CN113655353A - 一种绝缘接头失效模拟实验系统及测试方法 - Google Patents

一种绝缘接头失效模拟实验系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种绝缘接头失效模拟实验系统及测试方法。所述系统包括土壤箱、实验管段、工况模拟系统、外加磁场系统以及绝缘性能测试系统。实验管段设置在土壤箱内，包括依次连接的保护侧管段、绝缘接头和非保护侧管段。工况模拟系统包括能够对保护侧管段进行保护的阴极保护模块和介质循环输送模块。外加磁场系统能够模拟漏磁检测产生的剩磁以及测量磁感应强度。绝缘性能测试系统能够测量管地电位。所述方法使用上述系统进行测试。本发明的有益效果可包括：提供一种针对管道漏磁检测过程造成绝缘接头的漏电失效现象和问题的实验系统的测试方法；用于分析不同服役环境下绝缘失效行为及关键影响因素。

Description

一种绝缘接头失效模拟实验系统及测试方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气运输领域，具体来讲，涉及输油气管道绝缘接头技术领域。
背景技术
绝缘接头是阴极保护管道系统中起电气隔离作用的重要部件，其作用是实现保护管段与非保护管段和设备电隔离，防止阴极保护电流漏失，提高阴极保护效率；存在杂散电流干扰时，绝缘接头可用于干扰区管段分段，或干扰区管段和非干扰区管段分隔，以减小杂散电流干扰对管道的影响程度和影响范围。
天然气、油品管道的绝缘接头在服役过程中受安装位置、输送介质等因素影响，可能出现绝缘性能降低和漏电的现象。近年来，在对天然气、油品管道现场调查和测试中发现，在服役年限长的管道上，由于长期的介质冲刷、清管检测器的磨损，绝缘接头内涂层逐渐失黏脱落或磨损失效、绝缘接头的绝缘性能降低、绝缘接头漏电失效的现象普遍存在。绝缘接头漏电失效严重影响管道阴极保护系统的运行，造成阴极保护电流流失、恒电位仪输出电流增大，阴保站远端管道极化电位偏低、保护效果降低，阴极保护系统的有效保护范围缩小等问题；同时，绝缘接头漏电还给杂散电流干扰防护中关键的管段分段隔离措施的有效性带来不确定性。
目前，对在役绝缘接头绝缘性能检测技术和方法有电位法、漏电电阻法、漏电率测量法和接地电阻测量法等。例如公开号为CN110609221A的中国发明专利所采用的便是漏电率测量法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，没有针对管道漏磁检测过程造成绝缘接头的漏电失效现象和问题的测试手段。
发明人经研究发现，在内部腐蚀介质作用下，钢制管道内都不同程度存在腐蚀产物，这类腐蚀产物主要成分为Fe3O4，Fe3O4为一种有磁性、易导电的铁氧化物。管道定期进行的漏磁检测使管壁残留剩磁，管壁残留剩磁使导电腐蚀产物在绝缘接头中间的绝缘件(绝缘垫片)表面吸附沉积，导电腐蚀产物层作为电子导体跨接绝缘垫片两侧管段，导致绝缘垫片两侧管段短接，导致绝缘接头漏电失效。
因此，本发明的目的之一在于针对存在磁性且易导电的腐蚀产物的天然气或油品管道，提供因在漏磁检测过程残留剩磁而对绝缘接头造成诸如漏电失效等问题的模拟实验系统和测试方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种绝缘接头失效模拟实验系统。所述系统包括土壤箱、实验管段、工况模拟子系统、外加磁场子系统以及绝缘性能测试子系统。实验管段设置在土壤箱内，包括依次连接的保护侧管段、绝缘接头和非保护侧管段。工况模拟子系统包括阴极保护模块和介质循环输送模块，阴极保护模块能够对保护侧管段进行保护，介质循环输送模块包括循环介质，且能够使循环介质在实验管段内流动。外加磁场子系统包括外部磁化件或内部磁化件，还包括特斯拉计，外加磁场子系统被配置为能够模拟漏磁检测产生的剩磁以及测量磁感应强度。绝缘性能测试子系统能够测量保护侧管段和非保护侧管段的绝缘状况。
