油氣管道在雷電流C分量下的損傷特征分析

2021-08-19 02:25:48張長秀畢曉蕾劉全楨劉寶全

實驗室研究與探索 2021年7期

張長秀，畢曉蕾，劉全楨，陶彬，高劍，劉寶全

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院；化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島266071）

0 引言

管道運輸與鐵路、公路、水運、航空運輸并稱為現代五大運輸方式，它承擔著大部分原油和天然氣的運輸，在經濟發展、社會安定和國防建設中發揮了重要作用［1］。隨著管道的大量鋪設和運行時間不斷延長，油氣管道因各種原因造成管道事故時有發生，特別是一些重大的油氣泄漏、火災爆炸等惡性事故對人身安全、自然環境造成巨大危害［2-3］。管道發生事故的主要因素有機械破壞、操作失誤、腐蝕、自然災害和第三方活動，其中自然災害占5%，所占比例不高，但由于其不可預估性，所以不可忽視［4-5］。在自然災害導致的管道事故中，雷擊事件時有發生，2002～2003年間，美國本土發生管道事故900余起，其中9%的事故是由自然災害導致［6］。雷擊不僅造成管道的破裂、穿孔、涂層燒蝕等破壞行為，從而導致油氣泄露、管線停輸，還可引發火災、爆炸等事故，對生命財產、自然環境和社會安全等帶來嚴重后果和惡劣影響。

近年來，國內外發生多起由雷擊引起的管道燒蝕事故，美國記錄過多次雷擊管道燒蝕事故，印度某管道也發生了類似的燒蝕現象。Quickel對美國一起管道雷擊事故進行了研究，該事故中一條21.91 cm×0.478 cm聚烯烴涂層管道因雷擊造成管道燒蝕，燒蝕最大直徑1.2 cm，厚度0.4 cm，初步分析了管道雷擊損壞的微觀特性［7］。國內也記錄過多起雷擊或疑似雷擊引起的管道穿孔或燒蝕損傷事件，但由于雷擊事件時間和地點的隨機性，開展實際雷擊對油氣管道損傷特征的研究存在較大困難。使用沖擊電流發生器對金屬材料進行模擬雷電流燒蝕損傷實驗成目前研究雷電流對金屬燒蝕損傷特征的主要研究手段［8-10］。本文借鑒實驗室模擬雷電流燒蝕金屬材料的實驗思路，使用沖擊電流發生器開展油氣管道模擬雷電流損傷實驗，研究雷電流對油氣管道的損傷特征，為油氣管道雷電防護提供參考價值。

1 實驗方案

1.1 實驗波形

目前國際普遍認可將雷電流分為沖擊電流分量以及連續電流分量，以區分兩種電流分量在電流參數以及損傷效應上的顯著差異［11-12］。金屬燒蝕損傷研究中采用的模擬雷電流波形普遍依據美國汽車工程師協會航空推薦標準中的規定，將模擬雷電流分為4個分量，分別為首次回擊電流分量（A分量）、回擊間連續電流分量（B分量）、長持續時間連續電流分量（C分量）以及繼后回擊電流分量（D分量）。其中A和D分量為沖擊電流分量；B和C分量為連續電流分量。標準中對4種電流分量的波形和組合時序的規定如圖1所示。

圖1 模擬雷電流分量的波形及其組合時序示意圖（電流幅值和時間標度未按照時間比例標注）

C分量由于持續時間長、轉移電荷量大，對金屬材料的燒蝕損傷作用最為嚴重，因此本文主要進行模擬雷電流C分量對油氣管道的燒蝕損傷特性分析研究，并改變油氣管道類型及連續電流分量參數，對油氣管道在C分量下燒蝕損傷特性進行分析。

本文使用自主研發的多脈沖多波形沖擊電流發生裝置產生實驗所用的長持續時間的連續電流。該沖擊電流發生裝置如圖2（a）所示，圖2（b）是模擬雷電流燒蝕損傷實驗樣品連接平臺，輸出模擬雷電流C分量波形如圖2（c）所示。

圖2 實驗設備和實驗波形

1.2 實驗方法

本研究基于現有模擬雷電流下金屬燒蝕損傷實驗的開展方法［8］，油氣管道燒蝕損傷實驗的布置方式示意圖如圖3所示。實驗采用棒板電極布置方式模擬雷電流電弧，并采用直徑0.2 mm的細銅絲作為引燃銅絲；采用抗燒蝕鎢銅合金（W80）電極來減小電極噴射現象；電極采用直徑為8 mm的半橢球形電極，為避免電弧弧根在被試金屬板表面移動從而減輕燒蝕損傷效果，選取較短的極板間距離，即4 mm［10］。按照上述實驗布置方式以油氣管道樣品為對象進行模擬雷電流下的燒蝕損傷預實驗。

