中國油氣管道技術現狀與發展趨勢分析

辛艷萍

中國石油大學勝利學院油氣工程學院, 山東 東營 257061

0 前言

目前，中國已建成了“三縱四橫、連通海外、覆蓋全國”的大型油氣管網。截至2019年底,我國長輸油氣管道總里程13.52×104km,覆蓋全國32個省區市,年輸石油約3.5×108t、天然氣約1 500×108m3。

近年來,中國的油氣管道技術貫徹業務驅動的科技發展戰略,建立了以工程設計施工、材料與裝備、油氣管道輸送工藝、運行維護等領域為核心的技術體系,對國內油氣管道技術的發展現狀和發展趨勢進行分析,可以為油氣管道主營業務發展提供有效借鑒。

1 工程設計施工技術

隨著中國油氣管道業務快速發展,在管道設計、管道施工等方面的部分關鍵技術引領了世界管道科技水平的進步[1]。

1.1 油氣管道設計技術

1.1.1 基于應變的管道設計方法

基于應變的管道設計方法的關鍵是確定管道在地震、地質災害中承受的應變及管道本身所能承受的應變極限。在設計應變的確定方面目前國內外采用的計算模型和方法類似,在容許應變上多引用國外的研究成果[2-5]。該方法主要在地震區、活動斷裂帶、礦山采空區等區段進行應用,包括西二線、西三線、中緬等,解決了工程技術難題,推動了大應變鋼管的研發和應用[6]。

1.1.2 基于可靠性的管道設計技術

基于可靠性管道設計技術是一種極限狀態的設計方法,關鍵是對不同管道極限狀態下的荷載和抗力不確定因素進行定量分析計算[7]。該技術針對管道實際的失效形式進行設計,以最小的成本達到既定的安全目標,并已在西二線典型地段的可靠性評估、中俄Φ 1 422 mm管道的設計和校核中進行應用。

1.2 油氣管道施工技術

1.2.1 高鋼級管道焊接技術及裝備

管道自動焊具有焊接速度快、焊接質量好、一次焊接合格率高、降低焊工的勞動強度等優勢[8]。中國開發的CPP 900系列自動焊接裝備,包括管道坡口機、內環縫自動焊機、單/雙焊炬管道全位置自動焊機、激光/電弧復合管道全位置自動焊裝備等,逐漸取代了進口裝備,并引領了國內自動焊技術發展方向。

1.2.2 機械化補口技術及裝備

機械化補口技術主要包括熱收縮帶補口技術、液態聚氨酯補口技術。

熱收縮帶補口技術機械化設備一般由自動除銹設備、中頻加熱設備與紅外加熱設備組成,該技術具有效率高、除銹均勻無遺漏、加熱溫度均勻一致、熱收縮帶收縮一致等優勢[9]。

液體聚氨酯機械化補口裝備由自動除銹設備、中頻加熱設備和自動噴涂設備組成。主要用于長輸油氣管道現場防腐補口施工時的液體聚氨酯涂料噴涂。

1.2.3 非開挖穿越技術及裝備

非開挖穿越技術方面已形成了以水平定向鉆穿越為主、盾構為輔、頂管穿越為補充的非開挖穿越整體解決方案。目前國內水平定向鉆穿越最長穿越距離達 3 500 m,最大施工管徑為1 219 mm,管徑1 016 mm的最長施工長度達到2 700 m。

1.3 工程設計施工技術發展趨勢

目前,中國已具備了建設12 MPa、300×108m3/a、X 80 鋼級、直徑1 219/1 422 mm的長距離管道技術能力,有效保障了國家油氣戰略通道的建設。面對管道業務發展形勢,今后工程設計施工領域應重點關注以下幾方面的科技攻關:一是智能化設計、智慧工地等技術在管道建設中的應用；二是新型焊接技術、新型施工裝備研發與應用、特殊環境施工技術及設備；三是管道建設的本質安全技術研究及應用。

