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绝缘垫片与绝缘材料在城镇燃气管道中的应用

- 2017-06-17-

绝缘垫片与绝缘材料在城镇燃气管道中的应用

1 概述

在城镇燃气埋地钢质管道的阴极保护系统中,为保证燃气管道的阴极保护效果,避免保护电流流失,在受阴极保护的埋地管道与未保护的管道之间设置电绝缘装置十分必要。城镇燃气管道中常用的电绝缘装置包括绝缘法兰和绝缘接头两种。本文对这两种绝缘装置进行剖析,并重点对绝缘接头的选用进行探讨。

2 绝缘法兰与绝缘接头

2.1 绝缘法兰

绝缘法兰是在两片平面法兰间加入绝缘垫片以实现电绝缘性能的法兰接头,它由一对钢制平面法兰、绝缘垫片、绝缘紧固件、绝缘密封圈以及与两片法兰分别相焊的钢质短管组成。绝缘法兰主要用于架空燃气管道中,在埋地管道的阀门井中也有应用,设置在截断阀的两侧。其主要作用是将燃气输配管道的管段间、设备与管道间相互绝缘隔离。绝缘法兰是早期城镇燃气阴极保护系统中主要的电绝缘装置。

绝缘法兰在使用过程中,存在如下不足:

①绝缘法兰的绝缘点较多,一旦某一处绝缘失效,整个绝缘法兰就导通,失去绝缘作用。

②绝缘法兰安装时要求现场清洁,环境干燥[1],否则,法兰间进入水等导电介质,将使其绝缘性能下降。

③绝缘法兰的绝缘电阻随时间延长而下降。

绝缘法兰受到上述条件的限制,影响到其电绝缘效果,在城镇燃气输配系统中,绝缘法兰逐渐被绝缘性能更好的绝缘接头取代。

2.2 绝缘接头

绝缘接头是根据绝缘法兰在使用中存在的问题进行改进的换代产品,相对绝缘法兰的缺陷,绝缘接头的优势十分明显。它不受工作环境影响,可架空或埋地,且绝缘效果好。现在已经开发出具有防爆、防雷击的绝缘接头,以避免雷击及静电积聚所造成的电绝缘失效,绝缘接头在城镇燃气的阴极保护中得到广泛应用。

绝缘接头的种类繁多,在实际工程项目中,最常用的是整体型绝缘接头。它由以下几部分组成:连接短管、左右法兰、联接套、绝缘垫片、U型密封环、绝缘填料(常用环氧树脂)等(见图l)。绝缘接头组装时,绝缘接头的左右法兰分别与两侧相应的连接短管焊接,用联接套将U型密封环、绝缘垫片、绝缘填料等材料封装起来,然后对联接套整体挤压并与右法兰焊接,联接套与左法兰的连接短管处用密封胶密封,通过联接套的封装,不仅保证了绝缘接头的良好绝缘效果,也提高了绝缘接头的承压能力。


 

3 绝缘接头的安装位置

绝缘接头的安装位置很重要,如果位置选择不合理,不仅无法实现电隔离,保护管道,而且还可能影响管道的安全运行。

按照GB/T 21447—2008《钢质管道外腐蚀控制规范》的要求,在埋地管道的下列位置应设置绝缘接头:

①管道与其他设施所有权的分界处;

②有阴极保护和无阴极保护的分界处;

③有防腐层的管道与裸管道的连接处;

④有接地的阀门;

⑤大型穿、跨越段管道有接地时,穿、跨越段的两侧。

对于上述绝缘接头的安装位置要求,笔者认为,要根据具体情况区别对待。

3.1 放散管及排污管上绝缘接头的设置

目前,城镇燃气厂站内一般在工艺区设置集中放散管,通过埋地放散管将工艺装置的放散气体引至集中放散管进行放散。另外,在工艺区还设有排污池,通过埋地排污管将工艺装置排出的生产废液输送至排污池集中处理。