圖3 油氣管道模擬雷擊燒蝕損傷實驗系統示意圖

實驗使用的油氣管道是5種不同類型的樣品，其具體規格參數如表1所示，為方便開展實驗，將樣品切割制作成12 cm×15 cm長方形樣本。實驗采用持續時間500 ms，電流強度分別為100 A/200 A/300 A/400 A的連續電流進行沖擊實驗，每組實驗重復3次。實驗結束后對樣品進行拍攝并采用圖像分析軟件Image J測量被試樣板燒蝕損傷區表面直徑和損傷面積，采用Leica可見光對損傷區形貌進行三維觀測，對損傷表面特征和損傷截面特征進行分析。

表1 樣品類型（管材）的規格參數

2 結果分析

2.1 燒蝕損傷區表面特征

2.1.1 無涂層金屬樣品的損傷特征

以電流強度為386 A，持續時間為496 ms的模擬雷電流C分量對4號樣品的損傷結果為例，綜合分析燒蝕損傷區的宏觀表面形貌特征。圖4為無涂層金屬管道板材燒蝕損傷區表面形貌特征，其中（a）為樣品損傷后在低倍放大下的整體形貌，（b）為損傷形貌的三維掃描結果，（c）、（d）、（e）為圖4（a）中標注的Ⅰ燒蝕污染區、Ⅱ燒蝕過渡區、Ⅲ芯部區域內局部高倍放大的顯微形貌。由圖4（a）、（b）可得，模擬雷電流C分量對無涂層金屬管道樣品的燒蝕損傷現象明顯，損傷區域集中，深度較深，無明顯噴濺現象。由圖4（c）可得，在Ⅰ污染區內，樣品表面覆蓋了一層污染物質，從圖5能譜分析結果來看，表面的污染物質主要成分是Cu、W，是燒蝕過程中電極和樣品燒蝕氣化物質殘留在樣品表面造成的。由圖4（d）可得，在Ⅱ過渡區內，燒蝕區的邊緣呈現出自燒蝕中心往外擴散的波紋狀漣漪；邊緣內側，損傷區內出現熔滴狀的凝固物且表面存在大量呈蜂窩狀的氣孔，表明無涂層管道樣品在燒蝕過程中弧根附近的鋼材經歷了融化和重新凝固。由圖4（a）可得，在Ⅲ燒蝕芯部，即弧根附近，損傷區較為平整，但由放大后圖4（e）可知，芯部存在大量的裂紋，損傷結果與文獻［7］中開挖的雷擊管道事故中的結果十分類似，如圖6所示。低碳鋼焊接工藝表明，焊接過程中產生的氫氣溶解在液態的鋼材中，而鋼熔體快速冷卻時氫氣溶解度急劇降低卻來不及逸出殘留在凝固的鋼材中導致焊縫內產生大量氣孔［13］，文獻［14-15］中表明管線鋼在焊接過程中，鋼體受熱出現固液共存的溫度區間，由于收縮應力的存在，會出現熱裂紋。因此本文認為無涂層管道在模擬雷電流C分量下的燒蝕損傷與鋼材的電弧焊接過程類似，均為鋼板在局部熱源的持續作用下，弧根附近的鋼材發生熔化并重新凝固，表面燒蝕損傷區內的大量氣孔為析氫氣孔，而靠近弧根的燒蝕損傷芯部的裂紋是鋼熔體熔化和凝固過程中產生的收縮應力所產生的。

圖4 金屬管道板材燒蝕損傷表面形貌

圖5 損傷表面元素分布圖

圖6 管道損傷形貌對比

2.1.2 防腐涂層管道樣品的表面損傷特征

實驗發現，不同電流強度模擬雷電流C分量對附著3PE防腐涂層管道樣品的損傷形貌特征一致。以電流強度358 A，持續時間495 ms的模擬雷電流C分量對3PE防腐涂層5號管道樣品的損傷結果為例，分析雷電流C分量下防腐涂層管道樣品燒蝕損傷區的表面形貌特征，如圖7所示。圖7（a）為防腐涂層管道樣品損傷后的整體形貌，可以看出樣品表面損傷按照損傷程度的差異可分為3個區域，分別是圖7（a）中的區域Ⅰ熱影響區，區域Ⅱ涂層焦化區和區域Ⅲ金屬燒蝕損傷區；圖7（b）為圖7（a）中的區域Ⅲ金屬燒蝕損傷區的高倍放大圖，圖7（c）為圖7（b）金屬燒蝕損傷區的三維掃描圖。由圖7可知模擬雷電流C分量對3PE涂層管材的損傷主要體現在對防腐涂層的損傷，對防腐涂層下的金屬也有一定損傷，但損傷程度較輕，在弧根附近樣品的金屬層有輕微燒蝕后熔化凝固的現象。圖7（a）中區域Ⅰ和Ⅱ是防腐涂層在電流燒蝕過程中受熱影響造成的損傷根據損傷程度的差異可分為焦化區（區域Ⅱ）和熱影響區（區域Ⅰ），焦化區防腐涂層在電弧的燒蝕作用下發生碳化、分解，損傷嚴重；熱影響區防腐涂層表面未出現碳化分解現象，但涂層紋理和顏色發生明顯變化，說明該區域內防腐涂層也受到電弧燒蝕作用的影響，但燒蝕影響程度小于焦化區。

