压(.高压)直流输电线路[1-6]和油气管道的大规模建设,管道沿线阀室遭受的直流干扰越来越严重[7-10],逐渐出现了引压管、*缘卡等重要零部件发电烧蚀的现象[2],这对油气管道来说是*个新的威胁。

2013年12月26日,广东管网从化分输站气液联动球阀 BV1101的 Line Guard 控制箱两根引压管之间管箍连接处出现小部分融化和引压管焦灼情况,同时安装于引压管上的*缘卡套表面颜色发黑,处于该*缘卡套正上方的引压管也有发黑的印记,且离*缘卡套左侧约5cm位置的塑料管卡下端被完全熔化,离*缘卡套右端约18cm处的塑料管卡下端也有熔化的现象,现场情况如图 1 所示。

 

图1现场*缘卡套发热受损情况

 

将*缘卡套拆卸下来之后,可以看到*缘卡套内部的*缘垫片已熔化仅余下端部的*小部分,如下图2所示。气液联动阀是天然气管道阀室和站场内的重要设备,在紧急情况下自动关闭阀门,切断下游管线,阻止天然气大量泄漏。作为气液联动阀的组件之*,*缘卡套对于维护管道的安全运行有着重要的作用。为找出引发事故可能原因,为今后的安全生产,可靠运行提*行之有效的技术支持,需要及时对潜在的问题进行评估,并提出经济可靠的防护措施。

 

图2失效的*缘卡套

 

1 实验室测试

 

1.1 形貌测试

利用电火花线切割的方法将放电烧蚀的*缘卡套组件进行切割,并对其进行宏观观察。之后,为了分析和判断失效样品的金相组织形态及弧坑深度,利用SEM和能谱仪对失效*缘卡套部件的变径管和螺帽部分进行分析。

1.2 烧蚀产物XRD分析

利用XRD对从现场收集*缘卡套组件的烧蚀黑色产物进行物相分析。扫描的角度为0~100°。

1.3 完好*缘卡套性能测试

为了解*缘卡套的原始性能参数,为失效原因查找提*对比,对于厂家提*的未经安装的*缘卡套进行了*缘性能测试和击穿耐压性能测试。实验中所使用的*缘卡套为Swagelok产品,型号SS-4-DE-6,与广东管网从化分输站内发生烧蚀事故的*缘卡套为同型号产品。

1.4 冲击电压叠加直流电源测试

采用图3所示的电路图进行冲击电压叠加直流电源实验。其中R1为限流电阻,阻止为1.4Ω,Pulse为安规测试仪,用来产生冲击电压,DC为直流电源,规格为100V/50A,P1和P2代表*缘卡套两端。

 

图3*缘卡套烧蚀实验室模拟电路图

 

.先利用安规测试仪施加冲击电压于*缘卡套两端,冲击电压限值设置为5kV,在进行下*步系列测试前对*缘卡套进行8次放电击穿。击穿后测试*缘卡套在50V时*缘阻抗是4MΩ,再次进行交流击穿的电压为200V,再次进行直流击穿的电压为70V左右。

按照实验电路连接好电路后,进行如下系列测试:

(1)关闭安规测试仪不提*冲击电压,将*缘卡套两端通过限流电阻R1连接到直流电源的正负.,开启直流电源,施加10V*100V的电源电压,每次测试直流电源电压增加10V,观察*缘卡套能否放电。

(2)关闭直流电源,开启安规测试仪,施加冲击电压到*缘卡套两端,冲击电压限值设置为500V,测试观察*缘卡套能否放电。

(3)直流电源和安规测试仪同时开启,直流电源设置的电流限值为4*,施加10V*100V的电源电压,每次测试直流电源电压增加10V。

实验结束后,测试烧蚀后的*缘卡套两端电阻。

 

2 测试结果与分析

 

2.1 宏观形貌分析

采用电火花线切割设备剖开*缘卡套组件之后,发现带凸台的变径管存在多处烧蚀的瘤疤,.大的*处中心位于带凸台变径管的斜侧面上,刚好与带螺纹的外六角螺帽处烧蚀瘤疤相对应,值得注意的是,外六角螺帽上除了有烧蚀瘤疤外,还可以看到与之对应的内六螺栓上存在机械损.痕迹,螺栓端头被挤压剪切突起,如图4所示。相应的,匹配螺栓螺母上的螺纹牙都可以看到明显的机械损.痕迹,推测是引压管安装过程中的.装配所致。根据Swagelok*缘卡套*应商的安装说明可知,安装过程中.止将扳手卡于六角螺母上进行借力,观察*缘卡套失效损.部件可知,该*缘卡套的安装过程中存在着不规范施工。

 

图4  (a) 变径管及螺帽内部烧.处外观形貌

图4   (b) 烧蚀坑部位示意图

 

