CN107807088A - 一种故障电流对管道的烧蚀模拟试验专用装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种故障电流烧蚀管道的模拟试验装置，包括：故障电流发生器(1)，用于模拟管道附近的故障电流；高压示波器(2)，用于观察并保存放电电流波形；辅助电极(3)，用于组成极化回路；以及实际土壤环境箱(4)。还提供相应的模拟试验方法，包括：(1)采用数值模拟技术建模计算，获得故障电流对应的管道耐受电压；(2)在试验室中进行故障模拟试验，观察是否出现烧蚀；(3)遍历典型故障电流后获得故障试验后的烧蚀试片，对烧蚀试片进行分析，包括形貌观察、组织结构分析、力学性能分析以及剩余强度评估；(4)获得故障电流临界烧蚀条件，故障电流烧蚀对管道的影响结果以及选定故障时间下故障电流对应的管道耐受电压。

Description

一种故障电流对管道的烧蚀模拟试验专用装置及试验方法
技术领域
本发明涉及模拟试验领域，特别是涉及故障电流对钢制管道烧蚀机理研究过程中所需要进行的模拟试验领域。
背景技术
目前管线的腐蚀控制措施一般为外防腐层+阴极保护联合保护的方式，外防腐层材料通常为3LPE，然而对管道进行内检测开挖验证时，发现管道存在部分缺陷，剥除防腐层后出现类似烧蚀的腐蚀坑，管道附近有高压交流输电线路，其与管道的距离约63m，初步分析该烧蚀坑可能是由雷击或故障电流引起的。所谓故障电流是由绝缘损坏或绝缘被短接而造成的电流，然而，目前的现有技术中却并没有展开对于高压线塔故障电流在流入流出钢制管道时对管道本体造成的影响的研究，从而无法开展对于故障入地电流的防护措施的研究。
检索国内外关于埋地管道故障电流烧蚀等方面的相关文献，大部分集中在对于烧蚀案例的分析、形貌的定性分析以及发生的环境参数的一般性总结，对于参数与烧蚀的关系并没有开展过针对性的研究，少量对于烧蚀的试验研究方法、试验参数以及故障电流烧蚀的研究集中在数值模拟阶段，并没有在试验室完成实际的试验研究。
发明内容
本发明的发明构思在于通过试验室模拟试验研究故障电流对埋地管道的影响，并通过对烧蚀行为分析，试验前后试样组织结构及力学性能变化测试分析得到故障电流对埋地管道产生影响的电参数，利用数值模拟技术构建故障电流对埋地管道影响计算模型，研究各个参数对管道电参数影响规律，在此基础上，分析实际管道的烧蚀机理，并开展消减防护技术研究，包括：安全距离，电网方防护措施，管道方防护措施，得到故障电流烧蚀问题的综合消减防护方案。
为此，本发明的目的在于提供一种故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置，通过电流发生器进行输油管道的故障电流烧蚀试验，包括：
故障电流发生器(1)，用于模拟管道内的故障电流；
高压示波器(2)，用于观察并保存放电电流波形；
辅助电极(3)，用于组成极化回路，使试验样品有电流通过；
以及实际土壤环境箱(4)，用于提供管道附近发生故障电流时的实际土壤环境。
优选的，还包括分流器以及接地棒，所述分流器用于多次调节模拟试验的故障电流量，所述接地棒用于在模拟试验过程中对电容器进行放电。
优选的，所述故障电流发生器(1)包括单相调压器D，试验变压器T1、T2，高压硅堆G，电容器组C，脉冲触发器H，调波电感L以及调波电阻R。
优选的，所述辅助电极(3)采用电阻小，并且不容易发生极化的铂或者碳电极。
本发明的目的还在于提供一种故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，所述试验方法包括如下步骤：
(1)采用数值模拟技术进行建模计算，获得故障电流对应的管道耐受电压；
(2)在试验室中进行故障电流模拟试验，观察是否出现烧蚀，如果没有出现管道烧蚀，则提高故障电流继续进行模拟试验，如果出现管道烧蚀，则降低故障电流继续进行模拟试验；
