天然氣管道失效的原因及防范

趙延平

(國家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國社會(huì)對(duì)于能源的需求量相對(duì)較高，在所有的能源中，天然氣資源在環(huán)保、價(jià)格以及產(chǎn)量等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是我國的能源分布與需求之間存在嚴(yán)重的矛盾問題，需要對(duì)天然氣資源進(jìn)行長距離的輸送，目前，管道輸送天然氣是最受歡迎的方式。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，天然氣管道的鋪設(shè)規(guī)模也在逐年增加，已經(jīng)在全國范圍內(nèi)形成巨大的管道網(wǎng)絡(luò)。然而，天然氣管道在運(yùn)行過程中，由于受到多種因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管道失效問題，嚴(yán)重影響了天然氣管道的安全運(yùn)行。隨著我國管道安全法的頒布，國家對(duì)于管道安全的重視程度也在逐漸提升，如何進(jìn)一步提升管道的運(yùn)行安全成為一項(xiàng)重要問題。文章重點(diǎn)分析了天然氣管道失效的原因，在此基礎(chǔ)上，提出了管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)防范措施，為進(jìn)一步提高管道的運(yùn)行安全奠定基礎(chǔ)。

1 天然氣管道失效分析

1.1 失效模式分析

管道的失效模式主要可以分為六種類型，分別是管體斷裂、接口泄漏、管體爆炸、管道過量變形、管道材料性能退化以及管道損傷。在管體斷裂方面，其主要是由于第三方破壞、應(yīng)力腐蝕、韌性斷裂、疲勞斷裂以及腐蝕疲勞等因素所引起，在出現(xiàn)管體斷裂問題后，將會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)泄漏現(xiàn)象，此時(shí)出現(xiàn)爆炸事故的概率相對(duì)較大[2]。對(duì)于接口泄漏而言，其主要是由于密封失效以及腐蝕穿孔等因素所引起，天然氣管道在施工過程中，如果有焊接缺陷問題存在，則出現(xiàn)接口泄漏的概率也相對(duì)較大。對(duì)于管體爆炸而言，其主要可以分為化學(xué)爆炸和物理爆炸兩種類型，由于異?；瘜W(xué)反應(yīng)導(dǎo)致管道內(nèi)的壓力提升，在超過管道自身強(qiáng)度的前提下，將會(huì)引發(fā)化學(xué)爆炸問題，由于物理原因?qū)е鹿艿纼?nèi)的壓力提升，在超過管道自身強(qiáng)度的前提下，管道將會(huì)出現(xiàn)物理爆炸問題。在過量變形方面，在管道過熱運(yùn)行或者過載運(yùn)行的前提下，管道將會(huì)出現(xiàn)扭曲問題，或者管道受到自身材料的影響，在使用的過程中可能會(huì)出現(xiàn)相變現(xiàn)象，最終導(dǎo)致管道出現(xiàn)過量變形問題。在材料性能退化方面，其主要是由于損傷脆化、氫致?lián)p傷、金相組織變化等因素所引起。在管道損傷方面，其主要是由于電化學(xué)腐蝕、高溫氧化腐蝕、第三方破壞以及沖蝕等因素所引起。