进一步地，本发明的另一方面提供了一种绝缘接头失效模拟测试方法。所述方法使用上述系统进行测试，通过改变磁场强度模拟不同磁力下吸附腐蚀产物致密度对漏电率的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：能够用于分析不同服役环境下的绝缘失效行为及其关键影响因素，进而优化绝缘接头尺寸及结构；能够进行腐蚀产物对绝缘接头绝缘性能影响的判定；能够用于绝缘接头内涂层性能评价及类型筛选。
附图说明
图1示出了本发明的一个示例性实施例中绝缘接头失效模拟实验系统的结构示意图。
图中标记：
1-土壤箱，2-土壤，3-实验管段，31-保护侧管段，32-绝缘接头，33-非保护侧管段，4-内涂层，41-第一内涂层破损点，42-第二内涂层破损点，5-外涂层，51-第一外涂层破损点，52-第二外涂层破损点，6-恒电位仪，7-辅助电极，8-介质循环输送模块，81-循环介质，82-介质储存装置，83-循环动力装置，84-介质循环管，9-外部磁铁，10-特斯拉计，11-数字万用表，12-参比电极，13-保护侧管段的管地电位测量点，14-非保护侧管段的管地电位测量点。
具体实施方式
发明人经研究，发现在钢制管道内存在腐蚀产物的情况下，绝缘接头内部绝缘件表面的腐蚀产物吸附或沉积以及绝缘接头的漏电失效均和管道漏磁检测过程密切相关，但目前尚没有针对管道漏磁检测过程造成绝缘接头的漏电失效现象和问题的测试手段和评估方法。
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的绝缘接头失效模拟实验系统及测试方法。
在本发明中披露详细的说明实施例。但是，为了描述示例实施例的目的，本发明中披露的特定的结构和功能细节仅仅是代表性的。然而，本发明可以以诸多可替换的形式实施，并且不应当被解释为仅仅局限于本发明中陈述的实施例。因此，虽然示例实施例能够为各种修改和可替换的形式，但是，这些实施例在附图中以示例的方式示出并在这里被详细地描述。但是，应该理解，不应当将示例实施例限制为所披露的特定形式。相反，示例实施例覆盖落入在本公开的范围内的所有的修改、等同物和可替换物。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“结合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
图1示出了在本发明的一个示例性实施例中，所述绝缘接头失效模拟实验系统的示意图，所述实验系统包括土壤箱1、实验管段3、工况模拟子系统、外加磁场子系统以及绝缘性能测试子系统。
其中，实验管段3设置在土壤箱1内，同时，土壤箱1内还设置有土壤2，土壤2的量根据实验需要设置，例如，设置土壤2完全覆盖实验管段3以使实验管段3所处的环境更加接近真实管道所处的环境。
实验管段3包括依次连接的保护侧管段31、绝缘接头32以及非保护侧管段33。所述实验管段3可以为钢制管道。进一步地，实验管段3的内壁(包括保护侧管段31的内壁、绝缘接头32的内壁以及非保护侧管段33的内壁)可具有内涂层4或可不具有内涂层4。实验管段3的内壁具有内涂层4时，内涂层4可以为完整的内涂层或破损的内涂层，破损的内涂层可模拟涂层摩擦、冲刷后的失效场景。例如图1中所示，实验管段3的内壁具有内涂层4，内涂层4为破损的内涂层，破损部分可包括第一内涂层破损点41和第二内涂层破损点42，第一内涂层破损点41位于保护侧管段31上，第二内涂层破损点位于非保护侧管段33上。第一内涂层破损点41和第二内涂层破损点42的位置和尺寸可根据测试需求进行确定，以便于进行绝缘接头内涂层性能评价或类型筛选的实验。
