北溪管道的建設(shè)進(jìn)展及特點

熊慶人, 高建忠, 李淑琴

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油玉門油田勘探開發(fā)研究院 甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

能源問題關(guān)系到國家安全和國家經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展能力，是世界各國普遍關(guān)注的問題之一。俄羅斯是一個能源大國，在東西伯利亞和遠(yuǎn)東具有豐富的油氣資源，是世界上天然氣儲量最多的國家，石油儲量亦居世界前列，在能源出口方面具有天然的優(yōu)勢。而歐盟作為俄羅斯的近鄰，能源資源十分缺乏，對能源進(jìn)口的需求度很高。在這種天然的能源需求互補的情況下，歐盟和俄羅斯在共同開發(fā)油氣田和修建油氣管道等方面取得了不少共贏的成果。

俄羅斯的石油、天然氣主要通過管道運輸，北溪天然氣管道(Nord Stream pipeline，North Transgas，North European Gas Pipeline，俄語：Северныйropean)是一條穿越波羅的海直達(dá)德國的離岸天然氣管道。本文介紹了已建成的北溪1號天然氣管道的情況以及正在建設(shè)的北溪2號天然氣管道的進(jìn)展，并分析了該管道的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等特點。

1 北溪管道

1.1 概況

北溪管道是由俄羅斯和部分歐盟國家(以德法為主)共同投資的跨國天然氣管道，全長1 200多公里，橫跨波羅的海海底，直接連接德國與俄羅斯兩國本土，通過俄羅斯、芬蘭、瑞典、丹麥和德國這5個國家的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和領(lǐng)海，其線路如圖1所示。其中北溪1號管道(圖1中標(biāo)為Nord Stream 的實線)已于2012年建成，北溪2號管道(圖1中標(biāo)為Nord Stream 2的點狀虛線)是對北溪1號的擴(kuò)充，其大部分線路是沿著北溪1號的線路延伸到德國。

北溪1號天然氣管道的入口位置在俄羅斯的維堡(Vyborg)，出口點在德國格賴夫斯瓦爾德(Greifswald)附近的盧布明，沿途最大水深為210 m。北溪2號管道的入口位置為更偏南的烏斯特魯加(Ust-Luga)港，其出口位置計劃在靠近北溪1號管道出口點的格賴夫斯瓦爾德區(qū)域。

圖1 北溪管道的線路圖

北溪1號管道項目包含兩條平行的海底管道，以及兩條海底管道系統(tǒng)的陸上部分，即到德國格賴夫斯瓦爾德接氣站長約0.5 km的管道及到俄羅斯維堡壓氣站清管器收發(fā)裝置出口約1.5 km的管道[1]。第一條管道敷設(shè)于2010年5月至2011年6月，于2011年11月正式投入使用。第二條管道敷設(shè)于2011年5月至2012年4月，于2012年10月正式投入使用。單條管道長度為1 222 km，設(shè)計輸量為275億m3/a，兩條管道的總輸量為550億m3/a。據(jù)報道，近年來俄羅斯通過北溪1號管道向德國供應(yīng)天然氣達(dá)1.647億方/天，超過管道設(shè)計輸量10%。

由于北溪1號管道已滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運行，俄羅斯于2015年提出修建第二條輸氣管道，即北溪2號。北溪2號管道的長度亦為1 200多公里，其設(shè)計總輸量與北溪1號相同，亦為550億m3/a，輸送時間至少為50 a，原計劃在2020年年中投入運行。北溪2號管道建成后，北溪管道的總設(shè)計輸送能力將達(dá)到1 100 億m3/a，大約可以滿足整個歐盟國家1/4的天然氣需求，或者是德國的全部需求還略有剩余,這在歐俄能源合作中將具有里程碑的地位[2]。

北溪管道是一條跨國天然氣管道，在敷設(shè)之前即對管道線路穿越的波羅的海地區(qū)進(jìn)行了全面的勘察研究，并根據(jù)重要的航道、環(huán)境敏感區(qū)和其它特殊地區(qū)對線路進(jìn)行了調(diào)整[3]。整個管道是按照其專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和領(lǐng)海所途經(jīng)的五個國家的國際公約和國家法律建造的。

1.2 北溪 2 號天然氣管道進(jìn)展

北溪2號管道是俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司(Gazprom，中文簡稱“俄氣”)與包括法國能源集團(tuán)(Engie)、德國意昂(E. ON)、德國巴斯夫集團(tuán)附屬公司溫特沙爾(Wintershall)、奧地利油氣集團(tuán)、殼牌在內(nèi)的五家歐洲能源公司的合作項目，是俄羅斯和Gazprom近年來繼中俄天然氣管道之后最重要的管道計劃。北溪2號管道自開始建設(shè)以來，即受到各方的廣泛關(guān)注，其主要進(jìn)展如下：