1.2 失效原因分析

引發(fā)天然氣管道失效問題的因素相對(duì)較多，影響因素主要可以分為兩種類型，分別是自身因素和外界因素。其中，由于建設(shè)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、管道自身存在缺陷以及管道存在密封問題所引發(fā)的失效問題屬于自身因素，由于腐蝕、第三方破壞、自然風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)的管道失效問題屬于外界因素。為了對(duì)管道運(yùn)行過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行全面識(shí)別，國際管道研究委員會(huì)收集了大量的管道安全風(fēng)險(xiǎn)事故資料，通過對(duì)管道事故進(jìn)行調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，管道失效影響因素可以分為22種類型。除了未知因素以外，可以從時(shí)間狀態(tài)的角度出發(fā)，將21種類型的影響因素劃分為9個(gè)類別。與時(shí)間相關(guān)的因素包括外部腐蝕因素、內(nèi)部腐蝕因素以及應(yīng)力腐蝕因素等，與時(shí)間無關(guān)的因素包括第三方破壞因素、操作失誤因素、天氣因素等，靜態(tài)因素包括制造缺陷因素、焊接缺陷因素以及設(shè)備因素等。對(duì)于第三方破壞因素而言，其可以分為第三方施工破壞、管道存在損傷以及人為故意破壞等；對(duì)于天氣因素而言，其可以分為寒冷天氣、雷電天氣、暴雨天氣以及地殼運(yùn)行；對(duì)于制造缺陷因素而言，其可以分為有缺陷的焊縫、有缺陷的管道；對(duì)于焊接缺陷因素而言，其可以分為管道彎曲或皺起、螺紋滑絲等；對(duì)于設(shè)備因素而言，其可以分為密封圈失效、墊圈失效、控制裝置故障等[2]。

在管道運(yùn)行過程中，其本體非常容易因腐蝕、操作不當(dāng)或者管理不當(dāng)?shù)纫蛩匾l(fā)管道泄漏或破裂等問題，此時(shí)出現(xiàn)火災(zāi)爆炸事故的概率相對(duì)較大。中海油聯(lián)合中國石油大學(xué)對(duì)近年來我國的管道風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，第三方破壞、材料腐蝕、安裝缺陷、管理不當(dāng)以及材料老化是影響我國天然氣管道運(yùn)行安全的重要因素。在第三方破壞方面，其主要包括由于人為因素和自然因素所引起的管道破壞問題。我國管道面臨的第三方破壞問題相對(duì)較為嚴(yán)重，人為破壞因素在所有管道失效影響因素中的占比達(dá)到了66%，這一數(shù)據(jù)指標(biāo)遠(yuǎn)高于歐美國家，在將自然環(huán)境引發(fā)的管道數(shù)據(jù)列入到第三方破壞影響因素以后，第三方破壞因素在所有管道失效影響因素中的占比達(dá)到了76%。所謂的人為破壞主要指的是施工破壞以及鉆孔盜氣，隨著我國管道保護(hù)工作以及管道安全宣傳工作的持續(xù)進(jìn)行，我國鉆孔盜氣的案件數(shù)量明顯降低，但是在開展第三方施工的過程中，由于施工人員對(duì)于地下管道并不了解，且管道管理企業(yè)沒有相關(guān)的工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，因此，其出現(xiàn)管道損傷問題的概率也相對(duì)較高。在腐蝕失效方面，其主要可以分為外腐蝕失效、內(nèi)腐蝕失效以及應(yīng)力腐蝕失效等三種類型。盡管我國大多數(shù)管道采取了外防腐層和陰極保護(hù)的措施，但是受到管道運(yùn)行時(shí)間的增加，陰極保護(hù)措施可能會(huì)逐漸失效，外防腐層可能會(huì)逐漸老化，此時(shí)受到土壤環(huán)境的影響，管道出現(xiàn)外腐蝕失效問題的概率必然會(huì)提升，受到管道內(nèi)介質(zhì)腐蝕性的影響，其出現(xiàn)內(nèi)腐蝕失效的概率也相對(duì)較高，受到施工不當(dāng)或者安裝不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，管道可能?huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕失效問題[3]。