实验管段3的外壁(包括保护侧管段31的外壁、绝缘接头32的外壁以及非保护侧管段33的外壁)可具有外涂层5，或可不具有外涂层5。实验管段3的外壁具有外涂层5时，外涂层5为破损的外涂层，破损部分可包括第一外涂层破损点51和第二外涂层破损点52，第一外涂层破损点51位于保护侧管段31上，第二外涂层破损点52位于非保护侧管段33上，以保证能够顺利施加阴极保护电流。进一步地，还可以在保护侧管段31和非保护侧管段33分别增加裸露金属模拟接地网，增大回路输出电流以便于现场测试。第一外涂层破损点51和第二外涂层破损点52的位置及尺寸可根据测试需求确定。
工况模拟子系统包括阴极保护模块和介质循环输送模块。阴极保护模块能够对保护侧管段进行保护，阴极保护模块通过外加强制电流方式对保护侧管段31施加阴极保护，以模拟真实管道的阴极保护。阴极保护模块可单独牺牲阳极，直接与保护侧管段连接。进一步地，如图1中所示，阴极保护模块可包括恒电位仪6和辅助电极7，恒电位仪6的一端与保护侧管段31远离绝缘接头32的一端连接，恒电位仪6的另一端与辅助电极7连接。
介质循环输送模块8包括循环介质81，且能够使循环介质81在实验管段3内流动，以模拟成品油运输。进一步地，循环介质81包括液态介质或气态介质，还包括腐蚀产物，以模拟真实管道在内部腐蚀介质作用下产生的腐蚀产物。进一步地，介质循环输送模块8还包括介质储存装置82、循环动力装置83和介质循环管84，介质储存装置82用于存储介质，循环动力装置83用于提供压力使循环介质81能够流动，进而实现在循环介质81在介质储存装置82、介质循环管84和实验管段3内的循环运输。
外加磁场子系统包括外部磁化件或内部磁化件，还包括特斯拉计，能够模拟漏磁检测产生的剩磁以及测量磁感应强度。外部磁化件可以为外部磁铁或外部电磁线圈等可磁化钢质管道的工具，用于模拟漏磁检测产生的剩磁，内部磁化件可以为内部磁铁等可磁化钢质管道的工具，可模拟漏磁检测产生的剩磁。特斯拉计，例如，毫特斯拉计可用于测量磁感应强度。
外部磁化件设置在实验管段的外壁，被配置为能够磁化实验管段，且能够沿实验管段的轴向方向移动。内部磁化件设置在实验管段的内壁，被配置为能够磁化实验管段，且能够沿实验管段的轴向方向移动。例如图1中所示，外部磁化件为外部磁铁9，特斯拉计10用于测量磁感应强度。外部磁铁9紧贴实验管段外壁且沿实验管段轴向移动以模拟漏磁检测产生的剩磁。当使用内部磁化件时，内部磁化件紧贴实验管段内壁且沿实验管段轴向移动以模拟漏磁检测产生的剩磁。
绝缘性能测试子系统能够测量保护侧管段31和非保护侧管段33的绝缘状况。例如通过测量保护侧管段和非保护侧管段两端的管地电位来测量保护侧管段31和非保护侧管段33的绝缘状况。例如图1中所示，绝缘性能测试子系统可包括依次连接的数字万用表11和长效参比电极12(例如，硫酸铜参比电极)，数字万用表11能够测量保护侧管段31和非保护侧管段33的管地电位，以对绝缘接头32的漏电和绝缘失效行为进行分析和评估，进而为绝缘接头32结构设计的优化提供支撑。保护侧管段31的管地电位测量点13与非保护侧管段的管地电位测量点14分别位于绝缘接头两侧。数字万用表能够与保护侧管段的管地电位测量点13或非保护侧管段的管地电位测量点14连接进行测量。进一步地，还可以通过漏电率法、电流环法、电压降法等方法及相关设备设施测量保护侧管段和非保护侧管段的绝缘状况。
实施例2
在本发明的一个示例性实施例中，所述绝缘接头失效模拟测试方法使用实施例1中所述的绝缘接头失效模拟实验系统。
所述绝缘接头失效模拟测试方法可包括以下步骤：
连接保护侧管道电位测试线、非保护侧管段电位测试线以及辅助电极测试线；
在土壤箱底部铺装薄层土壤后埋入辅助电极；
将待考察绝缘接头与保护侧管道和非保护侧管段连接后，置于土壤箱内；
将外部磁化件吸附于绝缘接头外缘模拟剩磁；
填埋长效参比电极并填埋土壤，此实验只测试导电性内腐蚀产物对绝缘接头性能的影响，使土壤高度满足阴极保护回路需求即可；
连接阴极保护模块，例如，打开恒电位仪开关对保护侧管段施加阴极保护；