圖7 3PE防腐涂層管道樣品損傷表面形貌

通過以上分析可得，模擬雷電流C分量對無涂層金屬管道樣品的燒蝕損傷明顯，以電弧為中心，靠近弧根的損傷芯部較為平整但出現大量裂紋，芯部外圍的損傷區內存在呈蜂窩狀氣孔的熔滴凝固物；對附著防腐涂層的管道樣品損傷主要集中在對防腐涂層的燒蝕，靠近燒蝕中心的防腐涂層出現碳化、分解，損傷嚴重。模擬雷電流對附著防腐涂層的管道樣品金屬部分的燒蝕損傷遠小于對無涂層金屬管道樣品金屬部分的燒蝕損傷，這可證明防腐涂層對管道遭受雷擊時候有明顯的保護作用。

2.2 燒蝕損傷區截面特征

由于顯微結構不同的鋼材組織經特定腐蝕液侵蝕后會在光學顯微鏡（OM）下顯示出不同的襯度，因此通過分析管道燒蝕樣品燒蝕損傷區截面的金相組織形貌可以進一步分析其燒蝕損傷區的截面幾何特征，進而深入認識金屬管道和防腐涂層管道樣品在雷電流C分量作用下的燒蝕損傷特征及差異。圖8（a）和圖8（b）分別為金屬管道和防腐涂層管道在389 A，496 ms

連續電流下C分量下燒蝕損傷區的截面經打磨、拋光、腐蝕后在OM下的金相組織整體形貌。由圖8中可以看出，金屬管道和涂層管道的燒蝕損傷區內管道的組織結構與管道基體區內的組織結構明顯不同；根據不同區域內鋼材組織結構的特征，可將燒蝕損傷區截面分為熔凝區和熱影響區。圖中，熔凝區、熱影響區以及鋼材基體區之間均存在明顯的分界。熔凝區為電流燒蝕過程中鋼材熔化并重新凝固后所形成的區域，因此熔凝區的形態即為鋼熔體在弧根附近聚集所形成的熔池的形態；熱影響區內的溫度在電流燒蝕過程中未達到鋼材熔點，但由于受來自熔池內鋼熔體傳導熱量的影響，該區域內鋼材受熱發生固態相變，因此熱影響區的形貌反映了燒蝕過程中鋼材內部的熱量傳導情況。

圖8 管道樣品損傷截面形貌

金屬管道熔凝區下部的熱影響區近似呈“弓狀”且延伸厚度較厚，涂層管道的熱影響區為半橢圓形，沿熔凝區下邊界呈輻射狀略微向下延伸，這表明金屬管道熔池內鋼熔體溫度較高且存在較大的溫度梯度，鋼熔體向周圍未熔化鋼材內傳導的熱量均勻地呈輻射狀分布，影響范圍更大，而涂層層管道的熔池溫度集中在熔池內部，及向上影響防腐涂層，對下層未熔化鋼體的熱傳導較少。金屬管道燒蝕損傷區沿管道樣品表面延伸的寬度明顯大于涂層管道燒蝕損傷區所對應的寬度，即金屬管道內所形成的熔池在管道表面的直徑更大。然而，金屬管道的熔凝區在管道厚度方向的深度略小于涂層管道熔凝區所對應的深度，且熔凝區下邊界的曲率明顯小于涂層管道熔凝區下邊界的曲率。結合兩種熱影響區的深度和形狀以及熔凝區的損傷面積可知，連續電流C分量作用下防腐涂層管道在分解、炭化和燃燒過程中所吸收的電弧能量大于其燃燒釋放的能量，進而降低了外部電弧向防腐層下鋼材注入的能量，但涂層的覆蓋也使得電弧在管道表面的作用更集中，因此涂層管道金屬部分的損傷面積小，深度卻深。

2.3 不同電流強度的損傷差異

統計分析了5種不同類型的管道實驗樣品在不同電流強度的模擬雷電流C分量下的損傷差異，圖9是5種管道樣品損傷直徑和損傷面積隨電流強度的變化。其中損傷直徑和損傷面積指的是金屬燒蝕區的損傷直徑和面積，有3PE防腐涂層的實驗樣品的測量未包含3PE防腐涂層部分的損傷直徑和面積。使用圖像分析軟件Image J進行直徑測量時取損傷區域的最大直徑。從圖中可以看出，在不同幅值的模擬雷電流C分量下，5種類型管道樣品的損傷直徑和損傷面積均隨著電流增加而增加，趨勢近于線性增加。由圖9（a）可見，不同型號的板材在同一電流強度下的損傷結果一致，不同型號的管材在同電流強度下的損傷結果也一致，在相同強度電流下兩種型號板材的損傷直徑和損傷面積小于兩種型號管材的損傷。關于板材損傷面積小于管材的損傷面積，本文認為是由于管材與板材表面粗糙程度和組織結構的差異造成的，圖10是250倍電鏡下4種未損傷樣品的表面形貌。實驗中還發現，同電流強度下，管材的損傷深度淺于板材。所以在C波燒蝕過程中，管材的熱量集中在表面，造成表面損傷面積更大。有防腐涂層樣品的金屬損傷區損傷直徑和損傷面積遠小于無涂層樣品的損傷。