天然氣管道泄漏事故的原因分析與防范措施探討

杜超 胡慶勇

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300457）

0 引言

天然氣是一清潔、高效、低碳的能源，廣泛運(yùn)用于工業(yè)、民用、交通等領(lǐng)域。伴隨天然氣需求的增長(zhǎng)，相應(yīng)的天然氣管道也在不斷延伸和擴(kuò)建，成為主要的天然氣運(yùn)輸與分配方式。然而實(shí)踐中，天然氣管道往往存在著有一些安全隱患，如腐蝕、磨損、變形、開(kāi)裂等，可能導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生。相關(guān)事故一旦發(fā)生，勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的安全及環(huán)境問(wèn)題，不僅會(huì)危及人員與財(cái)產(chǎn)，還可能會(huì)引發(fā)大氣污染及溫室效應(yīng)。

對(duì)此，為防范及減少天然氣管道泄漏事故的發(fā)生，相關(guān)責(zé)任單位應(yīng)深入分析其原因，并采取防范措施，確保安全。

1 天然氣管道泄漏事故的主要原因

影響天然氣管道泄漏事故的因素可大致分為內(nèi)部與外部?jī)深?lèi)。其中，內(nèi)部因素主要是指與管道本身的材料、結(jié)構(gòu)、壓力、溫度等相關(guān)的各類(lèi)因素；外部因素則是指與管道周?chē)刭|(zhì)條件、環(huán)境因素、人為干擾等相關(guān)的各類(lèi)因素?；诓煌蛩?，天然氣管道泄漏事故可分為以下4 類(lèi)。

1.1 腐蝕泄漏

腐蝕泄漏是指由于管道材料與介質(zhì)或環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致管道壁厚度減小，強(qiáng)度降低，最終形成孔洞或裂紋而引發(fā)的泄漏。腐蝕泄漏可分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種：

1）內(nèi)腐蝕是指由于管道內(nèi)部的天然氣或凝析水等介質(zhì)對(duì)管道材料的侵蝕，導(dǎo)致管道壁厚度不均勻或局部破壞而發(fā)生的泄漏。

2）外腐蝕是指由于管道外部的土壤、水、空氣等環(huán)境對(duì)管道材料的侵蝕，導(dǎo)致管道表面或接頭處出現(xiàn)銹斑或穿孔而發(fā)生的泄漏。

通常來(lái)說(shuō)，腐蝕泄漏常緩慢發(fā)展，但在某些條件下可能突然加劇，造成嚴(yán)重后果。

1.2 磨損泄漏

磨損泄漏是指由于管道與其他物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致管道表面或接頭處出現(xiàn)磨損或劃傷而發(fā)生的泄漏。磨損泄漏可分為內(nèi)磨損和外磨損兩種：

1）內(nèi)磨損是指由于管道內(nèi)部的天然氣或凝析水等介質(zhì)中含有固體顆?；蛞旱蔚入s質(zhì)，對(duì)管道材料產(chǎn)生沖刷或磨擦，導(dǎo)致管道壁厚度減小或局部破壞而發(fā)生的泄漏。

2）外磨損指由于管道外部的土壤、巖石、工具等物體對(duì)管道材料產(chǎn)生摩擦或撞擊，導(dǎo)致管道表面或接頭處出現(xiàn)劃傷或凹陷而發(fā)生的泄漏。

磨損泄漏通常會(huì)隨時(shí)間和運(yùn)動(dòng)頻率增加而逐漸發(fā)展，但在某些條件下可能突然惡化，造成嚴(yán)重后果。

1.3 變形泄漏

變形泄漏是指由于管道受到過(guò)大的應(yīng)力或應(yīng)變，導(dǎo)致管道出現(xiàn)彎曲、扭曲、屈曲、擴(kuò)張等變形而發(fā)生的泄漏。變形泄漏可分為靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)變形兩種：

1）靜態(tài)變形是指由于管道受到恒定或周期性的載荷，如自重、土壓力、溫度應(yīng)力等，導(dǎo)致管道出現(xiàn)持久性或循環(huán)性的變形而發(fā)生的泄漏。

