基于系統動力學的頁巖氣管道泄漏失效仿真分析

何 莎，賈錦秀，駱吉慶，劉顯鋒，解正一，劉映雪，陳秋竹

（1.川慶安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測技術有限公司，四川 廣漢 618300；3.中國石油東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213；4.中國石油塔里木油田分公司應急中心，新疆 庫爾勒 841000；5.西南石油大學，四川 成都 610500）

近年來，為響應節能減排和碳中和方面的要求，社會對頁巖氣等綠色清潔能源的需求量不斷提高。但由于我國頁巖氣開發起步較晚，對頁巖氣管道的腐蝕問題研究較少。據相關調查表明，隨著氣田開采時間的增加，國內涪陵、威遠、長寧等頁巖氣田集輸管線或井筒陸續出現不同程度的內腐蝕[1]。由于腐蝕導致管道泄漏失效，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，制約了整個油氣田的正常生產和運營。

目前，國內外學者通過不同的方法對于管道泄漏失效進行了大量的研究。如使用故障樹[2]、層次分析法[3]、貝葉斯網絡[4]等構建管道泄漏失效的評價體系。但對泄漏失效因素的整體、系統的評價分析過程較少。

系統動力學（System Dynamics，SD）是系統科學理論與計算機仿真緊密結合、研究系統反饋結構與行為的一門科學，是系統科學與管理科學的一個重要分支。通過系統動力學，可以降低實際工程數據處理量，簡化模型結構，有效從整體出發尋求改善系統行為的機會和途徑[5]。

基于此，本文通過構建頁巖氣管道腐蝕泄漏失效的SD 模型，根據實際情景繪制頁巖氣管道泄漏致因的因果關系圖，忽略部分對頁巖氣管道失效影響較小的因素，簡化得到管道泄漏失效致因存量流量圖，設置相應的變量方程和參數值，根據仿真結果分析頁巖氣管道泄漏失效致因的主要影響因素和相互耦合關系。

1 頁巖氣管道失效影響因子SD 模型

系統動力學認為，系統的行為模式與特性主要取決于其內部的結構。它定義系統為一個由相互區別、相互聯系的諸單元有機地聯系在一起，且具有某種功能的集合體。通過對系統結構功能分析與計算機仿真相結合，可以形象地描述復雜系統的動態行為，考察系統在不同條件下的系統演變行為和趨勢，實現科學定量研究。

1.1 系統邊界的確定

本文使用系統動力學軟件Vensim 對頁巖氣管道失效的影響因素進行分析。系統的邊界設定為某一頁巖氣輸氣管道。

1.2 管道失效因果關系圖

影響頁巖氣管道失效泄漏的因素有很多，研究表明，頁巖氣管道中介質輸送的化學組分、輸送介質的溫度、壓力、流速、含水量、微生物含量、內外防腐措施失效、第三方破壞和管理過失是造成頁巖氣管道泄漏失效事故的主要原因。上述不同的輸送條件和因素導致頁巖氣管道受內腐蝕和外腐蝕的侵蝕。總體上將其分為三個子系統：管道內腐蝕系統、管道外腐蝕系統和管理過失系統。系統內部的關系復雜，子系統之間和子系統內部各因素之間相互耦合，使得頁巖氣管道泄漏失效系統處在動態發展的過程中。

根據上述泄漏致因的三個子系統及子系統間的相互關系，結合系統動力學原理，繪制頁巖氣管道泄漏失效的因果關系圖，如圖1 所示。其中“+”表示因素間具有正反饋關系，“-”表示因素間具有負反饋關系。

由圖1 可知，頁巖氣管道的泄漏失效的因果關系圖由內腐蝕、外腐蝕和管理過失三個一級影響因素和46個二級因素相互耦合，各因素間聯系密切，共同決定頁巖氣管道泄漏失效程度。

1.3 管道失效存量流量圖

根據圖1 各因素間的因果關系圖，將管道內腐蝕系統、外腐蝕系統和管理過失系統進行綜合耦合和分析，使用系統動力學語言加以表示。對各個二級因素進行了篩選，忽略部分對頁巖氣管道失效影響較小的因素，簡化得出基于系統動力學的腐蝕泄漏失效存量流量圖。簡化的存量流量圖如圖2 所示。

圖1 頁巖氣管道失效因果關系圖

圖2 簡化的管道失效存量流量圖

設置管道失效為狀態變量，內腐蝕發生概率為速度變量，設置焊縫泄漏缺陷、內防腐涂層損傷、Cl-含量增加、礦化度增加、腐生菌含量增加為時間變量，設置內防腐措施失效、內腐蝕環境改變等為輔助變量，設置CO2含量增加、含水量增加、緩蝕劑效果差和加工質量差等為常量。

HCO3-含量增加、CO2含量增加、Cl-含量增加、微生物含量增加、含水量增加、溫度升高、介質流速增加、pH 降低、礦化度增加均會促進內腐蝕環境的改變，其中礦化度、pH 值、微生物含量、Cl-含量會隨著管道使用時間的增加而改變。CO2含量增加、Cl-含量增加、含水量增加、溫度升高、pH 降低又會促進微生物含量的提高。

緩蝕劑效果差、殺菌劑效果差和清管效果差會促進內防腐措施的失效；同時管材抗蝕性能差、內防腐層損傷、焊縫缺陷和加工質量差等管道材料缺陷會間接促進內防腐層的失效。

管道失效的存量流量圖中包含1 個狀態變量，1 個速度變量，5 個時間變量，3 個輔助變量，12 個常量，共計22 個變量。

2 頁巖氣管道泄漏失效SD 仿真分析

2.1 頁巖氣管道泄漏失效情景設置

根據以往的數據及案例，設置仿真對象為某頁巖氣管道，基礎設施完善，地質特征穩定。根據上述頁巖氣管道運行環境背景，設置管道泄漏失效SD 模型常量具體參數，如表1 所示。