带凸台变径管除了在斜侧面存在烧蚀的瘤疤外,于端部处也存在多处烧蚀瘤疤。切割剖开*缘卡套组件后,端部的喇叭形聚酰胺—酰亚胺*缘件、碳氟化合物(FKM)橡胶密封圈以及聚四氟乙烯(PTFE)垫圈已消失不见,推测为放电烧蚀过程中被高温熔融气化。带凸台变径管的烧蚀瘤疤较大,而接头处内表面只见较浅的烧蚀痕迹,如图5所示。

图5  (a) 变径管端部烧蚀瘤疤 

图5(b) 卡套接头内部烧蚀痕迹

 

2.2 微观分析

(1)变径管

1#*缘卡套组件变径管处烧蚀坑的SEM扫描电镜图如图6所示。烧蚀区高低起伏不*,分布分散,从中可以观察到熔融凝固及烧蚀孔形貌,原因是材料在烧蚀过程中,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,形成表面凹陷区域。*部分熔融液滴未能飞离烧蚀区域而落回材料表面,凝固冷却后形成了烧蚀区域内的突起物,如图6右侧所示。从图7中可以观察到烧蚀孔形貌,烧蚀孔的形成与熔融液滴自身的结合力以及颗粒飞溅的作用有关,也有可能是熔融液体中的气泡破裂后形成。

能谱分析表明,Fe、Cr、Mo、Ni为不锈钢基体所含元素,烧蚀后O含量明显提高,主要生成铁氧化物(Fe2O3、Fe3O4)。除了产生大量的铁氧化物之外,烧蚀孔周围来自于基体的Cr元素聚集。部分区域Si元素含量较高,夹杂微量的Br,疑似熔融密封胶圈的产物残留。

 

图6烧蚀产物显微形貌


图7烧蚀形貌及SEM能谱

图8孔洞烧蚀形貌及SEM能谱

 

(2)螺帽

螺帽处烧蚀坑的SEM扫描电镜图如图9所示。烧蚀区同样高低起伏不*,分布分散,从中可以观察到熔融凝固及烧蚀孔形貌,同时也可以观察到烧蚀孔洞,与变径管烧蚀瘤疤的显微形貌相类似。图9中可以看到烧蚀区B与螺纹基体A的明显分界,以及螺纹牙的机械损.翘起。

图9 (a) 烧蚀产物显微形貌与螺纹基体 (b) 烧蚀产物B处显微形貌

 

图10中烧蚀产物的箭头指示区域产生了烧蚀裂纹,裂纹主要由大块颗粒的根部产生,扩展倾向明显。对图中两个区域进行能谱分析,部分区域Si元素含量较高,夹杂微量的Br,疑似熔融密封胶圈的产物残留。Fe、Cr、Mo、Ni为不锈钢基体所含元素,烧蚀后O含量明显提高,主要生成铁氧化物(Fe2O3、Fe3O4)。

 

图10烧蚀产物裂纹形貌及SEM能谱

 

图11中可以观察到的烧蚀产物有棒状结晶烧蚀形貌,能谱分析表明含有大量的Si、Ca元素,应为*缘密封材料烧焦后对表层造成的污染。

 

图11棒状、球状烧蚀产物形貌及SEM能谱

 

2.3 烧蚀产物XRD分析

对于从现场收集*缘卡套组件的烧蚀黑色产物进行物相分析,结果如图12所。可以看出该黑色产物主要为铁的氧化物(Fe2O3、Fe3O4)。烧蚀过程中高温熔融的Fe与空气中的O2反应生成氧化亚铁,进*步氧化后形成四氧化三铁。烧蚀产物中未分析出*缘密封件碳化后的成分,原因可能是*缘密封件经高温气化挥发掉了。

图12烧蚀产物XRD

 

2.4 完好*缘卡套性能测试

根据厂家产品说明书,现Shafer气液联动机构所使用的*缘卡套标称*缘阻抗为直流电压10V时电阻值10MΩ,如下图所示:

 

图13*缘卡套结构

 

测试*缘卡套性能如下表所示。测试结果表明,单.测试*缘卡套的*缘阻抗或者击穿电压,均满足标准要求,性能合格。

 

将*缘性能和耐压性能有*定下降的*缘卡套进行*系列直流耐压测试。测试结果表明,*缘卡套经过多次击穿后,耐压性能下降。

2.5 冲击电压叠加直流电源测试

若关闭安规测试仪不提*冲击电压,利用直流电源给*缘卡套两端逐渐施加10V~100V的电源电压,实验过程中*直未观察到放电现象,表明回路中没有电流。

关闭直流电源后,开启安规测试仪,施加冲击电压(500V)到*缘卡套两端,仍燃观察不到放电现象。

同时开启直流电源和安规测试,直流电源设置的电流限值为4*,施加10V*100V的电源电压。实验过程中发现在电源电压为80V时,安规测试仪施加冲击电压于*缘卡套后,该*缘卡套被烧坏,发出噼啪的声响,同时观察到明显的放电火花和浓烟。