2）動(dòng)態(tài)變形是指由于管道受到突然或隨機(jī)的載荷，如地震、滑坡、沖擊等，導(dǎo)致管道出現(xiàn)暫態(tài)或難以預(yù)測(cè)的變形而發(fā)生的泄漏。

變形泄漏通常在超過(guò)管道材料的彈性極限或發(fā)生塑性變形（斷裂）時(shí)發(fā)生，可能導(dǎo)致管道的泄漏率或泄漏量急劇增加。

1.4 開(kāi)裂泄漏

開(kāi)裂泄漏是指由于管道材料中存在或產(chǎn)生了裂紋，導(dǎo)致管道出現(xiàn)滲漏或斷裂而發(fā)生的泄漏。開(kāi)裂泄漏可分為初始開(kāi)裂和擴(kuò)展開(kāi)裂兩種：

1）初始開(kāi)裂指由于管道材料中存在的缺陷，如夾雜、氣孔、夾層等，或者由于管道材料受到的腐蝕、疲勞、蠕變等作用，導(dǎo)致管道材料中產(chǎn)生了初始裂紋而發(fā)生的泄漏。

2）擴(kuò)展開(kāi)裂指由于管道材料中已有的裂紋受到應(yīng)力集中、應(yīng)力腐蝕、氫致開(kāi)裂等作用，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展而發(fā)生的泄漏。

開(kāi)裂泄漏通常在達(dá)到管道材料的斷裂韌度或臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)發(fā)生，可能導(dǎo)致管道的瞬時(shí)破壞或?yàn)?zāi)難性事故。

2 天然氣管道泄漏事故的檢測(cè)與定位技術(shù)

檢測(cè)與定位是預(yù)防、應(yīng)對(duì)天然氣管道泄漏事故的重要環(huán)節(jié)，目的在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和確定泄漏的位置與程度，為事故的控制與處理提供依據(jù)。

目前，應(yīng)用于天然氣管道泄漏事故檢測(cè)與定位的主要技術(shù)有聲學(xué)技術(shù)、光纖技術(shù)、氣體傳感器技術(shù)等。

2.1 聲學(xué)技術(shù)

聲學(xué)技術(shù)是利用聲波在介質(zhì)中傳播的特性，用以檢測(cè)和定位天然氣管道泄漏事故的技術(shù)[1]。聲學(xué)技術(shù)可分為主動(dòng)聲學(xué)技術(shù)和被動(dòng)聲學(xué)技術(shù)。主動(dòng)聲學(xué)技術(shù)，主要是通過(guò)向管道內(nèi)注入人工聲源，如超聲波、沖擊波等，然后通過(guò)接收器接收反射或透射的聲信號(hào)，來(lái)判斷是否存在泄漏及其位置與程度。被動(dòng)聲學(xué)技術(shù)，則主要通過(guò)接收器接收管道內(nèi)自然產(chǎn)生的聲信號(hào)，如渦流噪聲、湍流噪聲等，來(lái)判斷是否存在泄漏及其位置與程度。

聲學(xué)技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種直徑和壓力的天然氣管道，但也存在受環(huán)境噪聲干擾、難以區(qū)分不同類(lèi)型和大小的泄漏、對(duì)管道壁厚度和材料敏感等缺點(diǎn)，實(shí)踐中，使用者需采取一些措施提高信噪比和準(zhǔn)確性。

2.2 光纖技術(shù)

光纖技術(shù)是利用光纖在光源激勵(lì)下產(chǎn)生的光學(xué)特性，來(lái)檢測(cè)和定位天然氣管道泄漏事故的一種技術(shù)。光纖技術(shù)可分為光纖光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）、光纖布里淵散射技術(shù)（BOTDR）和光纖拉曼散射技術(shù)（ROTR）等。光纖技術(shù)的原理是將光纖作為傳感器，沿著管道埋設(shè)或固定，然后通過(guò)激光器向光纖內(nèi)注入光脈沖，通過(guò)接收器接收光纖內(nèi)產(chǎn)生的反射或散射的光信號(hào)，根據(jù)光信號(hào)的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位等變化，來(lái)判斷是否存在泄漏及其位置與程度。