(3)遍历典型故障电流后获得故障电流试验后的烧蚀试片，对烧蚀试片进行分析，包括形貌观察、组织结构分析、力学性能分析以及剩余强度评估；
(4)获得故障电流临界烧蚀条件，故障电流烧蚀对管道的影响结果以及选定故障时间下故障电流对应的管道耐受电压。
优选的，所述步骤(2)包括如下步骤：
(2-1)制备相同规格的管道试验样品(5)若干；
(2-2)检查单相调压器D、故障电流发生器(1)的放电球隙以及高压示波器；
(2-3)完成根据权利要求1-4任意一个权利要求所述试验专用装置的接线，并应尽可能缩短实验回路连接线，减小回环，以便减小测量误差；
(2-4)调节好点火球隙及其它各球隙距离；
(2-5)将调波电感L、调波电阻R及管道试验样品(5)短接，施加数千伏的充电电压，观察并保存放电电流波形；
(2-6)拆除上述短接线，调节球隙距离和调波电感L、调波电阻R的大小，使模拟故障电流的波形接近工频下波形，幅值接近于最大干扰，即100kA时的干扰电压，测量并记录通过管道试验样品(5)的故障电流和残压的波形，拍摄试验样品(5)的烧蚀情况；
(2-7)保持上述步骤(2-6)的接线不变，改变模拟故障电流的大小，即改变主电容的充电电压并调整触发球隙的距离，重复试验；
(2-8)调节不同故障电流下管道与附近土壤间的电压差，分别对管道试验样品(5)进行烧蚀试验，此后根据试验数据绘制出试验样品的伏安特性曲线，整理不同故障电流下管道的烧蚀图谱；
(2-9)对比实际烧蚀照片与烧蚀图谱，进一步调节模拟故障电流大小重复试验，使实验结果与实际烧蚀状况尽量接近，完善烧蚀图谱和伏安特性曲线。
优选的，所述步骤(2-4)中首先对各级电容器放电，再把接地棒挂在所要调节的铜球上后进行每次球隙距离的调节。
优选的，所述步骤(2-7)每次调波或更换试品及调节球隙距离时，均需切断电源，并对主电容进行充分放电，放电时必须先经过放电电阻放电再直接放电，然后把接地棒挂在主电容器上，以确保人身安全。
优选的，所述步骤(2-8)故障电流根据工况以及数值模拟技术的计算结果分别选择为100KA，80KA，60KA，40KA，20KA，10KA，5KA，1KA；所述管道试验样品(5)为20cm*20cm实际管线钢材料，并附有3PE防腐层(6)，所述防腐层(6)上制作3mm的缺陷；干扰持续时间为：5μs、10μs、20μs、30μs、 50μs、60μs、80μs、100μs、150μs、200μs。
优选的，所述模拟试验方法根据出现烧蚀情况，调整干扰电压和时间参数，将试验参数在靠近烧蚀临界值附近加密，其他偏离临界值较远的参数进行削减。
采用试验室模拟试验设备以及方法研究故障电流对埋地管道的影响，并通过对烧蚀行为分析，试验前后试样组织结构及力学性能变化测试分析得到故障电流对埋地管道产生影响的电参数，利用数值模拟技术构建故障电流对埋地管道影响计算模型，研究各个参数对管道电参数影响规律，在此基础上，就可以分析实际管道的烧蚀机理，并开展消减防护技术研究，包括：安全距离，电网方防护措施，管道方防护措施，得到故障电流烧蚀问题的综合消减防护方案，为长距离管道的腐蚀防护提供定性和定量的有益借鉴。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置结构视图；
附图2为根据本发明实施例的故障电流烧蚀管道的模拟试验方法原理图；
附图3为根据本发明实施例的模拟试验方法实验室部分的操作流程图；
附图4为根据本发明实施例的模拟试验方法中实际工况下故障烧蚀问题转化为试验室试验参数的原理图。
附图5为根据本发明实施例的故障交流电流对阴极和阳极的烧蚀形貌图。
具体实施方式