2 材料與裝備技術

根據國家相關政策的要求以及管道業務發展的迫切需要,中國在材料與裝備領域開展國產化技術攻關,實現了高鋼級管線鋼及鋼管、管道關鍵裝備的國產化,顯著降低了管道建設成本。

2.1 高鋼級管線鋼研發與應用技術

目前，國外陸上油品管道主要采用X 65及以下管線鋼,長輸天然氣管道以X 70和X 80管線鋼為主。X 80管線鋼是日本、歐洲、北美批量生產并正式投入使用的管線鋼的最高鋼級[10]。2000年前，中國長輸管道主要采用X 65鋼級以下管線鋼,隨著西一線、西二線的建設,X 70和X 80高鋼級管線鋼技術得到了快速發展。

2.1.1 X 80管線鋼研發與應用技術

X 80管線鋼斷裂控制技術方面:已經建立了X 80管線鋼全尺寸氣體爆破實驗數據庫,解決了高壓大口徑(Φ 1 219 mm及Φ 1 422 mm)高鋼級管線鋼的止裂韌性預測難題。

X 80管線鋼關鍵技術指標方面,確定了X 80管線鋼強度的測試方法及要求,提出了熱煨彎管和管件的化學成分及強韌性控制指標。

中國先后建設了西二線、中貴線、西三線、陜四線、中俄東線等X 80天然氣管線,X 80管線鋼逐漸成為現代長距離輸氣干線管道的首選管材。

2.1.2 X 90/X 100管線鋼研發與應用技術

X 90/X 100管線鋼關鍵技術指標及產品開發方面:中國首先提出了基于止裂器的X 100管線鋼以及基于止裂概率X 90管線鋼的斷裂控制方案,開展了X 90直縫焊管及螺旋焊管全尺寸爆破試驗,填補了國際空白。

X 90管線鋼現場焊接及施工技術方面:開發了 X 90/X 100 管線鋼焊管專用焊材以及環焊縫自保護藥芯焊絲,形成了X 90/X 100管線鋼焊接工藝及評價技術、施工配套技術,已基本具備開展X 90管線鋼試驗段工程的條件。

2.2 管道關鍵裝備國產化技術

中國石油企業組織開展了20 MW電驅壓縮機組、30 MW 燃驅壓縮機組、大功率輸油泵機組、關鍵閥門、執行機構、流量計、非標裝備等油氣管道關鍵裝備的研制,已經形成了嚴格完整的管道關鍵裝備國產化工作方法。

目前,油氣管道關鍵設備國產化率超過90%，壓縮機組、輸油泵機組等國產化設備已在西一線、西二線、慶鐵四線等工程得到應用。

2.3 材料與裝備技術發展趨勢

總體來看,中國的高鋼級管材開發與應用技術已走在世界前列,但設備長期運行可靠性、設備維護等方面與國外存在差距。未來管道材料與裝備技術的發展方向主要有:大口徑高鋼級管材及管件的研發與應用;燃氣輪機動力渦輪、輸油管道強制密封閥、刮板流量計及輸氣管道孔板流量計等關鍵設備國產化研制;提升管道設備信息化、智能化水平,建設管道在線設備監測系統,完善管道設備故障庫等。

3 油氣管道輸送工藝

中國針對油氣輸送與工藝技術領域面臨的實際問題開展技術攻關,在易凝高黏原油管道輸送、油氣管道仿真優化等方面形成了系列技術成果,有效保障了油氣管道的高效輸送。

3.1 易凝高黏原油管道輸送技術

通過科研攻關,中國形成了多項易凝高黏原油管道輸送技術體系,發明了新型納米降凝劑,降凝幅度比國際同類產品提高66%;掌握了冷熱油交替輸送、停輸再啟動、投產等非穩態工況模擬技術,溫度計算誤差小于2 ℃;實現了不同管道在多油品、多分輸、多點注入等輸送要求下,在25%～110%設計輸量范圍內安全、高效運行,奠定了中國油氣管道輸送技術的國際先進地位。

