天然氣長輸管道泄漏工況分析

孫 昭 洋

（遼河石油勘探局油田建設(shè)工程二公司 管道安裝二分公司， 遼寧 盤錦 124012）

天然氣長輸管道泄漏工況分析

孫 昭 洋

（遼河石油勘探局油田建設(shè)工程二公司 管道安裝二分公司， 遼寧 盤錦 124012）

天然氣長輸管道具有壓力高、流量大的特點，當管道發(fā)生泄漏或斷裂時，天然氣迅速擴散形成危險區(qū)域，當空氣中天然氣濃度達到爆炸極限，可能發(fā)生爆炸嚴重威脅生命安全。針對此現(xiàn)狀，對目前天然氣長輸管道發(fā)展現(xiàn)狀進行對比分析，多角度調(diào)研泄漏發(fā)生的原因，模擬分析空隙泄漏帶來的影響，并提出不同工況下應(yīng)對天然氣長輸管線泄漏的方法，為降低管道泄漏危害提供借鑒。

天然氣；長輸管道；泄漏

目前，隨經(jīng)濟的快速發(fā)展，天然氣長輸管線得到迅速發(fā)展，且隨科學技術(shù)的不斷提升，天然氣管線向高承壓、長運距、大輸量發(fā)展，與此同時，輸送安全成為十分重要的話題。在天然氣長輸過程中，管線常因各樣原因發(fā)生管線泄漏，泄漏的孔徑有大、有小，泄漏點發(fā)生的位置很難預(yù)測，對環(huán)境造成污染、浪費能源的同時，也為長輸管線以及周邊的人類生活帶來較大安全隱患[1]。因此，對天然氣長輸管線的泄漏工況發(fā)生的原因、產(chǎn)生的影響、需要采取的預(yù)防措施進行分析研究，對有效的減小泄漏工況帶來的損失具有重要意義。

1 天然氣長輸管道發(fā)展現(xiàn)狀

當前，天然氣長輸管道的發(fā)展重點為高壓力、新材質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)全球化。對于天然氣長輸?shù)膲毫?，各國要求不同，中國一般?0 MPa，俄羅斯為7.5 MPa，美國為12 MPa，壓力越高，風險越大，同時對管道的技術(shù)要求也越高，且一般來講，路上的天然氣管線壓力一般要比海底的天然氣管道小[2]。高壓要求鋼管的材質(zhì)也要更新，要求不僅重量輕，且對成本、抗壓性、安全性也提出更高要求，目前加拿大及法國等國家大力推行X80鋼管的使用，通過在鋼管表面添加合成材料，能在一定程度上提高管道的運行壓力、輸量、減小成本，保障安全[3]。由于天然氣資源的分布情況與天然氣使用密集區(qū)分布不均衡，天然氣長輸管道正在向國際化發(fā)展，其中亞太地區(qū)的天然氣管道的發(fā)展較快，中國與中亞、緬甸、俄羅斯等國家都進行天然氣管道合作，通過天然氣管道將各國緊密聯(lián)系起來。

2 天然氣長輸管道泄漏原因分析

2.1 陰保度較低或陰保失效

對于長輸管道的陰極保護，當陽極區(qū)電源供應(yīng)不順暢，導致陽極區(qū)的電阻增大時，恒電位移的工作不穩(wěn)定，使得管線運行的參數(shù)不穩(wěn)定，影響陰保的效率[4]。當陰保的電位進一步降低，低于正常的最低保護電位之時，陰極保護作用失效，增大長輸管線泄漏的可能性。

2.2 天然氣管線腐蝕開孔

天然氣管線受到的腐蝕作用，主要是由于管線金屬在其環(huán)境之下受到各類的電化學和化學作用的影響而產(chǎn)生損壞。管線因腐蝕作用，而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使得其失去原有的強度和韌度，從而原先致密的結(jié)構(gòu)變得疏松，最終可能導致金屬材質(zhì)脫落產(chǎn)生孔洞，腐蝕較為嚴重的管線不能再承受原設(shè)計壓力。腐蝕嚴重時，天然氣管線壓力仍按照設(shè)計壓力進行輸送，將會發(fā)生腐蝕穿孔，發(fā)生天然氣管道泄漏現(xiàn)象。因大多數(shù)天然氣管線多埋藏在地下，與外部土壤、雜散電流接觸時，更易發(fā)生腐蝕。同時，因天然氣中的某些腐蝕性的雜質(zhì)，會使其內(nèi)部也產(chǎn)生一定的腐蝕。腐蝕穿孔，為天然氣安全運行埋下隱患。