光纖技術(shù)具有分辨率高、覆蓋范圍廣、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，適用于長(zhǎng)距離和復(fù)雜環(huán)境的天然氣管道，但也存在受溫度、濕度、應(yīng)力等因素影響、需專(zhuān)業(yè)設(shè)備與人員、成本相對(duì)較高等缺點(diǎn)，實(shí)踐中，使用者需采取一些措施提高穩(wěn)定性與可靠性。

2.3 氣體傳感器技術(shù)

氣體傳感器技術(shù)是利用氣體傳感器對(duì)天然氣成分進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)檢測(cè)和定位天然氣管道泄漏事故的一種技術(shù)。氣體傳感器技術(shù)可分為電化學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器、催化燃燒傳感器等[2]。氣體傳感器技術(shù)的原理是將氣體傳感器作為探測(cè)器，沿著管道或在管道附近布置，然后通過(guò)電路或無(wú)線信號(hào)將傳感器的輸出信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?，根?jù)信號(hào)的變化，來(lái)判斷是否存在泄漏及其位置與程度。

氣體傳感器技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種環(huán)境條件的天然氣管道，但也存在受其他氣體干擾、易受污染或老化、需定期校準(zhǔn)等缺點(diǎn)，實(shí)踐中，使用者需采取一些措施提高準(zhǔn)確性與壽命。

3 天然氣管道泄漏事故的防范措施

對(duì)于各責(zé)任單位而言，應(yīng)從源頭控制、過(guò)程監(jiān)控、應(yīng)急處置等方面減少或避免天然氣管道泄漏事故的發(fā)生。

3.1 源頭控制

源頭控制是指從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)等方面，各責(zé)任單位都應(yīng)加強(qiáng)管道的質(zhì)量管理，以提高管道的安全性能，防止或減少相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生。具體措施主要包括如下4 方面：

1）設(shè)計(jì)階段：相應(yīng)責(zé)任單位應(yīng)選擇合適的管道材料、結(jié)構(gòu)、規(guī)格等，并考慮管道的工況、載荷、環(huán)境等因素，進(jìn)行合理的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、可靠性、耐久性等分析和計(jì)算，制定合理的設(shè)計(jì)方案和標(biāo)準(zhǔn)。

2）施工階段：相應(yīng)責(zé)任單位應(yīng)遵循設(shè)計(jì)方案和標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)的施工工藝和設(shè)備，控制施工質(zhì)量，防止或減少管道的損傷或缺陷，進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和試驗(yàn)，確保管道的完整性和可靠性。

3）運(yùn)行階段：相應(yīng)責(zé)任單位應(yīng)根據(jù)管道的工況、載荷、環(huán)境等因素，制定合理的運(yùn)行參數(shù)和規(guī)程，控制管道的壓力、溫度、流量等，防止或減少管道的過(guò)載或失穩(wěn)，進(jìn)行定期的檢查和調(diào)整，確保管道的正常運(yùn)行。

4）維護(hù)階段：相應(yīng)責(zé)任單位應(yīng)根據(jù)管道的使用壽命、損耗程度、檢測(cè)結(jié)果等因素，制定合理的維護(hù)計(jì)劃和方法，進(jìn)行定期的清洗、潤(rùn)滑、更換、修復(fù)等，防止或減少管道的腐蝕、磨損、變形、開(kāi)裂等，進(jìn)而提高管道的使用效率和壽命。

3.2 過(guò)程監(jiān)控

過(guò)程監(jiān)控的主要內(nèi)容是利用各種檢測(cè)與定位技術(shù)，對(duì)管道的狀態(tài)和泄漏情況進(jìn)行實(shí)時(shí)或定期的監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警泄漏事故，并為事故的控制和處理提供數(shù)據(jù)支持。具體措施主要包括如下3 方面：