通常工艺区的埋地管道除外防腐外,还需进行阴极保护,而地上设备以及管道仅进行外防腐。为防止地上管道或设备遭受雷击或静电积聚,地上管道或设备之间的法兰通常用导线跨接,然后利用防雷防静电接地极接地。按照规定,对于受阴极保护的埋地管道,为避免阴极保护电流流失,工艺区的架空管道与埋地管道间需进行电隔离。然而,燃气厂站工艺装置内放散点较多,如果工艺区的架空管道与埋地放散管连接处均设置绝缘接头,不仅造成造价增加,也存在安全隐患。这是因为,在燃气厂站气体高速放散过程中,在管道出入地面处会发生强烈振动,绝缘接头在这种工况下工作,有可能发生强度疲劳,绝缘接头密封处有可能发生泄漏。目前,燃气厂站工艺区架空管道与相应的埋地放散管及排污管连接处通常不设置绝缘接头。在对这部分埋地管道进行阴极保护时,应设置阴极保护测试桩,加强对埋地管道阴极保护性能的监测。在集中放散管附近,虽然埋地放散管道上设置绝缘接头,不过在绝缘接头的上游一般都设置锚固墩对管道进行固定,避免绝缘接头受到强烈振动而破坏其内部的密封性能。

3.2 进出站埋地管道上绝缘接头的设置

在进出燃气厂站的埋地工艺管道上应设置绝缘接头。这是因为厂站内外埋地工艺管道大多采用不同的阴极保护系统形式。如站外埋地管道采用强制电流阴极保护,而站内埋地工艺管道通常采用牺牲阳极保护,对于受两种不同阴极保护的埋地工艺管道应当用绝缘接头将其电隔离,一般绝缘接头设置在厂站围墙外2m处。如果厂站内外埋地工艺管道阴极保护形式相同,且站外管道与站内工程同时施工,站内工艺区至围墙之间的埋地工艺管道(架空管和排污管除外)可利用站外工艺管道的阴极保护系统进行保护,不一定在站外设置绝缘接头。可将绝缘接头设置在站内工艺区的架空工艺管道与埋地工艺管道连接处附近。

3。3 工艺装置区绝缘接头的设置

在城镇燃气厂站中,工艺区的工艺设备通常采用整体橇装形式,很多设备商都将绝缘接头集成在橇内,绝缘接头设置在橇座的进出口管道上,通过法兰与上下游管道连接。

笔者认为,绝缘接头采用架空安装虽然简单、安装方便,但也有不足之处。在厂站安装绝缘接头时,需结合厂站的防雷防静电系统统一考虑。否则,不但无法实现阴极保护的电隔离,还可能给管道安全运行带来隐患。如果防雷防静电接地线距离燃气管道太近,如小于电气反击的最小间距(一般为3~5m),当雷击发生时,防雷的接地装置会引起高电位,对邻近的埋地钢质管道放电,形成接地线A点与燃气管道上8点的电气反击(见图2) [2],轻则造成管道防腐层破损,重则使管道烧穿,引起燃气泄漏,酿成燃气事故。笔者认为,解决的办法是将绝缘接头埋地设置,并远离防雷防静电接地极(通常间距不小于5m)。很多厂站设计时,将绝缘接头设置在围墙外约2m处。


 

3。4 阀门井处绝缘接头的设置

在埋地管道的截断阀两侧通常也设置绝缘接头,将管道与阀门电气隔离。这主要是以前制造的阀门绝缘性不高,无法实现对地绝缘,为避免阴极保护电流流失才在阀门两侧设置绝缘接头。另外,早期的很多阀门材质为铸铁,与埋地燃气管道材质不同,通过设置绝缘接头将不同材质的管道与阀门隔开。然而,随着阀门制造技术的进步,阀门的绝缘防腐水平不断得到提高,阀门内外通过用环氧树脂静电粉末喷涂处理,阀门的防腐和对地绝缘性能得到大幅提高,已经实现直埋安装。同时,现在阀门与管道之间的材料匹配性已经解决,实现了直接焊接。笔者认为,对于直埋式管道截断阀,如果选用的阀门实现了对地电绝缘,同时阀门材质与相连接的管道材质相同,可以取消埋地阀门两侧设置的绝缘接头,不仅降低造价,也减少燃气泄漏点。