2015年6月，俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司與包括殼牌石油在內(nèi)的五家歐盟能源巨頭組成聯(lián)合公司，共同修建“北溪2號”。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司是北溪2項目運營商北溪 2公司的唯一股東。9月4日，俄氣與其它五家公司草簽了股東協(xié)議，北溪2項目步入實施階段。11月12日，六家公司在圣彼得堡確定了最終各股東所占份額，其中俄氣公司50%，其余五家公司各10%。該項目總造價預(yù)計約為95億歐元。

2016年3月11日，北溪2公司對工程用鋼管進(jìn)行了公開招標(biāo)。 2017年，全球最大的海洋油氣田開發(fā)平臺安裝及管路鋪設(shè)承包商瑞士Allseas公司與Gazprom下屬的北溪 2公司簽署鋪管合同，由“Pioneering Spirit”號主導(dǎo)“北溪2號”的鋪管工作。北溪2號管道用鋼管及鋪管情況如圖2所示。

圖2 北溪2號管道用鋼管及鋪管情況

2018年3月，該項目在德國取得了所有必須的施工許可，芬蘭也頒發(fā)了所有必要的建設(shè)和運營許可證。俄羅斯、瑞典、丹麥的國家許可程序的取得正在進(jìn)行。7月 18 日，美參議院通過了對參與北溪2號天然氣管道項目的實體實施制裁的法案。2019年12月20日，美國總統(tǒng)特朗普簽署了《2020年國防授權(quán)法案》，此法案中包括對參與“北溪2號”天然氣管道項目企業(yè)進(jìn)行制裁的條款。隨后，負(fù)責(zé)鋪設(shè)北溪2號天然氣管道的Allseas公司停止了該項目工作[4]。

根據(jù)“北溪2號”項目方發(fā)布的數(shù)據(jù)(截止2019年12月31日)，該管道設(shè)計總長約為2 460 km(兩條管道)，現(xiàn)已完成約2 300 km的鋪設(shè)(兩條管道)，項目投資已經(jīng)達(dá)到110億美元。

2 北溪管道的特點

2.1 技術(shù)特點

2.1.1 輸送方式

北溪管道是至今世界上輸氣量最大、長度最長的海底管道，是采用高壓超大輸量方式的代表性管道[5]。

北溪1號管道[6]采用了一泵到底的高壓輸送方式，在俄羅斯壓氣站的出口壓力為22.0 MPa，在德國出氣口的壓力為10.6 MPa。該管道的公稱外徑為1 219 mm(48 in)，隨著輸送距離增加管內(nèi)壓力下降，壁厚和外徑逐漸減小。該管道從俄羅斯到德國，前三分之一段壁厚為34.6 mm，中段壁厚為30.9 mm，后三分之一段壁厚為26.8 mm，在某些特殊地段的壁厚達(dá)41.0 mm。整條管線內(nèi)徑設(shè)計為1 153 mm。此外， 北溪1號管道還配置了非常先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化控制管理系統(tǒng)[7]。

北溪1號管道的建設(shè)和運營，為北溪2管道項目打下了良好的基礎(chǔ)，并提供了非常有價值的借鑒，北溪2號管道的技術(shù)參數(shù)及鋪設(shè)線路與北溪1號管道幾乎完全一致[7]。北溪2號管道設(shè)計亦為兩條平行的公稱外徑為1 219 mm的管道，內(nèi)徑設(shè)計亦為1 153 mm。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007進(jìn)行整理。整理后數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行One Way Anova方差分析。

表1給出了北溪管道技術(shù)參數(shù)及其與我國南海項目的對比。

表1 北溪管道及南海項目的主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 鋼管技術(shù)規(guī)范

北溪1號管道用鋼管所采用的基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為DNV-OS-F101規(guī)范，技術(shù)要求包括化學(xué)成分、斷裂控制、高尺寸精度要求、無損檢測、腐蝕試驗等，多項技術(shù)要求在DNV規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行了加嚴(yán)。

1)化學(xué)成分 北溪1號管道用鋼管鋼級為L485(X70)，管型為直縫埋弧焊管，其鋼管化學(xué)成分要求嚴(yán)于DNV規(guī)范。表2列出了北溪管道、南海項目用鋼管的化學(xué)成分要求。

表2 鋼管管體的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2)韌性。北溪管道用鋼管的夏比V型缺口沖擊韌性要求為：-30 ℃時，鋼管夏比V型缺口沖擊試驗沖擊能平均值≥50 J，單個值≥40 J；落錘撕裂試驗(DWTT)剪切面積≥85%[1]。 南海項目用鋼管的夏比沖擊試驗及DWTT要求如表3所示?？梢?，北溪管道對鋼管的韌性要求非常嚴(yán)格，對鋼管生產(chǎn)來說是一項挑戰(zhàn)。

表3 南海項目用鋼管的夏比沖擊試驗及DWTT要求

如前文所述，北溪2號天然氣管道的技術(shù)參數(shù)與北溪1號管道幾乎完全一致。文獻(xiàn)[8]表明，在-38 ℃下其鋼管夏比沖擊試驗剪切面積不小于90%，-48 ℃下鋼管橫向夏比沖擊吸收能不小于170 J，縱向不小于250 J。