1）建立完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)：對(duì)于運(yùn)營(yíng)單位來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)管道的特點(diǎn)和條件，選擇合適的檢測(cè)與定位技術(shù)，如聲學(xué)技術(shù)、光纖技術(shù)、氣體傳感器技術(shù)等，沿著管道或在管道附近布置傳感器或探測(cè)器，將信號(hào)通過(guò)電路或無(wú)線方式傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值或模型，判斷是否存在泄漏及其位置與程度，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2）建立完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)將監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、整理、歸類(lèi)、統(tǒng)計(jì)等操作，形成數(shù)據(jù)庫(kù)或檔案，供相關(guān)人員查詢(xún)、分析、評(píng)估等，進(jìn)而為事故的預(yù)防和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3）建立完善的信息交流系統(tǒng)：運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)通過(guò)將監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生的信息進(jìn)行傳遞、共享、反饋等，形成信息網(wǎng)絡(luò)或平臺(tái)，供相關(guān)人員溝通、協(xié)調(diào)、決策，為事故的應(yīng)對(duì)和處置提供信息支持。

3.3 應(yīng)急處置

應(yīng)急處置主要是指在發(fā)生天然氣管道泄漏事故后，采取有效的措施，控制事故的擴(kuò)散和影響，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全，恢復(fù)管道正常運(yùn)行。具體措施主要包括如下4 方面：

1）制定合理的應(yīng)急預(yù)案：運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)根據(jù)管道的特點(diǎn)和條件，分析可能發(fā)生的泄漏事故類(lèi)型、原因、后果等，制定針對(duì)不同情況下的應(yīng)急響應(yīng)程序、組織結(jié)構(gòu)、職責(zé)分工、資源配置等內(nèi)容，并進(jìn)行演練和評(píng)估，確保應(yīng)急預(yù)案可行性和有效性。

2）實(shí)施有效的應(yīng)急控制：在接到泄漏報(bào)警信號(hào)后，運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，按照應(yīng)急響應(yīng)程序，迅速組織人員、設(shè)備、物資等資源，到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，采取有效的措施，如關(guān)閉閥門(mén)、切斷電源、隔離泄漏區(qū)域、撲滅火焰、稀釋或吸收泄漏氣體等，控制事故的擴(kuò)散和影響，降低事故的危害程度。

3）實(shí)施有效的應(yīng)急救援：在實(shí)施應(yīng)急控制的同時(shí)，運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)按照應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)相關(guān)部門(mén)和機(jī)構(gòu)，采取有效的措施，如疏散和轉(zhuǎn)移受影響人員、提供醫(yī)療和心理援助、保護(hù)和恢復(fù)重要設(shè)施、處理和清理泄漏物質(zhì)等，救援受傷人員和財(cái)產(chǎn)，減少事故的損失和影響。

4）實(shí)施有效的應(yīng)急恢復(fù)：在實(shí)施應(yīng)急救援的同時(shí)，運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)按照應(yīng)急職責(zé)分工，采取有效的措施，如檢查和評(píng)估管道的損壞程度、修復(fù)或更換損壞部件、進(jìn)行安全檢測(cè)和試驗(yàn)等，恢復(fù)管道的完整性和可靠性，重新開(kāi)啟管道運(yùn)行。

4 小結(jié)

為了確保天然氣管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行，相關(guān)責(zé)任單位應(yīng)深入了解泄漏事故的原因，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行防范。例如：應(yīng)在管道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)階段，加強(qiáng)管道質(zhì)量管理，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保管道的完整性和可靠性；應(yīng)建立完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，采用聲學(xué)技術(shù)、光纖技術(shù)和氣體傳感器技術(shù)等先進(jìn)的檢測(cè)與定位技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警泄漏事故，為事故的控制與處理提供數(shù)據(jù)支持；一旦發(fā)生泄漏事故，應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，迅速組織應(yīng)急控制和救援措施，控制事故的擴(kuò)散和影響，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全。