参见附图1，一种故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置，通过电流发生器进行输油管道的雷击电流烧蚀试验，包括：故障电流发生器1，用于模拟管道附近的雷击电流；高压示波器2，用于观察并保存放电电流波形；辅助电极3，用于组成极化回路，使试验样品有电流通过；以及实际土壤环境箱4，用于提供管道附近发生故障电流时的实际土壤环境，该专用装置还包括分流器以及接地棒，分流器用于多次调节模拟试验的故障电流数量，接地棒用于在模拟试验过程中对电容器进行放电。其中故障电流发生器1包括单相调压器D，试验变压器T1、 T2，高压硅堆G，电容器组C，脉冲触发器H，调波电感L以及调波电阻R，其中辅助电极的作用是与被测管道试样组成极化回路，使管道试验样品有电流通过。一般要求辅助电极本身的电阻小，并且不容易发生极化，辅助电极一侧的反应产物不严重影响试验样品的反应，本实施例使用铂或者碳电极做辅助电极，当辅助电极面积比研究电极面积大100倍时，辅助电极的极化可以忽略，当然也可以选择不容易极化的其他辅助电极材料。
采用该模拟试验专用装置进行故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，如图2故障电流烧蚀管道的模拟试验方法原理图以及图3模拟试验方法实验室部分的操作流程图所示，试验方法采用如下步骤进行：
(1)采用数值模拟技术进行建模计算，获得故障电流对应的管道耐受电压。针对该实施例进行建模计算的物理基础在于当高压输电线路发生故障时，会有大量电流通过杆塔接地极流入大地。在大地中形成强电场，附近管道穿越强电场产生电势差从而导致故障电流烧蚀，如图4所示。由于试验室无法模拟实际管道的长线性结构，因此采用室内冲击发生器模拟不同故障电流时情况下管道的“涂层耐受电压”(涂层两侧金属和土壤的电压差)进行试验，获得故障电流导致管道防腐层缺陷处(现场发现的缺陷尺寸)发生烧蚀的电参数。为了使得试验结果能与现场实际工况对应起来，采用数值模拟技术计算不同电流下管道与附近土壤间的电位差，并根据计算结果进行相应的试验室试验。在数值计算前，需要确定的是故障电流为工频(50Hz)电流，故障交流电流对阴极和阳极的烧蚀类似，如图5所示。因此，对故障电流进行分别试验，并总结烧蚀形貌以及烧蚀形貌特点，为现场烧蚀类型和机理分析提供基础，根据烧蚀形貌的规律和特点，现场烧蚀类型和机理分析可以进行区分。
(2)在试验室中进行故障电流模拟试验，观察是否出现烧蚀，如果没有出现管道烧蚀，则提高故障电流继续进行模拟试验，如果出现管道烧蚀，则降低故障电流继续进行模拟试验；其中在试验室进行的试验步骤包括：
(2-1)制备相同规格的管道试验样品5若干，管道试验样品5为20cm*20cm 实际管线钢材料，并附有3PE防腐层6，所述防腐层6上制作3mm的缺陷；
(2-2)检查单相调压器D、故障电流发生器1的放电球隙、高压示波器；
(2-3)完成根据权利要求1-4任意一个权利要求所述试验专用装置的接线，并应尽可能缩短实验回路连接线，减小回环，以便减小测量误差；
(2-4)调节好点火球隙及其它各球隙距离，注意操作时首先对各级电容器放电，再把接地棒挂在所要调节的铜球上后进行每次球隙距离的调节；
(2-5)将调波电感L、调波电阻R及管道试验样品5短接，施加数千伏的充电电压，观察并保存放电电流波形；
(2-6)拆除上述短接线，调节球隙距离和调波电感L、调波电阻R的大小，使模拟雷击电流的波形接近于工频下波形，幅值接近于最大干扰，即100kA时的干扰电压，测量并记录通过管道试验样品5的故障电流和残压的波形，拍摄试验样品5的烧蚀情况；
(2-7)保持上述步骤(2-6)的接线不变，改变模拟故障电流的大小，即改变主电容的充电电压并调整触发球隙的距离，重复试验，每次调波或更换试品及调节球隙距离时，均需切断电源，并对主电容进行充分放电，放电时必须先经过放电电阻放电再直接放电，然后把接地棒挂在主电容器上，以确保人身安全；