3.2 油氣管網仿真與優化技術

油氣管網仿真與優化技術是支撐油氣管網設計、運行方案優化與調度等業務的核心技術,通過管道全線的水力、熱力計算以及設備的工況計算,模擬油氣介質在真實管道中的流動狀態和設備運行狀態,在此基礎上,綜合考慮油氣管網資源市場情況以及管輸能力等條件,建立油氣管道運行優化數學模型,采用運籌學方法得到最優運行方案,保障油氣管道經濟、高效運行[11]。

油氣管道(網)運行優化技術難度較大,各國在理論層面的研究更多,成熟的優化軟件產品則較少,主要依托具體問題定制優化產品。

經過持續攻關,中國天然氣瞬態仿真與管網穩態運行優化技術與國外技術水平相當,穩態優化技術在管網結構適應性上更具優勢;但在管網在線仿真和非穩態優化研究上與國外差距較大,仍處于起步階段。

3.3 管道輸送工藝發展趨勢

中國的易凝高黏原油管道輸送等技術已達到國際領先水平,但成品油順序輸送、仿真優化、低碳管理等技術與國外存在一定差距。結合生產需求,需要圍繞兩方面開展攻關:一是研發基于大型系統、多目標和在線數據的管網運行優化技術,實現天然氣管網節能優化運行;二是研究成品油界面檢測與跟蹤技術,掌握油品質量衰減規律,突破成品油質量控制技術,實現多品種、多批次油品順序輸送。

4 油氣管道運行維護技術

油氣管道運行維護方面,中國已形成了完整性管理、腐蝕防護、管網系統可靠性等系列成果,部分技術達到國際先進水平,推動了油氣管道運行維護技術進步。

4.1 完整性管理技術

4.1.1 管道缺陷檢測評價技術

管道缺陷檢測評價目的是判定管道缺陷,降低管道的安全運行風險。主要技術包括內檢測技術和評價技術。

內檢測技術包括管道檢測器研發及特征識別判定技術，具體包括幾何變形檢測、漏磁檢測、超聲測厚、超聲裂紋、電磁超聲、慣性測繪內檢測器研發;環焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷與金屬損失相關凹陷等特殊缺陷識別判定等。

評價技術包括評估模型選用、輸入參數處理選取等,具體包括凹陷與橢圓變形等幾何變形缺陷,腐蝕與劃痕等體積型缺陷,裂紋與類裂紋等平面型缺陷,以及環焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷、直焊縫缺陷等。

目前中國在變形、漏磁、慣性測繪內檢測器研發應用領域較成熟,在環焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷識別判定技術領域取得重大突破,但在超聲測厚、超聲裂紋、電磁超聲技術研發與應用領域還存在差距。

4.1.2 油氣管道風險評價技術

油氣管道風險評價技術是通過識別管道系統安全運行的風險因素,評價事故發生的可能性和后果,提出風險減緩和風險控制的建議措施。包括半定量風險評價技術、定量風險評價技術。

半定量風險評價技術包括管道風險致因機理、半定量風險評價技術模型和指標體系。與國際領先的哥倫比亞管道集團PVI動態風險系統對比,目前中國側重于評估典型時間點靜態風險,還不能實現動態、主動的風險評估與預警。

定量風險評價技術核心包括失效庫及失效概率計算模型、油氣管道危害評估模型、個人及社會風險計算模型。中國的定量風險評價技術與TNO、DNV等企業對比,缺乏管道失效數據庫的支撐,管道失效后果復雜建模研究與驗證不足,管道線路風險可接受準則難題還未解決。