對(duì)于國外的眾多管道而言，由于其服役時(shí)間相對(duì)較長，因此，由于腐蝕失效問題引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)問題相對(duì)較多，我國在管道建設(shè)方面的發(fā)展速度相對(duì)較快，對(duì)于大多數(shù)管道而言，其服役時(shí)間相對(duì)較短，因此，腐蝕失效問題引發(fā)的安全事故數(shù)量相對(duì)較少。但是隨著時(shí)間的推移，我國的部分管道將會(huì)逐漸老化，此時(shí)出現(xiàn)失效問題的概率將會(huì)提升。部分管道本體存在初始缺陷問題，初始缺陷也是引發(fā)管道失效的重要原因。所謂的初始缺陷主要包括在管道制造、運(yùn)輸以及施工的過程中引發(fā)的缺陷問題，在管道施工過程中，如果出現(xiàn)安裝缺陷問題，此時(shí)管道的整體強(qiáng)度將會(huì)嚴(yán)重降低，進(jìn)而影響天然氣管道的安全性和可靠性。在管道運(yùn)行管理中，有些操作人員并不具備專業(yè)性的操作知識(shí)，在操作過程中出現(xiàn)失誤問題的概率相對(duì)較高，在開展管道管理過程中，盡管管道運(yùn)營管理企業(yè)都已經(jīng)制定了完善的管理制度，但是部分管理制度并沒有得到全面的落實(shí)，或者管道管理程度存在問題，管道出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)問題的概率相對(duì)較高。為了防止出現(xiàn)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)問題，大多數(shù)管道管理企業(yè)都將會(huì)安排相關(guān)人員定期對(duì)管道進(jìn)行巡檢，但是如果巡檢人員缺乏工作經(jīng)驗(yàn)，或者專業(yè)知識(shí)不足，這也將影響天然氣管道的運(yùn)行安全。

2 天然氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)防范措施

2.1 強(qiáng)化安全預(yù)防工作

安全預(yù)防工作所需要采取的措施主要包括提高管道設(shè)計(jì)質(zhì)量、強(qiáng)化施工管理工作、強(qiáng)化運(yùn)行維護(hù)工作以及強(qiáng)化管道保護(hù)力度等四個(gè)方面。在管道設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)管道沿線的實(shí)際情況進(jìn)行充分調(diào)研和分析，對(duì)管道沿線的地質(zhì)資料、氣象資料、環(huán)境資料進(jìn)行充分的收集，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理的優(yōu)化，例如：需要根據(jù)管道沿線的線路情況、管道內(nèi)介質(zhì)的成分以及管道的輸送壓力，對(duì)管道材質(zhì)進(jìn)行合理的選擇，如果管道需要經(jīng)過地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，則需要對(duì)管道施加針對(duì)性的保護(hù)措施。在進(jìn)行截?cái)嚅y選擇的過程中，需要盡可能提高截?cái)嚅y的有效性，以便在出現(xiàn)安全問題以后可以及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行關(guān)閉。如果下游用戶存在調(diào)峰需求，則需要對(duì)儲(chǔ)氣設(shè)施進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在確定最終方案的過程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)論證，以此提高設(shè)計(jì)方案的可靠性。在強(qiáng)化施工管理方面，需要對(duì)施工管理制度進(jìn)行完善，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行完善的監(jiān)督，焊接作業(yè)屬于管道施工作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，其出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)問題的概率也相對(duì)較高。因此，需要制定嚴(yán)格的焊接作業(yè)流程，同時(shí)，需要聘請(qǐng)專業(yè)且具有充足焊接經(jīng)驗(yàn)的工作人員開展作業(yè)，在焊接作業(yè)結(jié)束以后，需要對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行完善的檢查。在開展管道補(bǔ)口作業(yè)的過程中，首先需要對(duì)補(bǔ)口材料進(jìn)行合理的選擇，補(bǔ)口作業(yè)需要完全按照相關(guān)的流程進(jìn)行，以此提高補(bǔ)口作業(yè)的質(zhì)量。在管道下管溝的過程中，需要對(duì)管溝中的雜物或石塊進(jìn)行全面的清理，防止其對(duì)管道的外防腐層產(chǎn)生破壞問題，在管道上方位置處需要合理布置警示標(biāo)志，并在警示標(biāo)志上書寫管道安全保護(hù)領(lǐng)域的相關(guān)法律及要求，以此防止出現(xiàn)嚴(yán)重的第三方破壞問題。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域而言，需要充分做好水工保護(hù)工作。在強(qiáng)化運(yùn)行維護(hù)方面，需要及時(shí)開展清管作業(yè)，以便清理出管道內(nèi)的腐蝕性物質(zhì)，對(duì)于管道的通信系統(tǒng)以及自控系統(tǒng)而言，其需要做好日常的管理及維護(hù)工作，定期對(duì)管道開展內(nèi)外檢測(cè)作業(yè)，如果發(fā)現(xiàn)管道存在嚴(yán)重的內(nèi)腐蝕問題，則需要對(duì)內(nèi)腐蝕嚴(yán)重的管段進(jìn)行更換。如果發(fā)現(xiàn)管道存在外防腐層破損問題，則需要及時(shí)對(duì)外防腐層進(jìn)行修復(fù)。在加大保護(hù)力度方面，需要聘請(qǐng)專業(yè)化的人員開展日常巡檢作業(yè)，對(duì)第三方施工問題進(jìn)行制止，在管道管理企業(yè)監(jiān)督人員到場(chǎng)監(jiān)督的前提下，施工單位才能進(jìn)行第三方施工，管道管理企業(yè)需要對(duì)多種類型的媒體平臺(tái)進(jìn)行充分利用，強(qiáng)化管道安全宣傳工作。