(2-8)调节不同故障电压下管道与附近土壤间的电压差，分别对管道试验样品(5)进行烧蚀试验，故障电压根据工况以及数值模拟技术的计算结果分别选择为100KA，80KA，60KA，40KA，20KA，10KA，5KA，1KA，干扰持续时间分别选择为5μs、10μs、20μs、30μs、50μs、60μs、80μs、100μs、150μs、 200μs，此后根据试验数据绘制出试验样品的伏安特性曲线，整理不同故障电流下管道的烧蚀图谱；
(2-9)对比实际烧蚀照片与烧蚀图谱，进一步调节模拟故障电流大小重复试验，使实验结果与实际烧蚀状况尽量接近，完善烧蚀图谱和伏安特性曲线；
(3)遍历典型故障电流后获得故障电流试验后的烧蚀试片，对烧蚀试片进行分析，包括形貌观察、组织结构分析、力学性能分析以及剩余强度评估；
(4)获得故障电流临界烧蚀条件，故障电流烧蚀对管道的影响结果以及选定故障时间下故障电流对应的管道耐受电压。
需要注意的是，该模拟试验方法进行过程中需要根据出现烧蚀情况，调整干扰电压和时间参数，将试验参数在靠近烧蚀临界值附近加密，其他偏离临界值较远的参数进行削减，这样才能获得更精确的试验结果。
试验证明：采用该模拟试验设备以及方法研究故障电流对埋地管道的影响，能够通过对烧蚀行为分析，试验前后试样组织结构及力学性能变化测试分析得到故障电流对埋地管道产生影响的电参数，并利用数值模拟技术构建故障电流对埋地管道影响计算模型，研究各个参数对管道电参数影响规律，进而分析获得获得故障电流临界烧蚀条件，故障电流烧蚀对管道的影响结果，选定故障时间下故障电流对应的管道耐受电压以及实际管道的烧蚀机理，并开展消减防护技术研究，包括：安全距离，电网方防护措施，管道方防护措施，得到故障电流烧蚀问题的综合消减防护方案，为长距离管道的腐蚀防护提供定性和定量的有益借鉴，为减轻故障电流对埋地金属结构物产生干扰影响而进行防护措施设计时，应当确定以下电力***参数：最大的运行负荷和事故期的负荷；最大的单向线对地故障电流和持续时间；最大的相间故障电流和持续时间；所用接地***的类型。阴极保护***的安全维护和测试程序在考虑和估计交流电对埋地金属结构物可能产生的交流干扰时，应同时考虑交流电对结构物阴极保护***的影响，以及遭受交流影响的结构物上阴极保护***的安全维护和测试程序。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种故障电流烧蚀管道的模拟试验装置，通过电流发生器进行输油管道的故障电流烧蚀试验，其特征在于包括：
故障电流发生器(1)，用于模拟管道附近的故障电流；
高压示波器(2)，用于观察并保存放电电流波形；
辅助电极(3)，用于组成极化回路，使试验样品有电流通过；
以及实际土壤环境箱(4)，用于提供管道附近发生雷击电流时的实际土壤环境。
2.根据权利要求1所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置，其特征在于：还包括分流器以及接地棒，所述分流器用于多次调节模拟试验的故障电流数量，所述接地棒用于在模拟试验过程中对电容器进行放电。
3.根据权利要求1所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置，其特征在于：所述故障电流发生器(1)包括单相调压器D，试验变压器T1、T2，高压硅堆G，电容器组C，脉冲触发器H，调波电感L以及调波电阻R。
4.根据权利要求1所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置，其特征在于：所述辅助电极(3)采用电阻小，并且不容易发生极化的铂或者碳电极。