4.2 管道安全監測技術

泄漏是管道失效的最直接后果,也是污染、火災等次生災害演變的直接原因。對泄漏事故后果和致災因素的及時報警和準確定位,是管道運行企業實現“安全高效”的直接訴求。

4.2.1 管道泄漏監測技術

目前，中國已形成負壓波、音波、流量平衡等多種管道泄漏。現有泄漏監測系統對打孔盜油等突發事件的檢測效果明顯。

Enbridge公司認為小于5%的泄漏，現有技術難以監測,基于壓力檢測的泄漏監測技術的靈敏度基本達到現有理論的合理邊界,需要通過技術、管理和人等多種手段來解決泄漏監測問題。對于1%以下的小泄漏、緩慢泄漏需要進行理論創新。目前來看主要是運用主動激勵式泄漏監測,不斷提高油管道泄漏檢測靈敏度;通過大數據融合判斷提高報警準確率,不斷滿足生產需求。

4.2.2 光纖安全預警技術

光纖安全預警技術是利用管道同溝敷設的光纜,采用分布式光纖傳感技術監測管道沿線第三方施工情況,實現第三方施工風險防控,變被動巡線為主動巡線。

國外管道安全預警主要通過管道沿線振動信號的監測實現對第三方施工的預警。管道沿線人為活動少,報警信息主要依靠現場確認,事件識別方面還停留在簡單環境的分類研究水平。

中國管道沿線環境復雜,第三方活動頻繁,需要進行復雜的事件識別和分類。簡單環境的智能識別已基本成熟,正在開展不同地理環境、公鐵路穿越等強背景噪聲下的復雜環境智能識別。

4.2.3 管道地質災害監測與評價技術

管道地質災害監測與評價技術集風險識別、監測、評價、防護為一體,可對管道地質災害風險進行動態管理,提出監測預警與風險減緩措施。

國外對地質災害主要采取避讓措施,防護工程設計標準較高。監測預警方面廣泛采用衛星遙感、無人機、自動測量等技術進行區域性地質災害監測,預警準確性高。風險管理方面國外很早就由成災機理向風險評價方向轉變,評價水平也由定性向半定量、定量發展,定量化水平不斷提高。

中國管道多為穿越地質災害易發區,為滿足標準的設計,工程防護水平較低。災害的識別主要依靠人工勘察,監測的自動化水平較低,監測精度和預警準確度不夠。風險管理方面近十年才起步,半定量風險評價技術與國際水平一致,但定量風險評價水平較低,在評價模型、發展趨勢預測等方面還需提高。

4.3 管道維搶修技術方面

管道修復是指對破損管道采取各種技術使其恢復正常承載能力，并經濟、高效、快捷地恢復管道運行,對管輸安全具有重要意義。

4.3.1 高鋼級管道自動焊修復技術

中國依據中俄東線生產需求,開發X 70、X 80高鋼級大口徑管道的B型套筒自動焊接修復技術,解決高鋼級管道焊接技術難題。

4.3.2 復合材料修復技術

采用濕法纏繞碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維布的方法實現管道缺陷補強。該方法作業快速,費用低,無需動火。

4.3.3 復合鋼制內襯修復技術

中國自主研發的內襯鋼制套筒,外纏復合材料,將套筒結構強度高、抗彎曲性能好的優點與復合材料能夠改善承載能力、耐腐蝕的優點結合起來,達到1+1>2的修復效果。

4.4 管道腐蝕與防護技術

針對管道服役過程中的腐蝕風險,目前中國的防護控制技術體系包括如下關鍵技術。

4.4.1 防腐材料/涂層檢測評價與修復技術

管道防腐層應用及檢測評價技術方面,中國與國際水平基本一致,但國外在外防腐層類型選擇上多樣化,中國3 PE防腐層占絕大多數(約85%)。

防腐層修復方面,中國技術較國外更加成熟,形成了一套完善的在役管道不停輸防腐保溫層修復技術。

4.4.2 陰極保護檢測評價與模擬技術

通過引進吸收和自主攻關,中國的陰極保護檢測評價技術已實現跨越式進步:從早期的“通電電位評價”到“斷電電位評價”，再到近年來推行的“試片法評價”,檢測評價水平穩步提升。