连接输油管，打开介质循环输送模块，使循环介质在介质储存模块、介质循环管和实验管段内循环；
测量保护侧和非保护侧管段管地电位，这里，也可以直接测量保护侧和非保护侧管段管的电压降或管内电流变化；
根据测试结果动态调整测试周期；
当绝缘接头完好时，保护侧管段管地电位初始值应为阴极保护电位，非保护侧管段管地电位应为腐蚀电位；
随着介质循环，磁力作用下，Fe3O4在绝缘接头内壁沉积，逐渐引起保护侧管段和非保护侧管段跨接而分流部分阴极保护电流，并导致两侧管地电位发生变化；
通过绝缘接头两侧管段管地电位变化趋势即可分析剩磁作用下内腐蚀产物对绝缘性能的影响。
进一步地，还可以通过改变磁场强度模拟不同磁力下吸附腐蚀产物致密度对漏电率的影响。
综上所述，本发明的有益效果可以包括：
(1)能够提供一种目前没有的针对管道漏磁检测过程造成绝缘接头的漏电失效现象和问题的实验系统及测试方法；
(2)能够用于分析不同服役环境下绝缘失效行为及关键影响因素；
(3)能够用于绝缘接头及其内涂层性能评价及类型筛选，及测试绝缘垫片宽度是否可以避免因剩磁吸附腐蚀产物导致的漏电现象。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (9)

1.一种绝缘接头失效模拟实验系统，其特征在于，包括土壤箱、实验管段、工况模拟子系统、外加磁场子系统以及绝缘性能测试子系统，其中，
实验管段设置在土壤箱内，包括依次连接的保护侧管段、绝缘接头和非保护侧管段；
工况模拟子系统包括阴极保护模块和介质循环输送模块，阴极保护模块能够对保护侧管段进行保护，介质循环输送模块包括循环介质，且能够使循环介质在实验管段内流动；
外加磁场子系统包括外部磁化件或内部磁化件，还包括特斯拉计，外加磁场子系统被配置为能够模拟漏磁检测产生的剩磁以及测量磁感应强度；
绝缘性能测试子系统能够测量保护侧管段和非保护侧管段的绝缘状况。
2.根据权利要求1所述的绝缘接头失效模拟实验系统，其特征在于，所述实验管段内壁的涂覆情况为，完整内涂层、破损内涂层或无内涂层；实验管段外壁的涂覆情况为，破损外涂层或无外涂层。
3.根据权利要求1所述的绝缘接头失效模拟实验系统，其特征在于，所述外部磁化件设置在实验管段的外壁，被配置为能够磁化实验管段，且能够沿实验管段的轴向方向移动；所述内部磁化件设置在实验管段的内壁，被配置为能够磁化实验管段，且能够沿实验管段的轴向方向移动。
4.根据权利要求1所述的绝缘接头失效模拟实验系统，其特征在于，介质循环输送模块还包括介质循环子模块和介质循环管，介质循环子模块包括介质储存装置和循环动力装置，介质循环子模块的一端与保护侧管段连接，另一端通过介质循环管与非保护侧管段连接，循环介质在循环动力装置的作用下能够实现在介质储存装置、介质循环管和实验管段内的循环运输。
5.根据权利要求1所述的绝缘接头失效模拟实验系统，其特征在于，所述循环介质包括液态介质或气态介质，还包括腐蚀产物。
6.一种绝缘接头失效模拟测试方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1～5中任一项所述的绝缘接头失效模拟实验系统，通过绝缘接头两侧管段管地电位、电压降或管内电流变化趋势分析剩磁作用下内腐蚀产物对绝缘性能的影响。
7.根据权利要求6所述的绝缘接头失效模拟测试方法，其特征在于，通过改变磁场强度模拟不同磁力下吸附腐蚀产物致密度对漏电率的影响。
8.根据权利要求6所述的绝缘接头失效模拟测试方法，其特征在于，绝缘接头的泄漏电流使用电流环或管中电流检测仪定量测量。
9.根据权利要求6所述的绝缘接头失效模拟测试方法，其特征在于，保护侧管段和非保护侧管段的绝缘状况通过电位法、漏电率法、电流环法或电压降法测得。
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