3)尺寸偏差 對北溪管道來說，最大的挑戰(zhàn)還是鋼管的幾何尺寸精度。北溪管道用鋼管的內(nèi)徑偏差僅為1 mm，而DNV規(guī)范對管端直徑偏差要求為±1.6 mm；橢圓度的要求值為≤5.0 mm，而DNV規(guī)范對該規(guī)格焊管管端橢圓度的要求為≤7.5 mm； 直度要求比DNV 規(guī)范提高了50%。 幾條管道用鋼管的尺寸偏差要求見表4。

表4 焊管尺寸偏差要求

2.1.3 感應(yīng)加熱彎管

在俄羅斯和德國的登陸點，北溪1號項目需要幾種規(guī)格的強(qiáng)度高、低溫延性好、且由于設(shè)計壓力高而壁厚大的感應(yīng)加熱彎管。所有彎管均為整體淬火+回火(QT)，幾何尺寸公差要求嚴(yán)格，有資質(zhì)、有能力按照項目規(guī)范供應(yīng)大口徑彎管的公司很少。德國繆爾海姆的Salzgitter Mannesmann Grobblech GmbH(MGB)獲得了向北溪1號項目供應(yīng)38個大口徑彎管的合同，見表5。

表5 MGB向北溪項目供應(yīng)的大口徑彎管

10個48 in的彎管用于德國接收站， 28 in和38 in彎管分別安裝在俄羅斯海岸的壓氣站附近和德國一側(cè)的接收站附近。由于其使用工況不同，必須按照不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和試驗要求進(jìn)行生產(chǎn)，見表6。彎管母管為直縫埋弧焊管，由Eisenbau Kr?mer(EBK)制管廠生產(chǎn)。

表6 北溪管道用彎管母管的尺寸及生產(chǎn)規(guī)范

2.2 鋼管生產(chǎn)

北溪管道用鋼管由多家鋼管公司提供。北溪1號管道的大部分鋼管由歐洲鋼管公司生產(chǎn)(其中第1條管道占比75%，第2條管道占比65%)，俄羅斯和日本廠家也生產(chǎn)了一小部分[9]，俄羅斯維克薩鋼鐵廠為第1條管道提供了25%的鋼管，OMK鋼鐵廠為第2條管道供應(yīng)了25%的鋼管，其余鋼管由住友金屬提供。北溪2號管道的大口徑鋼管需求量約為220萬噸，與世界領(lǐng)先的鋼管公司簽訂了多項供貨合同[10]。

2.3 影響建設(shè)的其他因素

俄歐的能源貿(mào)易中主要通過管道來輸送天然氣，雙方不斷推進(jìn)新管道的開發(fā)建設(shè)，以促進(jìn)能源合作的多樣性。21世紀(jì)以來建設(shè)的天然氣管道有：亞馬爾-歐洲天然氣管道、藍(lán)溪天然氣管道、北溪1號天然氣管道，以及正在建設(shè)的北溪2號天然氣管道。而北溪管道被認(rèn)為是一個關(guān)乎歐洲能源持續(xù)和安全供應(yīng)的關(guān)鍵項目。

歐洲對天然氣進(jìn)口的需求量持續(xù)增長，但過境烏克蘭的陸上管線供氣不穩(wěn)定，使得俄羅斯迫切需要建設(shè)新的直達(dá)歐洲的天然氣管道，以提高對歐洲的天然氣供應(yīng)能力及供應(yīng)的穩(wěn)定性。北溪天然氣管道是俄羅斯向歐洲供氣的多樣化管道的一部分，該管道使俄羅斯可繞過烏克蘭、波蘭等國，直接將天然氣輸送到德國。自2012年北溪1號管道全面運營后，俄羅斯向歐洲輸送天然氣對烏克蘭的過境依賴從80%以上下降到一半左右[7]，提高了向歐洲供應(yīng)天然氣的可靠性。這為北溪2號管道的建設(shè)提供了動力。

但隨著國際形勢變化，俄歐關(guān)系進(jìn)一步緊張。另一方面，美國“頁巖氣革命”使天然氣產(chǎn)量急劇增加，開始與俄羅斯?fàn)帄Z歐盟市場。復(fù)雜的國際經(jīng)貿(mào)、地緣及國家關(guān)系等多重因素使北溪2號管道的建設(shè)面臨變數(shù)。

3 結(jié)束語

北溪管道采用了高壓大輸量的輸送方式，在DNV規(guī)范的基礎(chǔ)上提出多項更加嚴(yán)格的技術(shù)要求。北溪1號管道是俄歐能源合作的成功范例，該管道已滿負(fù)荷運行；北溪2號管道工程不單是能源合作，還涉及地緣政治等復(fù)雜問題。面對復(fù)雜的內(nèi)外部情況，以及突發(fā)的全球性新冠肺炎疫情，目前建設(shè)進(jìn)度已超過90%的北溪2號管道最終何時能夠建成投產(chǎn)還需拭目以待。