2.2 強(qiáng)化完整性管理工作

近年來，我國管道的建設(shè)速度相對(duì)較快，未來我國天然氣管道的數(shù)量以及總里程數(shù)必然會(huì)持續(xù)提升，對(duì)于管道管理企業(yè)而言，如何提高天然氣管道運(yùn)行安全是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。完整性管理屬于一項(xiàng)相對(duì)較為先進(jìn)的管理方法，通過開展完整性管理工作，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道運(yùn)行過程中存在的安全隱患，從而采取有效的措施消除安全隱患問題，使得整個(gè)管道系統(tǒng)保持完整的狀態(tài)。通過對(duì)歐美國家進(jìn)行調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，其在上世紀(jì)后期開展了管道完整性管理工作，管道失效的概率大幅降低。通過EGIG的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，歐洲在實(shí)施管道完整性管理工作后，其管道的失效概率從0.347次/(1000 km·a)降低到了0.167次/(1000 km·a)。目前，我國正在大力推行管道完整性管理工作，并取得了初步效果。中石油管道公司于2009年首次編制完成《管道完整性管理規(guī)范》，這屬于我國管道完整性管理領(lǐng)域的首部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)，成立了管道完整性管理中心，其職能主要是編制完整性管理領(lǐng)域的相關(guān)方案，并對(duì)落實(shí)情況進(jìn)行合理的監(jiān)督。該公司于2010年首次對(duì)所有管道進(jìn)行了全面檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)了眾多安全風(fēng)險(xiǎn)問題，并采取了有效的整改措施，大幅提升了管道運(yùn)行的安全性。在開展完整性管理的過程中，首先需要引入管道安全評(píng)價(jià)方法，定期對(duì)管道的運(yùn)行情況進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。常見的安全評(píng)價(jià)方法相對(duì)較多，主要可以分為定性評(píng)價(jià)、定量評(píng)價(jià)以及半定量評(píng)價(jià)方法三種類型，其中，定量評(píng)價(jià)方法的先進(jìn)性相對(duì)較強(qiáng)，但是使用流程相對(duì)較為復(fù)雜，在開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的過程中，管道管理企業(yè)需要對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行合理的選擇及應(yīng)用，以此提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度，為管道整改工作的開展奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，管道輸送屬于天然氣運(yùn)輸過程中相對(duì)較為安全且經(jīng)濟(jì)的一種運(yùn)輸類型，但是受到管道內(nèi)外部因素的聯(lián)合影響，其出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)的概率相對(duì)較高，影響失效的因素也相對(duì)較多，一旦出現(xiàn)管道失效問題，必然會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，強(qiáng)化安全風(fēng)險(xiǎn)防范工作十分關(guān)鍵，需要從強(qiáng)化安全預(yù)防以及強(qiáng)化完整性管理兩個(gè)角度出發(fā)，采取多種類型的有效措施，以此提高管道運(yùn)行的安全性。