表1 管道泄漏失效SD 模型常量參數表

頁巖氣管道的服役年限將直接影響管道的腐蝕。設置仿真的服役年限為1～100 a，設置管道泄漏失效SD 模型時間變量方程，如表2 所示。

表2 管道泄漏失效SD 模型時間變量方程

使用極端條件檢驗法檢驗SD 模型有效性，將上述的常量和時間變量假設取值為0，即頁巖氣管道運行環境中不存在腐蝕環境條件和內防腐措施失效等情況。進行仿真計算，得出頁巖氣管道內腐蝕發生概率為0，與實踐情況相符合，得以驗證該管道泄漏失效SD 模型有效。

2.2 管道泄漏失效敏感節點分析

敏感節點是系統分析的主要依據，敏感節點對頁巖氣管道泄漏失效具有顯著的影響作用，應該在之后的安全管理及控制中予以重視關注。頁巖氣管道在未全面防腐之前均有大量的硫酸鹽還原菌（SRB）與鐵細菌，存在發生微生物腐蝕的條件。影響頁巖氣管道腐蝕的決定性因素為硫酸鹽還原菌（SRB）腐蝕，含水量、溫度、pH 值、礦化度、CO2含量和Cl-含量對腐蝕和SRB 的生長進程具有協同促進作用[4]。選擇上述對頁巖氣管道失效影響最大的幾個敏感節點進行著重分析，并繪制影響因素SD 仿真結果圖。如圖3 所示。

由圖3 可知，由于實際工況下的管道環境十分利于微生物的生長繁殖，因此影響頁巖氣管道腐蝕的決定性因素為微生物的腐蝕。在管道服役期未滿40 a 時，微生物的影響占比增長緩慢，但仍是影響內腐蝕環境改變的主要因素。在服役滿40 a 之后，微生物的影響作用顯著增加，成為內腐蝕環境改變的主導影響因素。

圖3 各二級影響因素的SD 仿真結果

其中，由于礦化度隨生產時間的增加將上升，礦化度對頁巖氣管道的影響作用將不斷增加。Cl-可以直接參與到材料的陽極溶解過程，加速材料的陽極溶解，隨著Cl-濃度的增加，金屬基體局部腐蝕嚴重，但是當Cl-濃度達到一定數值后，對管道的影響作用將維持穩定。至于其他敏感影響因素，影響作用順序為：含水量＞溫度＞pH 值＞Cl-含量。通過對敏感節點的有效管理和防治可以降低頁巖氣發生腐蝕泄漏的失效可能性。為避免頁巖氣管道泄漏事故的產生，應注重對微生物、含水量、溫度、pH 值、礦化度和Cl-含量的控制。

2.3 微生物含量控制分析

微生物含量是影響頁巖氣泄漏失效的最主要失效敏感節點。分別增加和減少微生物的含量，得到頁巖氣管道泄漏失效可能性，如圖4 所示。

圖4 低、中、高含量微生物的管道失效可能性圖

由圖4 可知，微生物含量的變化對管道失效可能性的影響巨大。當微生物含量降低時，管道的失效可能性也會降低，且隨著服役時間的推移，這種影響在不斷地加強。當微生物含量增加時，管道的失效可能性急劇增加，嚴重影響頁巖氣管道的正常運行安全。

微生物的生長與諸多環境工況有關。如，pH 值能間接影響SRB 的生長繁殖從而間接影響頁巖氣管道的腐蝕，最適宜生長的pH 值范圍為7.0～7.5。Cl-濃度為30 g/L 時，SRB 生長代謝活動旺盛。溫度為30～35℃及55～60℃的環境下SRB 適宜繁殖。因此設置微生物在最適宜環境工況下繁殖，得到不同環境工況下頁巖氣管道泄漏失效可能性，如圖5 所示。

圖5 不同繁殖環境下的管道失效可能性圖

根據圖5 可知，在適宜條件下，微生物對管道泄漏失效影響將會增大。pH 值、Cl-濃度、溫度等因素既直接影響管道的泄漏失效，又間接通過影響微生物的繁殖來作用于管道。因此，在頁巖氣管道的管理中，首先應加強對微生物含量的管理與控制，然后營造不利于微生物繁殖且能直接降低管道失效可能性的環境，以避免因內腐蝕所造成的頁巖氣管道泄漏失效，最終防止事故的發生。

3 結論

（1）隨著服役時間的增加，頁巖氣管道泄漏失效概率將逐漸增大。服役期超過40 a 的頁巖氣管道的失效概率的增加率將顯著提高。在服役期40 a 之前時，由內腐蝕環境改變造成的管道泄漏失效概率高于內防腐措施失效造成的管道泄漏失效概率，且泄漏失效概率值增長緩慢。而服役超過40 a 后，內防腐措施失效對管道失效的影響作用顯著，符合實際的情況。

（2）在管道服役期未滿40 a 時，微生物的影響占比增長緩慢，但仍是影響內腐蝕環境改變的主要因素。在服役滿40 a 之后，微生物的影響作用顯著增加，成為內腐蝕環境改變的主導影響因素。其他影響因素顯著程度分別為：含水量增加＞溫度升高＞pH 值降低＞Cl-含量增加。可通過敏感節點的管理降低頁巖氣管道的泄漏失效概率。

（3）微生物含量的變化對管道失效概率的影響巨大。當微生物含量降低時，管道的失效概率也會降低，且隨著服役時間的推移，這種影響在不斷地加強。當微生物含量增加時，管道的失效概率急劇增加，嚴重影響頁巖氣管道的正常運行安全。