实验结束后,测试烧蚀后的*缘卡套两端电阻为2.13Ω,说明此时*缘卡套两端已实现阻性导通。

测试完毕后,将*缘卡套拆开,发现*缘卡套内部发生了烧蚀现象,烧蚀位置位于端部,由于放电过程较短,*缘密封件烧蚀现象明显,不锈钢管及螺纹帽尚未出现烧蚀坑。

从以上测试可以看出,*缘卡套在*缘耐压性能下降后,如果施加功率较大的外部干扰电源,*缘卡套内部可以出现持续的放电烧蚀。

图14实验模拟实验发生端部烧蚀的*缘卡套

 

3 干扰源分析

 

为了弄清从化分输站遭受干扰的原因,调取了事发点(进站阀组区)附近的监控视频,通过排查发现12月24日晚上18:30分开始,从化分输站 BV1101 气液联动球阀执行机构上开始出现光斑(如图15所示),直*该晚22:00,该光斑逐渐熄灭。通过光斑所在位置的对比分析,确定该光斑就是执行机构引压管受损*缘卡套所在位置。

图15从化分输站进站阀组区12月24日18时43分视频截图

 

通过多方面现场排查,了解到南方电网所管理的云广.高压直流输电统增城换流站在12月24日出现故障,在采取单.大地返回方式运行过程中,将电流泄放入清远市清新县鱼龙岭接地.(距离鳌广干线.近点直线距离约 10 公里),接地.入地电流为312* ,排流时间为18 时30分*22时41分,与从化分输站发现光斑的时间基本吻合。

 

在鱼龙岭接地.阳.放电312*期间,靠近接地.的管段吸收杂散电流,远离接地.的管道排出电流,致使管道电位正向偏移。失效*缘卡套所在位置管道对地电位正向偏移*几十伏,如图16所示。

 

图16高压直流输电线路单.运行时造成的干扰示意图

 

分析图1*缘卡套连接情况可知,右端(即变径管部分)与管道电连通,电位偏正,为阳.;左端(即六角螺帽部分)与接地连接,为阴.。*缘卡套变径管(阳.)烧蚀严重,六角螺帽部分(阴.)烧蚀较轻,与实验室模拟直流放电烧蚀测试的结果*致。

在2014年5月23日14时40分*15时11分鱼龙岭接地.阳.放电单.运行时,于受干扰的管道上测试到管道电位可正向偏移*140V。若是该140V的电压差施加于*缘卡套的管道侧和接地侧,同时该*缘卡套的耐压性能已低于140V,根据实验室模拟*缘卡套烧蚀试验的结果,该*缘卡套就有可能发生放电烧蚀。*缘卡套的耐压性能下降原因有很多,雷击浪涌击穿*缘材料导致*缘卡套*缘电阻减小,耐压性能降低;引压管*缘卡套安装过程中不规范施工导致*缘卡套内部机械损.,有利于.端放电的发生;引压管内部积水或者油等杂质污染降低了*缘卡套的*缘性能,降低了放电的门槛,也容易形成放电通路。

 

图17鱼龙岭接地.放电时 4#测试桩电位与接地.放电电流对应图

 

4 结论与建议

通过对广东管网从化分输站*缘卡套放电烧蚀的原因进行分析和*缘卡套烧蚀前后性能的测试,得出了以下结论:

(1)*缘卡套完好的情况下.次击穿电压基本在kV等*电压范围,多次击穿后,耐压性能下降;此时若施加功率较大的外部干扰电源,*缘卡套内部可以出现持续的放电烧蚀。

(2)高压/.高压直流输电接地.单.运行时会引起埋地管道的.高压直流干扰,进而引发输气管道气液联动阀*缘卡套的放电烧蚀。

基于研究结果,同时结合相关规程[11],本文提出了以下防护建议:

(1)规范引压管*缘卡套安装施工,在装配过程中严格按照厂家说明书和设计文件要求进行,在安装过程中*缘卡套的六角螺母部分严.受力;

(2)目前*内天然气管道进出阀室都没有设置*缘法兰,可以考虑选择低电压限峰值型号(如500V或200V)的等电位连接器将管道与阀室接地网连接。正常情况下,等电位连接器两端的管道侧和接地网*缘,当雷击来临时使得管道电位升高*所限峰值电压(如500V或200V),实现管道与接地网的等电位连接,有效防止*缘卡套被击穿。

(3)对阀室内现有的*缘卡套以及*缘垫片等*缘装置进行检查、更换,确保*缘卡套内部没有螺纹损.、内部积水、积尘。

(4)定期(每月或每季度)对阀室*缘卡套、*缘垫片等进行检查,重点检查其电*缘性能以及外观是否有烧蚀痕迹。

 

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作者简介:许明忠,男,1974年生,现在主要从事油气管道生产及管道保护管理工作。