5.一种采用权利要求1-4的故障电流烧蚀管道的模拟试验专用装置进行故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，其特征在于所述试验方法包括如下步骤：
(1)采用数值模拟技术进行建模计算，获得故障电流对应的管道耐受电压；
(2)在试验室中进行故障电流模拟试验，观察是否出现烧蚀，如果没有出现管道烧蚀，则提高故障电流继续进行模拟试验，如果出现管道烧蚀，则降低故障电流继续进行模拟试验；
(3)遍历典型故障电流后获得故障试验后的烧蚀试片，对烧蚀试片进行分析，包括形貌观察、组织结构分析、力学性能分析以及剩余强度评估；
(4)获得故障电流临界烧蚀条件，故障电流烧蚀对管道的影响结果以及选定故障时间下故障电流对应的管道耐受电压。
6.根据权利要求5所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，其特征在于所述步骤(2)包括如下步骤：
(2-1)制备相同规格的管道试验样品(5)若干；
(2-2)检查单相调压器D、故障电流发生器(1)的放电球隙以及高压示波器；
(2-3)完成根据权利要求1-4任意一个权利要求所述试验专用装置的接线，并应尽可能缩短实验回路连接线，减小回环，以便减小测量误差；
(2-4)调节好点火球隙及其它各球隙距离；
(2-5)将调波电感L、调波电阻R及管道试验样品(5)短接，施加数千伏的充电电压，观察并保存放电电流波形；
(2-6)拆除上述短接线，调节球隙距离和调波电感L、调波电阻R的大小，使模拟故障电流的波形接近于工频下波形，幅值接近于最大干扰，即100kA时的干扰电压，测量并记录通过管道试验样品(5)的故障电流和残压的波形，拍摄试验样品(5)的烧蚀情况；
(2-7)保持上述步骤(2-6)的接线不变，改变模拟故障电流的大小，即改变主电容的充电电压并调整触发球隙的距离，重复试验；
(2-8)调节不同故障电压下管道与附近土壤间的电压差，分别对管道试验样品(5)进行烧蚀试验，此后根据试验数据绘制出试验样品的伏安特性曲线，整理不同故障电流下管道的烧蚀图谱；
(2-9)对比实际烧蚀照片与烧蚀图谱，进一步调节模拟故障电流大小重复试验，使实验结果与实际烧蚀状况尽量接近，完善烧蚀图谱和伏安特性曲线。
7.根据权利要求6所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，其特征在于：所述步骤(2-4)中首先对各级电容器放电，再把接地棒挂在所要调节的铜球上后进行每次球隙距离的调节。
8.根据权利要求6所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，其特征在于：所述步骤(2-7)每次调波或更换试品及调节球隙距离时，均需切断电源，并对主电容进行充分放电，放电时必须先经过放电电阻放电再直接放电，然后把接地棒挂在主电容器上，以确保人身安全。
9.根据权利要求6所述的一种故障电流烧蚀管道的模拟试验方法，其特征在于：所述步骤(2-8)故障电流根据工况以及数值模拟技术的计算结果分别选择为100KA，80KA，60KA，40KA，20KA，10KA，5KA，1KA；所述管道试验样品(5)为20cm*20cm实际管线钢材料，并附有3PE防腐层(6)，所述防腐层(6)上制作3mm的缺陷；干扰持续时间为：5μs、10μs、20μs、30μs、50μs、60μs、80μs、100μs、150μs、200μs。
10.根据权利要求5-9任一所述的一种雷击电流烧蚀管道的模拟试验方法，其特征在于：所述模拟试验方法根据出现烧蚀情况，调整干扰电压和时间参数，将试验参数在靠近烧蚀临界值附近加密，其他偏离临界值较远的参数进行削减。
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