4.4.3 雜散電流檢測評價與減緩

雜散電流是指正常管道陰極保護電流之外其他電流總稱,可導致管道腐蝕加劇。

目前,中國已經建立相對完善的雜散電流檢測評價和減緩技術體系,包含雜散電流干擾危害評價、同步檢測技術、頻譜分析技術等，為港棗線、新大線等近萬公里管道和100多個站場雜散電流檢測評價提供了技術支持。

4.4.4 管道內腐蝕防護技術

中國對長輸管道內腐蝕研究起步較晚,在內腐蝕控制指標、監測和檢測、內腐蝕直接評價等方面需要深入研究。

近年來,隨著中國油氣管道快速發展,管道腐蝕控制和管理技術進步迅速,在高壓直流干擾評價與緩解技術、陰極保護試片法技術、地鐵雜散電流控制方面已經逐漸顯現技術優勢。

4.5 管網系統可靠性技術

管網系統可靠性是指管網系統在規定運行條件和規定時間內完成規定輸送任務的能力,通過統籌考慮管網物理系統、資源供應及市場需求,對管網安全性進行量化評價,以系統功能實現為最終目標,實現管網可靠運行[12]。通過建立滿足復雜天然氣管網系統特點的物理管網分布式可靠度階梯計算模型,在給定工況條件下,通過仿真對管網進行拆解,由可獲取基本數據的最底層單元可靠度計算開始,向上逐級獲得管網系統及任意子系統(即管線系統和站場系統)的可靠度。

目前,國外管道可靠性研究偏重于單元層面,主要表現為單條管線、站場設備和管道本體的可靠性研究,評價方法較成熟,已應用于生產實踐,并取得顯著效果。

中國針對管網系統層面的可靠性研究處于世界前沿,研究內容涉及管道運行本質安全、供氣能力及經濟性分析,建立了可靠性管理體系框架,有待進一步完善及推廣應用。

4.6 管道運行維護技術發展趨勢

總體來看,中國的管道完整性管理、安全監測、腐蝕防護等關鍵技術基本與國外同步。結合生產需求,需要圍繞以下方面開展攻關:發展管道焊縫裂紋缺陷、管道應力在線檢測技術與裝備,提升焊縫缺陷的檢測評價水平;降低誤報漏報率,攻關天然氣泄漏監測技術難題[13-16];開展大型天然氣管網可靠性研究,建立系統目標可靠度確定方法及系統可靠性增強理論,推動管網系統可靠性技術工程應用和智慧管網建設[17-20]。

5 結論

1)根據國家《中長期油氣管網規劃》,到2025年中國油氣管網將達24×104km,然而現有油氣管道工程建設能力和速度與國家要求尚不匹配,工程建設質量有待進一步提升。

國際政治形勢多變,中美貿易摩擦等問題的長期性和復雜性對中國國內技術造成很大沖擊,部分核心技術和裝備存在“卡脖子”風險,影響能源供應安全,實現管道核心技術和裝備的自主研發已刻不容緩。

隨著中緬、泰青威等大口徑天然氣管道環焊縫開裂失效事故的發生,環焊縫質量隱患對管道安全運行造成的風險凸顯,管道風險評價和修護技術等方面依然存在諸多瓶頸問題,嚴重制約油氣管道本體安全水平的提升。

2)綜合分析當前我國油氣管道科技面臨的形勢及問題,今后需要在油氣管道設計施工技術、油氣管道生產運行技術、管道環焊縫隱患排查與風險管控技術、智慧管網建設運行關鍵技術等四個研發方向進行重點攻關部署。一是從源頭提升油氣管道的建設能力和質量。二是組織技術攻關,實現核心技術自主、可控,提升油氣管道生產運行可靠性水平,保障管網的運行安全和效益。三是持續開展環焊縫缺陷內檢測、應力應變檢測、安全評價、在線修復等方面的研究,提升管道本質安全。四是推動人工智能與管道業務的發展融合,形成智慧管網建設與運行成套技術與標準,保障“智慧管網”建設目標實現。