对于无法实现对地绝缘的直埋式截断阀,阀门材料与管道材料不匹配的直埋式截断阀以及法兰式截断阀,笔者认为应在阀门两侧配置绝缘接头或者绝缘法兰,然后用导线将阀门两侧的管道跨接,对管道进行统一的阴极保护,而阀门只进行外防腐,不进行阴极保护。

4 绝缘接头的防雷保护

在绝缘接头对管道进行电隔离时,也受到来自与之相接的地上管道或设备的不利影响。主要是雷电发生时,通过管道传递至绝缘接头的瞬时高压电流。虽然绝缘接头在制造时,已经进行了2。5kV的绝缘耐压试验,但雷击时在绝缘接头上产生的过电压可能超出试验值而损坏绝缘接头。根据规范要求,还应对绝缘接头进行防雷击过电压保护。

目前城镇燃气系统中,绝缘接头的防雷击过电压保护产品主要有锌接地电池、电火花间隙。

锌接地电池由一对纯锌棒组成,两支锌棒之间用绝缘垫隔开,然后安装在有填料包(填料主要成分为石膏粉、膨润土和工业硫酸钠等)的棉布袋中,通过电缆焊接在绝缘接头的两侧,以防止雷击产生的过电压对绝缘接头造成的破坏。无论地上架空安装的绝缘接头还是埋地绝缘接头,均可用锌接地电池进行保护。锌接地电池填料包通常竖直埋设在绝缘接头附近,其中心与绝缘接头外壁的垂直距离一般为3m左右,其顶部埋深不小于1m。锌接地电池安装方便,运行可靠,是绝缘接头过电压保护应用最广的产品。

电火花间隙也是一种常用的绝缘接头过电压保护装置。可有效防护直击雷和感应过电压对绝缘接头的损坏,并具有启动电压高,导通后电压低等特点。工频导通电压为1000V,当没有过电压发生时不动作。当有雷击导致绝缘接头两侧有过电压发生时,电火花间隙可在瞬间响应,放电间隙被击穿,将过电压限制在50V之内,保护绝缘接头不受过电压击穿。电火花间隙只能用于地上架空管道,固定安装在绝缘接头旁,它通过导线跨接在绝缘接头的两端。对于埋地安装的绝缘接头防过电压保护,一般选用锌接地电池。

5 绝缘接头压力等级的选择

根据SY/T 0516—2008《绝缘接头和绝缘法兰技术规范》,绝缘接头在工厂应完成水压试压,水压试验持续时间不小于30min。而城镇燃气厂站工程的施工一般执行GB 50540—2009《石油天然气站内工艺管道工程施工规范》,该规范中对管道的强度试验要求持续时间为4h。绝缘接头是否在项目现场同管道一起进行水压试验,规范尚无明确规定。但在实际项目中,有些业主提出绝缘接头要与站内管道一起进行水压试验。如果绝缘接头的设计压力与管道设计压力相同,在与管道一起进行水压试验时,其耐压试验时间将提高到4h,超出了绝缘接头出厂的水压试验耐压持续时间,将影响到绝缘接头的耐压可靠性。为此,绝缘接头选型时,笔者建议将绝缘接头的压力等级比管道设计压力高一个压力等级,这样比较合理。

6 结语

绝缘接头是城镇燃气阴极保护系统中的重要设备,其安装位置应根据实际情况灵活设置。另外,绝缘接头的防雷保护以及压力等级的选取也很重要,直接关系到燃气系统的安全运行。


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