2.3 焊縫接口處存在泄漏

天然氣管線在運行時，隨著運行年限的增加，在管線焊縫接口處，常因初期接口的不牢固，存在一定的天然氣泄漏現(xiàn)象。在某些環(huán)形焊縫處，如存在某些未焊透、錯邊等缺陷，當受到外界壓力或輸氣本身的壓力作用時，缺陷極易擴展至臨界值從而因失穩(wěn)發(fā)生焊縫斷裂。此類因管線老化造成的天然氣泄漏在天然氣總泄漏中占有較大的比重，在浪費能源的同時，也帶來了較大的安全隱患。

2.4 管理機制不完善

天然氣長輸管線的安全生產(chǎn)和運行，需要定期的巡檢來做保證。只有定期、有效的巡查，才能更早的發(fā)現(xiàn)問題，更好的解決問題。但在我國天然氣管線運營過程中，天然氣管理機制存在一些疏漏，管理體制的不完善，使得天然氣泄漏問題得不到及時的發(fā)現(xiàn)，從而也很難較早的解決問題，造成較為嚴重的事故[5]。

2.5 人為因素的干擾

在天然氣長輸管線運行當中，因人為因素造成的管線泄漏也不占少數(shù)，此種因素主要分為兩方面：一方面為某些不法分子對輸氣管線進行有意盜竊破壞，造成泄漏事故發(fā)生；另一方面為伴隨城鎮(zhèn)化進程的加快，部分城鎮(zhèn)建筑物建造在天然氣管線上，違章建筑物對埋地管線造成了較為嚴重的擠壓，從而帶來安全隱患。

3 長輸管道泄漏的后果及預(yù)防措施

3.1 泄漏后果

泄露的發(fā)生對于天然氣長輸管線具有重要影響，當泄漏工況較輕時，對管線的安全運營尚未造成嚴重影響，此時泄漏帶來的是能源的浪費和環(huán)境的污染。當泄漏工況較為嚴重時，在造成能源浪費的同時，也會帶來極大的安全隱患，有可能引起管線爆炸等重大事故的發(fā)生，影響周圍人員的生命財產(chǎn)安全。

氣體泄漏擴散事故數(shù)據(jù)參照表見表1。

表1 氣體泄漏擴散事故數(shù)據(jù)參照表Table 1 Gas dispersion accident data reference table

空隙泄漏屬于較輕泄漏事故，但其發(fā)現(xiàn)較為困難，且如不及時進行發(fā)現(xiàn)處理，很容易造成事故危險加劇，帶來較大傷害。因此，為較為清晰的了解空隙泄漏的濃度場分布情況，對空隙泄漏進行了工程軟件模擬分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同泄漏時間下的組分濃度分布圖Fig.1 Distribution of concentration of composition in different leakage time

由不同泄漏時間下的泄漏氣體組分濃度分布圖可知，在泄漏剛開始時，甲烷氣體泄漏量很少，泄漏口附近的湍流作用較強，同時由于自然風從左側(cè)吹來，湍流作用左側(cè)強烈，此時表現(xiàn)為泄漏氣體湍流發(fā)展，且向左側(cè)擴散。隨泄漏時間的增長，泄漏氣體的分布逐漸趨于均勻，甲烷在空氣中的濃度分布逐漸呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在泄漏15 s時已經(jīng)表現(xiàn)出逐漸表現(xiàn)出一定的泄漏趨勢。在泄漏時間達到50 s后，空間的總體甲烷濃度分布規(guī)律明顯，呈現(xiàn)下側(cè)濃度大、上側(cè)濃度小的帶狀，且由于空氣自然風的原因，泄漏氣體帶向下風向傾斜。

3.2 泄漏檢測及定位

采用先進的檢測手段較為及時的發(fā)現(xiàn)管道泄漏點，正確有效的預(yù)測出管道泄漏的具體位置以及泄漏量，對保障管道安全運行具有重要意義。當前泄漏檢測的方法常用的主要分兩類：一類為直接檢測法，通過檢測泄漏物質(zhì)的濃度、氣味等；另一類為間接檢漏法，此種方法是基于泄漏時引起管道中流量、聲音、壓力等量的變化而發(fā)展來的。較為常用的為間接檢測法，依據(jù)測定的物理量的不同，間接測漏法又分為基于物質(zhì)平衡的檢漏法、基于壓力信號的檢漏法和基于放射性的檢漏法。在基于壓力信號的檢漏法中，又分壓力梯度法和波敏法，其原理為檢測泄漏時管道壓力的變化速率（如圖2、圖3所示），通過精密的檢測技術(shù)，確定泄漏事故發(fā)生的位置及泄漏量的大小。因我國管道一般在中間泵站不設(shè)置流量計，壓力梯度法與波敏法在現(xiàn)實應(yīng)用中具有較為廣泛的應(yīng)用價值。

圖2 基于壓力信號的檢漏方法Fig.2 Leak detection method based on the pressure signal

圖3 泄漏對壓力分布的影響Fig.3 Leak impact of the pressure distribution

3.3 及時的進行維搶修

天然氣長輸管道發(fā)生泄漏事故時，將會對人身財產(chǎn)帶來威脅，因此泄漏事故一旦發(fā)生，就需立即采取措施，以阻止事故的擴大，盡量減小事故的損失概率。

在進行維搶修作業(yè)時，首先要進行搶修準備工作，包括劃定警戒區(qū)域，對管道進行泄壓排空處理，以及沿管道軸向、徑向、下方開挖工作坑。然后針對不同的泄漏工況，采取不同的搶修方法，針對大面積腐蝕以及人為所造成的大面積斷裂，采取換管法，對于內(nèi)徑較大腐蝕的管道修復，采用補塊修復法，對于內(nèi)徑較小的管道，需要進行臨時性緊急修復的，采用管卡修復法。在對管道修復完后，需要對管道進行試壓、防腐以及回填的操作，以保證管道的安全生產(chǎn)[6]。

3.4 管道泄漏的預(yù)防

既然管道泄漏的危害如此嚴重，采取一定的預(yù)防措施則尤為重要，主要包括敷設(shè)防腐層、復合材料進行補強技術(shù)、陰極保護技術(shù)、防沖刷措施等。

敷設(shè)防腐層，選取優(yōu)質(zhì)的防腐層涂料，盡量選擇環(huán)氧粉末、三層PE作為防腐層，同時加強表面處理工藝，綜合考慮溫度、濕度、灰塵等因素的影響，進行回填作業(yè)時采用細土回填。

復合材料補強技術(shù)，對于腐蝕部位要通過纏繞碳纖維復合材料來進行管道強度的修復，從而使得管線在運行的情況下要恢復原有的設(shè)計壓力，達到較好的修復效果。

陰極保護技術(shù)，此項技術(shù)能較好的減小管線發(fā)生腐蝕泄漏的現(xiàn)象，其具體使用方法可分為犧牲陽極法、強制電流法以及排流保護法。在進行現(xiàn)場操作時，可針對具體的操作環(huán)境，對方法進行有針對性的選取。

防沖刷措施，管道內(nèi)天然氣流速過高會對管線造成沖刷磨損，也可能產(chǎn)生泄漏，從而要采取防沖刷措施。在管線彎頭處要進行加厚處理，減小清管時粉末對此處的沖刷磨損。為防止管道內(nèi)流速過快帶來的揚塵磨損，需要合理確定管道的末端儲氣量。

4 結(jié) 論

隨著長輸天然氣管道的增多和管道服役齡期的增長及油氣行業(yè)管理模式和相關(guān)制度的不斷完善，管道泄漏事故時有發(fā)生。一旦發(fā)生泄漏、擴散并遇到火源，則可能發(fā)生爆炸，給人們生命財產(chǎn)帶來極大損失。因此，對天然氣長輸管道管道泄漏原因進行多角度、全方位分析，充分了解泄漏可能帶來的后果，并且盡可能早的對泄漏工況進行維修處理，采取多種措施配合的方法來對天然氣管線泄漏進行預(yù)防具有重要意義。

［1］ 徐勝晗. 天然氣管道運行中存在的問題及對策分析[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2014(9):228.

［2］ 賈彥強, 邢曉龍, 蔣波沱,等. 國內(nèi)天然氣管道泄漏擴散研究進展[J]. 科技信息, 2013(7):206-206.

［3］ 鄧宏平, 李渝昌, 周旭. 天然氣長輸管道防泄露研究[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2014 (7):67.

［4］ 戴杰. 天然氣長距離輸送管道焊口的開裂泄露原因與防治[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2011 (11):290-290.

［5］ 王守鳳, 劉佳. 論天然氣管道泄露的主要原因及消除方法[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2013(14):270.

［6］ 閻鐘山, 米瑩, 高建華. 天然氣長輸管道泄漏的搶修與維護[J]. 天然氣與石油, 2002, 20(2):13-15.

Analysis on Leakage of Natural Gas Long-distance Pipeline

SUN Zhao-yang
（Liaohe Petroleum Exploration Bureau No.2 Engineering & Construction Company, Liaoning Panjin 124012，China）

Long-distance natural gas pipeline has the features of high pressure and large flow rate. The natural gas will quickly diffuse to form a dangerous area when the pipeline leakage or fracture crack happens. The explosion may occur when the concentration of natural gas reaches to the limit point, which will make the lives in danger. In this paper, the current status of the development of the natural gas length-distance pipeline was analyzed. The reasons to cause the pipeline leakage were researched. The impact of the clearance leakage was simulated and analyzed. Methods to deal with the long-distance gas pipeline leakage under different conditions was presented, which could give a hand to reduce the harm caused by pipeline leakage.

Natural gas；Long-distance pipeline；Leakage

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）10-2457-03

2015-04-05

孫昭洋（1990-），男，遼寧盤錦人，2012 年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：從事管道安裝。E-mail：1006144437@qq.com。